「位移傳感器【學(xué)習(xí)材料】」.ppt

位移傳感器 1 課件精選 位移傳感器 位移測(cè)量包含 偏心 間隙 位置 傾斜 彎曲 變形 移動(dòng) 圓度 沖擊 偏心率 沖程 寬度等等 來(lái)自不同應(yīng)用領(lǐng)域的許多量都可歸結(jié)為位移或間隙變化 位移傳感器又稱(chēng)為線(xiàn)性傳感器 是一種屬于金屬感應(yīng)的線(xiàn)性器件 傳感器的作用是把各種被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為電量 在生產(chǎn)過(guò)程中 位移的測(cè)量一般分為測(cè)量實(shí)物尺寸和機(jī)械位移兩種 按被測(cè)變量變換的形式不同 位移傳感器可分為模擬式和數(shù)字式兩種 模擬式又可分為物性型和結(jié)構(gòu)型兩種 2 課件精選 機(jī)械位移傳感器分類(lèi) 3 課件精選 電位器式位移傳感器 電位器式位移傳感器它通過(guò)電位器元件將機(jī)械位移轉(zhuǎn)換成與之成線(xiàn)性或任意函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出 4 課件精選 電位器轉(zhuǎn)軸上的電刷將電阻體電阻R0分為R12和R23兩部分 輸出電壓為U12 改變電刷的接觸位置 電阻R12亦隨之改變 輸出電壓U12也隨之變化 通過(guò)測(cè)量輸出電壓或者將其進(jìn)行轉(zhuǎn)換就可以得到位移參數(shù) 5 課件精選 常見(jiàn)用于傳感器的電位器有 線(xiàn)繞式電位器 合成膜電位器 金屬膜電位器 導(dǎo)電塑料電位器 導(dǎo)電玻璃釉電位器 光電電位器 6 課件精選 金屬膜電位器 金屬膜電位器由合金 金屬或金屬氧化物等材料通過(guò)真空濺射或電鍍方法 在瓷基體上沉積一層薄膜而制成 金屬膜電位器具有無(wú)限分辨力 接觸電阻很小 耐熱性好 滿(mǎn)負(fù)荷達(dá)70 與線(xiàn)繞電位器相比 它的分布電容和分布電感很小 特別適合在高頻條件下使用 它的噪聲僅高于線(xiàn)繞電位器 金屬電位器的缺點(diǎn)是耐磨性較差 阻值范圍窄 一般在10 100 由于這些缺點(diǎn) 限制了它的使用范圍 7 課件精選 導(dǎo)電塑料電位器 導(dǎo)電塑料電位器又稱(chēng)實(shí)心電位器 這種電位器的電阻是由塑料粉及導(dǎo)電材料的粉料經(jīng)塑壓而成的 導(dǎo)電塑料電位器的耐磨性很好 使用壽命較長(zhǎng) 允許電刷的接觸壓力很大 在振動(dòng) 沖擊等惡劣環(huán)境下仍能可靠工作 此外 它的分辨率較高 線(xiàn)性度較好 阻值范圍大 能承受較大的功率 導(dǎo)電塑料電位器的缺點(diǎn)是阻值易受濕度影響 故精度不易做得很高 導(dǎo)電塑料電位器的標(biāo)準(zhǔn)阻值有1k 2k 5k 和10k 線(xiàn)性度為0 1 和0 2 8 課件精選 電位移傳感器優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 性能穩(wěn)定 受環(huán)境溫度影響小缺點(diǎn) 受骨架尺寸和導(dǎo)線(xiàn)直徑限制 分辨率小于20um磨損影響使用壽命 有較大噪聲 降低可靠性 應(yīng)用 主要用于測(cè)量線(xiàn)位移與角位移 9 課件精選 電容式位移傳感器 電容式位移傳感器的形式很多 常使用變極距式電容傳感器和變面積式電容傳感器進(jìn)行位移的測(cè)量 空氣介質(zhì)變極距式電容傳感器工作原理圖 1個(gè)電極板固定不動(dòng) 稱(chēng)為固定極板 極板的面積為 另一極板可左右移動(dòng) 引起極板間距離d相應(yīng)變化 10 課件精選 變極距式電容傳感器的初始電容C0 只要測(cè)出電容變化量 C 便可計(jì)算得到極板間距的變化量 即極板的位移量 d 除用變極距式電容傳感器測(cè)位移外 還可以用變面積式電容傳感器測(cè)角位移 C0 0A d0 11 課件精選 a 變極距式示意圖 b 變極距式的特性 c 差動(dòng)式示意圖 12 課件精選 螺管式電感位移傳感器 螺管式電感位移傳感器主要由螺管線(xiàn)圈和鐵芯組成 鐵芯插入線(xiàn)圈中并可來(lái)回移動(dòng) 當(dāng)鐵芯發(fā)生位移時(shí) 將引起線(xiàn)圈電感的變化 線(xiàn)圈的電感量與鐵芯插入線(xiàn)圈的長(zhǎng)度有如下的關(guān)系 鐵芯隨被測(cè)物體一起移動(dòng) 導(dǎo)致線(xiàn)圈電感量發(fā)生變化 其檢測(cè)位移量可從數(shù)毫米到數(shù)百毫米 缺點(diǎn)是靈敏度低 13 課件精選 變氣隙式自感式傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖 a 單邊式 b 差動(dòng)式 14 課件精選 變氣隙截面式電感傳感器 15 課件精選 差動(dòng)傳感器 初級(jí)線(xiàn)圈L1加交流勵(lì)磁電壓Uin 次級(jí)線(xiàn)圈上由于電磁感應(yīng)而產(chǎn)生感應(yīng)電壓 由于兩個(gè)次級(jí)線(xiàn)圈相反極性串接 所以?xún)蓚€(gè)次級(jí)線(xiàn)圈中的感應(yīng)電壓UOUT1和UOUT2的相位相反 當(dāng)鐵芯處于中心對(duì)稱(chēng)位置時(shí) 則UOUT1 UOUT2 所以UOUT 0 當(dāng)鐵芯向兩端位移時(shí) UOUT1大于或小于UOUT2 使UOUT不等于零 其值與鐵芯的位移成正比 16 課件精選 差動(dòng)變壓器的輸出特性 a 理想特性 b 零點(diǎn)殘余電壓 c 相敏檢波后的特性 17 課件精選 由繞組不對(duì)稱(chēng)引起的零點(diǎn)殘余電壓可以通過(guò)調(diào)節(jié)銜鐵初始位置進(jìn)行消除 然而因相位誤差造成的零點(diǎn)殘余電壓是無(wú)法通過(guò)調(diào)節(jié)銜鐵初始位置進(jìn)行消除的 1 從設(shè)計(jì)和工藝上盡量保證線(xiàn)圈和磁路對(duì)稱(chēng) 選用高性能的導(dǎo)磁材料 導(dǎo)磁體必須經(jīng)過(guò)熱處理 消除殘余應(yīng)力 以提高磁性能的均勻性和穩(wěn)定性 2 采用相敏檢波電路不僅可以鑒別銜鐵的移動(dòng)方向 而且有利于消除零點(diǎn)殘余電壓 3 采用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電路 18 課件精選 電渦流傳感器 成塊的金屬物體置于變化著的磁場(chǎng)中或者在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí) 在金屬導(dǎo)體中會(huì)感應(yīng)出一圈圈自相閉合的電流 稱(chēng)為電渦流 電渦流式傳感器是一個(gè)繞在骨架上的導(dǎo)線(xiàn)所構(gòu)成的空心線(xiàn)圈 它與正弦交流電源接通 通過(guò)線(xiàn)圈的電流會(huì)在線(xiàn)圈周?chē)臻g產(chǎn)生交變磁場(chǎng) 當(dāng)導(dǎo)電的金屬靠近這個(gè)線(xiàn)圈時(shí) 金屬導(dǎo)體中便會(huì)產(chǎn)生電渦流 如圖3 20所示 渦流的大小與金屬導(dǎo)體的電阻率 磁導(dǎo)率 厚度d 線(xiàn)圈與金屬導(dǎo)體的距離x以及線(xiàn)圈勵(lì)磁電流的角頻率 等參數(shù)有關(guān) 如果固定其中某些參數(shù) 就能由電渦流的大小測(cè)量出另外一些參數(shù) 19 課件精選 電渦流作用原理圖 20 課件精選 渦流可以用來(lái)測(cè)量各種形式的位移量 a 為汽輪機(jī)主軸的軸向位移測(cè)量示意圖 b 為磨床換向閥 先導(dǎo)閥的位移測(cè)量示意圖 c 為金屬試件的熱膨脹系數(shù)測(cè)量示意圖 21 課件精選 電渦流式傳感器的轉(zhuǎn)換電路 在電工課程中 我們已經(jīng)知道電感和電容可構(gòu)成諧振電路 因此電感式 電容式和電渦流式傳感器都可以采用諧振電路來(lái)轉(zhuǎn)換 諧振電路的輸出也是調(diào)制波 控制幅值變化的稱(chēng)調(diào)幅波 控制頻率變化的稱(chēng)調(diào)頻波 調(diào)幅波要經(jīng)過(guò)幅值檢波 調(diào)頻波要經(jīng)過(guò)鑒頻才能獲得被測(cè)量的電壓 諧振電路調(diào)幅原理如下圖所示 22 課件精選 諧振電路調(diào)幅原理圖 a 電路原理圖 b 諧振特性曲線(xiàn) c 調(diào)幅特性 23 課件精選 晶體振蕩器輸出頻率固定的正弦波 經(jīng)限流電阻R接電渦流傳感器線(xiàn)圈與電容器的并聯(lián)電路 當(dāng)LC諧振頻率等于晶振頻率時(shí)輸出電壓幅度最大 偏離時(shí)輸出電壓幅度隨之減小 是一種調(diào)幅波 該調(diào)幅信號(hào)經(jīng)高頻放大 檢波 濾波后輸出與被測(cè)量相應(yīng)變化的直流電壓信號(hào) 24 課件精選 電渦流軸向貫穿深度的影響 電渦流的軸向貫穿深度是指渦流密度衰減到等于表面渦流密度的1 e處時(shí)與導(dǎo)體表面的距離 渦流在金屬導(dǎo)體中的軸向分布是按指數(shù)規(guī)律衰減的 衰減深度t可以表示為 式中 為導(dǎo)體電阻率 f為勵(lì)磁電源的頻率 25 課件精選 為充分利用電渦流以獲得準(zhǔn)確的測(cè)量效果 使用時(shí)應(yīng)注意以下兩點(diǎn) 1 導(dǎo)體厚度的選擇 采用透射法測(cè)厚度時(shí) 應(yīng)使導(dǎo)體的厚度小于軸向貫穿深度 2 勵(lì)磁電源頻率的選擇 導(dǎo)體材料確定之后 可以通過(guò)改變勵(lì)磁電源頻率來(lái)改變軸向貫穿深度 電阻率大的材料應(yīng)選用較高的勵(lì)磁頻率 電阻率小的材料應(yīng)選用較低的勵(lì)磁頻率 26 課件精選 電渦流的徑向形成范圍 線(xiàn)圈電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)不能涉及到無(wú)限大的范圍 電渦流密度也有一定的徑向形成范圍 在線(xiàn)圈軸線(xiàn)附近 電渦流的密度非常小 愈靠近線(xiàn)圈的外徑處 電渦流的密度愈大 在等于線(xiàn)圈外徑1 8倍處 電渦流密度將衰減到最大值的5 為了充分利用渦流效應(yīng) 被測(cè)金屬導(dǎo)體的橫向尺寸應(yīng)大于線(xiàn)圈外徑的1 8倍 對(duì)圓柱形被測(cè)物體 其直徑應(yīng)大于線(xiàn)圈外徑的3 5倍 27 課件精選 電渦流強(qiáng)度與距離的關(guān)系電渦流強(qiáng)度隨著距離與線(xiàn)圈外徑比值的增加而減少 當(dāng)線(xiàn)圈與導(dǎo)體之間的距離大于線(xiàn)圈半徑時(shí) 電渦流強(qiáng)度已經(jīng)很微弱 為了能夠產(chǎn)生相當(dāng)強(qiáng)度的電渦流效應(yīng) 通常取距離與線(xiàn)圈外徑的比值為0 05 0 15 非被測(cè)金屬物的影響由于任何金屬物體接近高頻交流線(xiàn)圈時(shí)都會(huì)產(chǎn)生渦流 為了保證測(cè)量精度 測(cè)量時(shí)應(yīng)禁止其他金屬物體接近傳感器線(xiàn)圈 28 課件精選 電渦流涂層厚度儀 電渦流表面探傷 29 課件精選 數(shù)字位移傳感器 數(shù)字式位置傳感器主要測(cè)量軸的旋轉(zhuǎn)角度位置 速度變化和直線(xiàn)位移等 現(xiàn)在主要介紹以下幾種數(shù)字式位移傳感器 旋轉(zhuǎn)編碼器光柵位移傳感器磁柵位移傳感器容柵位移傳感器 30 課件精選 旋轉(zhuǎn)編碼器 旋轉(zhuǎn)編碼器也稱(chēng)為脈沖編碼器 是一種位置檢測(cè)元件 用以測(cè)量軸的旋轉(zhuǎn)角度位置和速度變化 其輸出為電脈沖 編碼器通常與驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)同軸安裝 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)可以通過(guò)齒輪箱或同步齒形帶驅(qū)動(dòng)絲桿 也可以直接驅(qū)動(dòng)絲桿 隨著電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn) 編碼器連續(xù)發(fā)出脈沖信號(hào) 數(shù)控系統(tǒng)通過(guò)對(duì)信號(hào)的接收 處理 計(jì)數(shù)即可得到電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度 從而計(jì)算出當(dāng)前工作臺(tái)的位置 31 課件精選 32 課件精選 旋轉(zhuǎn)編碼器按碼盤(pán)的讀取方式可以分為光電式 接觸式和電磁式 光電式旋轉(zhuǎn)編碼器的精度和可靠性?xún)?yōu)于其他兩種編碼器 所以數(shù)控機(jī)床上常用光電式旋轉(zhuǎn)編碼器 光電式編碼器按照編碼旋轉(zhuǎn)的規(guī)律可以分為絕對(duì)式編碼器和增量式編碼器 絕對(duì)式編碼器 檢測(cè)轉(zhuǎn)角的絕對(duì)值增量式編碼器 不僅檢測(cè)轉(zhuǎn)角的大小 還可以檢測(cè)到轉(zhuǎn)角的方向 33 課件精選 增量式編碼器的結(jié)構(gòu) 34 課件精選 數(shù)字式位置傳感器的應(yīng)用 35 課件精選 光柵位移傳感器 光柵位移傳感器 簡(jiǎn)稱(chēng)光柵尺 是利用光柵的光學(xué)原理工作的測(cè)量反饋裝置 光柵尺位移傳感器經(jīng)常應(yīng)用于機(jī)床與現(xiàn)在加工中心以及測(cè)量?jī)x器等方面 可用作直線(xiàn)位移或者角位移的檢測(cè) 36 課件精選 常見(jiàn)光柵的工作原理都是根據(jù)物理上莫爾條紋的形成原理進(jìn)行工作的 當(dāng)指示光柵上的線(xiàn)紋和標(biāo)尺光柵上的線(xiàn)紋之間形成一個(gè)小角度 并且兩個(gè)光柵尺刻面相對(duì)平行放置時(shí) 在光源的照射下 位于幾乎垂直的柵紋上 形成明暗相間的條紋 這種條紋稱(chēng)為 莫爾條紋 37 課件精選 莫爾條紋有兩個(gè)重要的特性 1 當(dāng)指示光柵不動(dòng) 主光柵左右平移時(shí) 莫爾條紋將沿著指示柵線(xiàn)的方向上下移動(dòng) 查看莫爾條紋的上下移動(dòng)方向 即可確定主光柵左右移動(dòng)方向 2 莫爾條紋有位移的放大作用 當(dāng)主光柵沿與刻線(xiàn)垂直方向移動(dòng)一個(gè)柵距W時(shí) 莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)條紋間距B 當(dāng)兩個(gè)等距光柵的柵間夾角 較小時(shí) 主光柵移動(dòng)一個(gè)柵距W 莫爾條紋移動(dòng)KW距離 K為莫爾條紋的放大系數(shù) 這樣 可把肉眼看不見(jiàn)的光柵位移變成為清晰可見(jiàn)的莫爾條紋移動(dòng) 可以用測(cè)量條紋的移動(dòng)來(lái)檢測(cè)光柵的位移 可以實(shí)現(xiàn)高靈敏的位移測(cè)量 38 課件精選 光柵位移傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理 由主光柵 指示光柵 光源和光電器件等組成 主光柵和被測(cè)物體相連 它隨被測(cè)物體的直線(xiàn)位移而產(chǎn)生移動(dòng) 當(dāng)主光柵產(chǎn)生位移時(shí) 莫爾條紋便隨著產(chǎn)生位移 用光電器件記錄莫爾條紋通過(guò)某點(diǎn)的數(shù)目 便可知主光柵移動(dòng)的距離 也就測(cè)得了被測(cè)物體的位移量 39 課件精選 光柵位移傳感器的應(yīng)用 光柵位移傳感器 測(cè)量精度高 分辨率為0 1 m 動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍廣 0 1000mm 可進(jìn)行無(wú)接觸測(cè)量 容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)化和數(shù)字化 在機(jī)械工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用 特別是在量具 數(shù)控機(jī)床的閉環(huán)反饋控制 工作母機(jī)的坐標(biāo)測(cè)量等方面 40 課件精選 磁柵位移傳感器 磁柵是一種有磁化信息的標(biāo)尺 它是在非磁性體的平整表面上鍍一層約0 02mm厚的Ni Co P磁性薄膜 并用錄音磁頭沿長(zhǎng)度方向按一定的激光波長(zhǎng) 錄上磁性刻度線(xiàn)而構(gòu)成的 因此又把磁柵稱(chēng)為磁尺 磁柵錄制后的磁化結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個(gè)個(gè)小磁鐵按NS SN NS 的狀態(tài)排列起來(lái) 41 課件精選 磁柵位移傳感器 在用軟磁材料制成的鐵芯上繞有兩個(gè)繞組 一個(gè)為勵(lì)磁繞組 另一個(gè)為輸出繞組 將高頻勵(lì)磁電流通入勵(lì)磁繞組時(shí) 當(dāng)磁尺與磁頭之間產(chǎn)生相對(duì)位移時(shí) 磁頭的鐵芯使磁尺的磁通有效地通過(guò)輸出繞組 當(dāng)磁頭靠近磁尺時(shí)在拾磁線(xiàn)圈中感應(yīng)電壓該電壓隨磁尺磁場(chǎng)強(qiáng)度周期的變化而變化 從而將位移量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出 42 課件精選 43 課件精選 下圖是磁信號(hào)與靜態(tài)磁頭輸出信號(hào)波形圖 磁頭輸出信號(hào)經(jīng)檢測(cè)電路轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)并以數(shù)字形式顯示出來(lái) 44 課件精選 磁柵傳感器應(yīng)用 磁柵的種類(lèi)可分為單型直線(xiàn)磁柵 同軸型直線(xiàn)磁柵和旋轉(zhuǎn)型磁柵等磁柵主要用于大型機(jī)床和精密機(jī)床作為位置或位移量的檢測(cè)元件 磁柵和其它類(lèi)型的位移傳感器相比 具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 使用方便 動(dòng)態(tài)范圍大 1 20m 和磁信號(hào)可以重新錄制等優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn)是需要屏蔽和防塵 45 課件精選 容柵位移傳感器 容柵傳感器是基于變面積工作原理的電容傳感器 它的電極排列如同柵狀 46 課件精選 激光位移傳感器 激光位移傳感器可精確非接觸測(cè)量被測(cè)物體的位置 位移等變化 主要應(yīng)用于檢測(cè)物體的位移 厚度 振動(dòng) 距離 直徑等幾何量的測(cè)量 按照測(cè)量原理 激光位移傳感器原理分為激光三角測(cè)量法和激光回波分析法 激光三角測(cè)量法一般適用于高精度 短距離的測(cè)量 而激光回波分析法則用于遠(yuǎn)距離測(cè)量 下面分別介紹激光位移傳感器原理的兩種測(cè)量方式 47 課件精選 三角測(cè)量法 激光發(fā)射器通過(guò)鏡頭將可見(jiàn)紅色激光射向被測(cè)物體表面 經(jīng)物體反射的激光通過(guò)接收器鏡頭 被內(nèi)部的CCD線(xiàn)性相機(jī)接收 根據(jù)不同的距離 CCD線(xiàn)性相機(jī)可以在不同的角度下 看見(jiàn) 這個(gè)光點(diǎn) 根據(jù)這個(gè)角度及已知的激光和相機(jī)之間的距離 數(shù)字信號(hào)處理器就能計(jì)算出傳感器和被測(cè)物體之間的距離 同時(shí) 光束在接收元件的位置通過(guò)模擬和數(shù)字電路處理 并通過(guò)微處理器分析 計(jì)算出相應(yīng)的輸出值 并在用戶(hù)設(shè)定的模擬量窗口內(nèi) 按比例輸出標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)信號(hào) 如果使用開(kāi)關(guān)量輸出 則在設(shè)定的窗口內(nèi)導(dǎo)通 窗口之外截止 另外 模擬量與開(kāi)關(guān)量輸出可獨(dú)立設(shè)置檢測(cè)窗口 采取三角測(cè)量法的激光位移傳感器最高線(xiàn)性度可達(dá)1um 分辨率更是可達(dá)到0 1um的水平 比如ZLDS100類(lèi)型的傳感器 它可以達(dá)到0 01 高分辨率 0 1 高線(xiàn)性度 9 4KHz高響應(yīng) 適應(yīng)惡劣環(huán)境 48 課件精選 基本原理是光學(xué)三角法 半導(dǎo)體激光器 被鏡片 聚焦到被測(cè)物體 反射光被鏡片 收集 投射到CMOS陣列 上 信號(hào)處理器 通過(guò)三角函數(shù)計(jì)算陣列 上的光點(diǎn)位置得到距物體的距