激光测距的原理
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位移的传感器种类繁多，可根据位移检测范围变 化的大小选用。 下面介绍几种线位移传感器。
1 电位器式位移传感器
2 电感式位移传感器 3 光栅位移传感器
4 感应同步器 5 激光距离检测
电位器式位移传感器
测量原理：
图5-1(b)中，测量轴与内部电 位器电刷相连，当其与被测物相接 触，有位移输入时，测量轴便沿导 轨移动，同时带动电刷在滑线电阻 上移动，因电刷的位置变化会有电 阻变化，由电路转换成电压输出， 就可以判断位移的大小。如要求同 时测出位移的大小和方向。可将图 中的精密无感电阻和滑线电阻组成 桥式测量电路。
5.1.1 位移检测方法
（1）测量速度积分法 测量运动体的速度或加速度，经过积 分或二次积分求得运动体的位移。 例如在惯性导航中，就是通过测量载 体的加速度，经过二次积分而求得载体的 位移。
5.1.1 位移检测方法
（2）回波法 从测量起始点到被测面是一种介质， 被测面以后是另一种介质，利用介质分界面 对波的反射原理测位移。
5.1 5.2 5.3 5.4
位移检测 速度检测 加速度检测 机械振动测量
5.1 位移检测 位移是向量，是指物体或其某一部分
的位置相对参考点在一定方向上产生的位 置变化量。 因此位移的度量除要确定其大小外，还 要确定其方向。
5.1.1 位移检测方法
位移的检测包括线位移和角位移的测量 位移测量包括了长度、厚度、高度、距离、 镀层厚度、表面粗糙度、角度等 常用位移测量方法如下： （1）测量速度积分法 （2）回波法 （3）线位移和角位移转换法 （4）位移传感器法
第五章 运动量及振动检测技术
概述
运动量是描述物体运动的量，包括位移、速
度和加速度。运动量是最基本的量，运动量测 量是最基本、最常见的测量，它是许多物理量， 如力、压力、温度、振动等测量的前提，也是 惯性导航、制导技术的基础。
振动是工程技术和日常生活中普遍存在的物
理现象。大多数情况下振动是有害的，但也有 可利用的一面，无论是要防止振动危害还是要 利用振动，振动试验和测量始终是一个重要的、 必不可少的手段。
若负载电阻为RL→∞，则有：
Uo Ui Rx x Ui R l
电位器式位移Βιβλιοθήκη Baidu感器的优缺点
优点 结构简单, 价格低廉, 性能稳定, 对环境 条件要求不高, 输出信号大，便于维修。 缺点 电刷与电阻元件之间存在摩擦, 易磨损， 易产生噪声，分辨力有限, 精度不够高, 要求输入的能量大，动态响应较差，仅适 于测量变化较缓慢的量。
⑴自感式
采用差动式自感位移传感器的优势
减小电磁吸力的作用，对温度、电源频率变化的 影响也可以互相抵消，大大提高传感器的灵敏度， 改善线性，减少测量误差。 比较如下:
变气隙式灵敏度k 为：
dL 0 SN 2 k d 2 2
而差动变气隙式灵敏度k变为：
dL 0 SN 2 0 SN 2 k 2 2 d 2 2
5.1.1 位移检测方法
（4）位移传感器法
通过位移传感器，将被测位移量的变 化转换成电量（电压、电流、阻抗等）、 流量、光通量、磁通量等的变化。位移传 感器法是目前应用最广泛的一种方法。 一般来说，在进行位移测量时，要充 分利用被测对象所在场合和具备的条件来 设计、选择测量方法。
5.1.2 线位移检测
电感式位移传感器
测量原理：
电感式位移传感器利用电磁感应定律将被测位移转换为电 感或互感的变化。按传感器结构的不同，可分为自感式（电 感式 ）、互感式（差动变压器 ）和电涡流式。 ⑴自感式 分为三类： 变气隙式 变截面积式 螺管式
⑴自感式
经过推算可以知道线圈的自感量L有如下关系式： 0 SN 2 L 2 其中δ —空气隙厚度；S—磁路有效截面积；N— 线圈匝数；μ 0—空气磁导率 结论：只要被测位移能够引起空气隙δ 或等效截面 积S变化，线圈的自感量就会随之变化。
⑴自感式
三种形式的优缺点： ①对于变气隙式，只能用于微小位移的测量，一般约 为0.001mm~1mm。 ②对于变截面积式，其线性度良好、测量范围较大， 但灵敏度较低，且有漏感，即在S=0时，仍有一定 的自感量。 ③对于螺管式，传感器结构简单，制作容易，适用于 测量比较大的位移。但灵敏度稍低。
⑴自感式
电位器式位移传感器
电位器式位移传感器测量 原理与电路模型 在电位器A、C两端接上激励电压 Ui，则当电刷在输入位移驱动下移 动时，B、C两端就会有电压输出 Uo。设电位器为线性，长度为l， 总电阻为R，电刷位移为x，相应电 阻为Rx，负载电阻为RL，根据电路 分压原理，电路的输出电压为：
Rx RL /( Rx RL ) Uo Ui R Rx Rx RL /( Rx RL )
⑴自感式
线性度比较如下图：
结论：
传感器灵敏度提高了一倍
⑵ 差动变压器(互感式)
差动变压器较多采用螺管 式 ，如图（a）所示，等 效电路如图 (b)所示 差动变压器输出电势的大小 和相位可以反应衔铁位移量 的大小和方向 ，输出电压 的有效值为：
U2 2M R (L1 )
例如激光测距仪、超声波液位计都是利用分 界面对激光、超声波的反射测量位移的。相关测距 则是利用相关函数的时延性质，将向某被测物发射 信号与经被测物反射的返回信号作相关处理，求得 时延τ ，从而推算出发射点与被测物之间的距离。
5.1.1 位移检测方法
（3）线位移和角位移转换法 被测量是线位移时，若测量角位移更 方便，则可用间接测量方法，通过测角位移 再换算成线位移。 同样，被测量是角位移时，也可先测线 位移再进行转换。 例如汽车的里程表，是通过测量车轮 转数再乘以周长而得到汽车的里程的。
存在问题？
三种类型的自感位移传感器在工作时，由于线 圈中通有交流励磁电流，衔铁始终承受电磁吸力， 因而会引起振动及附加误差，而外界的干扰如电 源电压频率的变化，温度的变化也会造成测量误 差，另外，非线性误差较大。
⑴自感式
解决方法
采用差动结构， 两个相同的传感 器线圈共用一个 衔铁．构成差动 式自感位移传感 器 。如右图
1 电位器式位移传感器
2 电感式位移传感器 3 光栅位移传感器
4 感应同步器 5 激光距离检测
电位器式位移传感器
测量原理：
图5-1(b)中，测量轴与内部电 位器电刷相连，当其与被测物相接 触，有位移输入时，测量轴便沿导 轨移动，同时带动电刷在滑线电阻 上移动，因电刷的位置变化会有电 阻变化，由电路转换成电压输出， 就可以判断位移的大小。如要求同 时测出位移的大小和方向。可将图 中的精密无感电阻和滑线电阻组成 桥式测量电路。
5.1.1 位移检测方法
（1）测量速度积分法 测量运动体的速度或加速度，经过积 分或二次积分求得运动体的位移。 例如在惯性导航中，就是通过测量载 体的加速度，经过二次积分而求得载体的 位移。
5.1.1 位移检测方法
（2）回波法 从测量起始点到被测面是一种介质， 被测面以后是另一种介质，利用介质分界面 对波的反射原理测位移。
5.1 5.2 5.3 5.4
位移检测 速度检测 加速度检测 机械振动测量
5.1 位移检测 位移是向量，是指物体或其某一部分
的位置相对参考点在一定方向上产生的位 置变化量。 因此位移的度量除要确定其大小外，还 要确定其方向。
5.1.1 位移检测方法
位移的检测包括线位移和角位移的测量 位移测量包括了长度、厚度、高度、距离、 镀层厚度、表面粗糙度、角度等 常用位移测量方法如下： （1）测量速度积分法 （2）回波法 （3）线位移和角位移转换法 （4）位移传感器法
第五章 运动量及振动检测技术
概述
运动量是描述物体运动的量，包括位移、速
度和加速度。运动量是最基本的量，运动量测 量是最基本、最常见的测量，它是许多物理量， 如力、压力、温度、振动等测量的前提，也是 惯性导航、制导技术的基础。
振动是工程技术和日常生活中普遍存在的物
理现象。大多数情况下振动是有害的，但也有 可利用的一面，无论是要防止振动危害还是要 利用振动，振动试验和测量始终是一个重要的、 必不可少的手段。
若负载电阻为RL→∞，则有：
Uo Ui Rx x Ui R l
电位器式位移Βιβλιοθήκη Baidu感器的优缺点
优点 结构简单, 价格低廉, 性能稳定, 对环境 条件要求不高, 输出信号大，便于维修。 缺点 电刷与电阻元件之间存在摩擦, 易磨损， 易产生噪声，分辨力有限, 精度不够高, 要求输入的能量大，动态响应较差，仅适 于测量变化较缓慢的量。
⑴自感式
采用差动式自感位移传感器的优势
减小电磁吸力的作用，对温度、电源频率变化的 影响也可以互相抵消，大大提高传感器的灵敏度， 改善线性，减少测量误差。 比较如下:
变气隙式灵敏度k 为：
dL 0 SN 2 k d 2 2
而差动变气隙式灵敏度k变为：
dL 0 SN 2 0 SN 2 k 2 2 d 2 2
5.1.1 位移检测方法
（4）位移传感器法
通过位移传感器，将被测位移量的变 化转换成电量（电压、电流、阻抗等）、 流量、光通量、磁通量等的变化。位移传 感器法是目前应用最广泛的一种方法。 一般来说，在进行位移测量时，要充 分利用被测对象所在场合和具备的条件来 设计、选择测量方法。
5.1.2 线位移检测
电感式位移传感器
测量原理：
电感式位移传感器利用电磁感应定律将被测位移转换为电 感或互感的变化。按传感器结构的不同，可分为自感式（电 感式 ）、互感式（差动变压器 ）和电涡流式。 ⑴自感式 分为三类： 变气隙式 变截面积式 螺管式
⑴自感式
经过推算可以知道线圈的自感量L有如下关系式： 0 SN 2 L 2 其中δ —空气隙厚度；S—磁路有效截面积；N— 线圈匝数；μ 0—空气磁导率 结论：只要被测位移能够引起空气隙δ 或等效截面 积S变化，线圈的自感量就会随之变化。
⑴自感式
三种形式的优缺点： ①对于变气隙式，只能用于微小位移的测量，一般约 为0.001mm~1mm。 ②对于变截面积式，其线性度良好、测量范围较大， 但灵敏度较低，且有漏感，即在S=0时，仍有一定 的自感量。 ③对于螺管式，传感器结构简单，制作容易，适用于 测量比较大的位移。但灵敏度稍低。
⑴自感式
电位器式位移传感器
电位器式位移传感器测量 原理与电路模型 在电位器A、C两端接上激励电压 Ui，则当电刷在输入位移驱动下移 动时，B、C两端就会有电压输出 Uo。设电位器为线性，长度为l， 总电阻为R，电刷位移为x，相应电 阻为Rx，负载电阻为RL，根据电路 分压原理，电路的输出电压为：
Rx RL /( Rx RL ) Uo Ui R Rx Rx RL /( Rx RL )
⑴自感式
线性度比较如下图：
结论：
传感器灵敏度提高了一倍
⑵ 差动变压器(互感式)
差动变压器较多采用螺管 式 ，如图（a）所示，等 效电路如图 (b)所示 差动变压器输出电势的大小 和相位可以反应衔铁位移量 的大小和方向 ，输出电压 的有效值为：
U2 2M R (L1 )
例如激光测距仪、超声波液位计都是利用分 界面对激光、超声波的反射测量位移的。相关测距 则是利用相关函数的时延性质，将向某被测物发射 信号与经被测物反射的返回信号作相关处理，求得 时延τ ，从而推算出发射点与被测物之间的距离。
5.1.1 位移检测方法
（3）线位移和角位移转换法 被测量是线位移时，若测量角位移更 方便，则可用间接测量方法，通过测角位移 再换算成线位移。 同样，被测量是角位移时，也可先测线 位移再进行转换。 例如汽车的里程表，是通过测量车轮 转数再乘以周长而得到汽车的里程的。
存在问题？
三种类型的自感位移传感器在工作时，由于线 圈中通有交流励磁电流，衔铁始终承受电磁吸力， 因而会引起振动及附加误差，而外界的干扰如电 源电压频率的变化，温度的变化也会造成测量误 差，另外，非线性误差较大。
⑴自感式
解决方法
采用差动结构， 两个相同的传感 器线圈共用一个 衔铁．构成差动 式自感位移传感 器 。如右图