激光位移傳感器

1、研究生課程考核試卷（適用于課程論文、提交報(bào)告）科 目：機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 教 師： XXX 姓 名： XXX 學(xué) 號(hào)： 201407020XX 專 業(yè)： 機(jī)械工程 類(lèi) 別： 學(xué)術(shù) 考 生 成 績(jī)：卷面成績(jī)平時(shí)成績(jī)課程綜合成績(jī)閱卷評(píng)語(yǔ)： 閱卷教師 (簽名) 重慶大學(xué)研究生院制激光位移傳感器 摘要：激光位移傳感器是一種非接觸式的精密激光測(cè)量系統(tǒng), 它具有適應(yīng)性強(qiáng)、速度快、精度高等特點(diǎn),適用于檢測(cè)各種回轉(zhuǎn)體、箱體零件的尺寸和形位誤差。 且隨著21世紀(jì)的到來(lái)，人們開(kāi)始進(jìn)入了以知識(shí)經(jīng)濟(jì)為特征的信息時(shí)代。激光位移傳感器等作為工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)工具的自動(dòng)化儀表及裝置正向數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。這也

2、推進(jìn)了激光位移傳感器在機(jī)械產(chǎn)品中應(yīng)用的進(jìn)程 。本文前半部分介紹激光位移傳感器的分類(lèi)及其原理，后半部分介紹其在機(jī)械產(chǎn)品中的應(yīng)用。關(guān)鍵字：激光位移傳感器；原理；應(yīng)用1 激光位移傳感器原理及特點(diǎn) 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。其實(shí)物圖如圖1.1所示。圖1.1 激光位移傳感器1.1 激光三角測(cè)量法三角測(cè)量法的工作原理圖如圖1.2所示。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線性相機(jī)接收

3、，根據(jù)不同的距離，CCD線性相機(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。圖1.2 激光三角測(cè)量法原理圖采取三角測(cè)量法的激光位移傳感器最高線性度可達(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%高線性度，

4、9.4KHz高響應(yīng)，適應(yīng)惡劣環(huán)境。1.2 激光回波分析法激光回波分析法的原理圖如圖1.3所示。激光位移傳感器采用回波分析原理來(lái)測(cè)量距離以達(dá)到一定程度的精度。傳感器內(nèi)部是由處理器單元、回波處理單元、激光發(fā)射器、激光接收器等部分組成。激光位移傳感器通過(guò)激光發(fā)射器每秒發(fā)射一百萬(wàn)個(gè)激光脈沖到檢測(cè)物并返回至接收器，處理器計(jì)算激光脈沖遇到檢測(cè)物并返回至接收器所需的時(shí)間，以此計(jì)算出距離值，該輸出值是將上千次的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行的平均輸出。即所謂的脈沖時(shí)間法測(cè)量的。圖1.3 激光回波分析法原理圖激光回波分析法適合于長(zhǎng)距離檢測(cè)，但測(cè)量精度相對(duì)于激光三角測(cè)量法要低，最遠(yuǎn)檢測(cè)距離可達(dá)250m。1.3 激光位移傳感器的特點(diǎn)

5、激光具有高方向性、高單光性和高亮度等特點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸遠(yuǎn)距離測(cè)量。激光位移傳感器就是利用激光的這些優(yōu)點(diǎn)制成的新型測(cè)量?jī)x器，他的優(yōu)點(diǎn)是是能實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸的遠(yuǎn)距離測(cè)量，速度快，精度高，量程大，抗光、電干擾能力強(qiáng)等。2 激光位移傳感器的應(yīng)用激光位移傳感器在機(jī)械領(lǐng)域中主要用于產(chǎn)品的尺寸測(cè)定，金屬薄片的厚度測(cè)量和電子元件的檢測(cè)等工作。2.1 在車(chē)輪彎曲疲勞試驗(yàn)中的應(yīng)用如圖2.1所示為車(chē)輪彎曲疲勞試驗(yàn)的原理圖。試驗(yàn)過(guò)程中，車(chē)輪固定不動(dòng)，載荷旋轉(zhuǎn)。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行車(chē)輪的剛度將會(huì)不斷下降，車(chē)輪的變形量加大，與車(chē)輪連接的加載軸的擺動(dòng)幅度變大，所以加載軸的擺動(dòng)幅度的大小即可直接反應(yīng)被試車(chē)輪的剛度變化情況。加載臂圓周上任意

6、一點(diǎn)在該點(diǎn)的靜態(tài)位置附近做等幅振動(dòng)。因此，只需在試驗(yàn)前記錄傳感器的靜態(tài)測(cè)量值，并在試驗(yàn)過(guò)程中將傳感器的動(dòng)態(tài)測(cè)量值與所記錄的靜態(tài)值相減，即可得到測(cè)量點(diǎn)的振動(dòng)位移值。由于加載臂在工作過(guò)程處于擺動(dòng)狀態(tài)，很難應(yīng)用接觸式位移傳感器直接測(cè)量擺臂的偏移量，所以采用非接觸式傳感器，使得無(wú)需直接接觸加載軸就可以對(duì)其偏移量進(jìn)行測(cè)量。圖2.1車(chē)輪彎曲疲勞試驗(yàn)原理圖如圖2.2所示為雙位移傳感器檢測(cè)加載軸偏移量的原理圖。在加載臂圓周上布置兩個(gè)位移傳感器，兩個(gè)傳感器感測(cè)頭的軸線相交于一點(diǎn)，建立測(cè)量坐標(biāo)系XOY，傳感器S1處于X軸的正半軸上，傳感器S2與S1的夾角為。加載臂圓周上任意一點(diǎn)A到圓心的連線OA與X軸的夾角為，則

7、： (1) (2)其中、分別為兩個(gè)位移傳感器采集的數(shù)據(jù)，、為靜止?fàn)顟B(tài)下傳感器S1、S2采集到的數(shù)據(jù)、為加載臂圓周上任意一點(diǎn)A的偏移量在X、Y方向的分量。整理得到： 上式為采用兩個(gè)位移傳感器時(shí)，加載臂圓周上任意一點(diǎn)的振動(dòng)偏移量的計(jì)算式。考慮到由于車(chē)輪剛度的不均勻性，可能導(dǎo)致加載臂圓周上各點(diǎn)的振動(dòng)偏移量有所差別。因此需對(duì)測(cè)得的各點(diǎn)偏移量求和后取均值，將平均值作為最終檢測(cè)結(jié)果。圖2.2 雙傳感器檢測(cè)示意圖2.2 在列車(chē)車(chē)輪直徑動(dòng)態(tài)測(cè)量上的應(yīng)用 車(chē)輪作為鐵路車(chē)輛重要的走行部件，對(duì)于鐵路的安全運(yùn)輸起著關(guān)鍵性的作用，特別是隨著列車(chē)速度的不斷提高，列車(chē)車(chē)輪各種磨耗及直徑變化的速度加快，給列車(chē)的運(yùn)行安全帶來(lái)隱

8、患 。一種基于激光位移傳感器在線動(dòng)態(tài)測(cè)量車(chē)輪直徑的方法，可以很好的解決車(chē)輪直徑動(dòng)態(tài)測(cè)量的問(wèn)題。使用單個(gè)激光位移傳感器動(dòng)態(tài)測(cè)量車(chē)輪直徑的原理如圖2.3所示，R為車(chē)輪半徑。設(shè)激光位移傳感器的安裝位置 A 為坐標(biāo)系的原點(diǎn)，車(chē)輪圓周的最低點(diǎn)與x軸（即鋼軌） 相切于 C 點(diǎn)，C 點(diǎn)與原點(diǎn) A 間的距離為 。 激光位移傳感器發(fā)出的激光以 的角度照射在車(chē)輪踏面上在 B 點(diǎn)形成光斑，可得到該傳感器與 B 點(diǎn)之間的距離圖 2.3 單個(gè)激光位移傳感器測(cè)量直徑原理圖此模型對(duì)應(yīng)的車(chē)輪半徑公式為：所以，在激光位移傳感器較大 和車(chē)輪圓周的最低點(diǎn)C與激光位移傳感器之間的距離 確定的情況下，可以通過(guò)測(cè)量得到車(chē)輪半徑R。除單傳

9、感器的測(cè)量方法外還有一種雙傳感器的測(cè)量方法。使用兩個(gè)激光位移傳感器動(dòng)態(tài)測(cè)量車(chē)輪直徑的原理如圖 3 所示，實(shí)際測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)成如圖 2.4 所示 。設(shè)車(chē)輪圓周的最低點(diǎn)與 x 軸( 即鋼軌) 相切于 C 點(diǎn)，C 點(diǎn)與原點(diǎn) A 間的距離為，C 點(diǎn)與右側(cè)激光位移傳感器安裝位置 G 點(diǎn)的距離為 。左側(cè)激光位移傳感器發(fā)出的激光以 的角度照射在車(chē)輪踏面上，得到激光位移傳感器到 B 點(diǎn)之間的距離為 ；右側(cè)激光位移傳感器發(fā)出的激光以 的角度照射在車(chē)輪踏面上，得到激光位移傳感器到 E 點(diǎn)之間的距離為。圖 2.4 兩個(gè)激光位移傳感器測(cè)量直徑原理為簡(jiǎn)化，使 ， ，則有計(jì)算公式通過(guò)比較和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證我們可以發(fā)現(xiàn)使用雙激光位移

10、傳感器的方法測(cè)量直徑可以在較大程度上提升測(cè)量精度。2.3 在物體表面形狀測(cè)量中的應(yīng)用物體形狀測(cè)量在工業(yè)制造領(lǐng)域有強(qiáng)烈的需求，特別是非接觸式的測(cè)量方式，在精密制造、航空航天、軍事等許多領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用。對(duì)于物體形狀的測(cè)量可以分為接觸式和非接觸式的測(cè)量方法。接觸式測(cè)量是測(cè)量頭與工件表面直接進(jìn)行接觸測(cè)量，沿著工件形狀進(jìn)行掃描運(yùn)動(dòng)。目前主要是采用三坐標(biāo)機(jī)進(jìn)行測(cè)量，其主要缺點(diǎn)是對(duì)被測(cè)對(duì)象表面容易造成不同程度的損傷。由于激光測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，非接觸式測(cè)量方式逐漸成為主流。激光位移傳感器測(cè)量形狀系統(tǒng)組成如圖2.5所示：圖2.5 激光位移傳感器測(cè)量形狀框圖電位移平臺(tái)帶動(dòng)激光位移傳感器沿導(dǎo)軌移動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)，傳感

11、器每前進(jìn)一步，激光位移傳感器可以得出一個(gè)距離值，最終可以掃描出物體的形狀。圖2.6給出了激光位移傳感器測(cè)量形狀的基本原理圖。激光位移傳感器沿著X軸移動(dòng)， 可以測(cè)量出如圖所建立的坐標(biāo)系的Y軸坐標(biāo)，一維電位移平臺(tái)可以測(cè)量出X軸坐標(biāo)，已知物體截面的二維坐標(biāo)，即可畫(huà)出截面圖。圖2.6 激光位移傳感器測(cè)量形狀原理圖Y坐標(biāo)可以通過(guò)激光位移傳感器直接給出，由于采用高精度激光位移傳感器，Y軸坐標(biāo)具有較高的精度。X方向采用一維電位移平臺(tái)帶動(dòng)激光位移傳感器運(yùn)動(dòng)，精度可以通過(guò)使用激光位移傳感器進(jìn)行標(biāo)定，實(shí)驗(yàn)中通過(guò)調(diào)整速度令步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)位移傳感器運(yùn)動(dòng)一定距離，得到65536個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)，通過(guò)這種細(xì)分方法可實(shí)現(xiàn)很高精度的

12、X坐標(biāo)值。3 總結(jié)本文在前面一節(jié)介紹了激光位移傳感器的種類(lèi)，并分布介紹了激光三角測(cè)量法和激光回波分析法兩種原理的機(jī)構(gòu)位移傳感器。本文在第二小節(jié)選擇了激光位移傳感器在車(chē)輪彎曲疲勞試驗(yàn)，列車(chē)車(chē)輪直徑動(dòng)態(tài)測(cè)量和物體形狀測(cè)量上的應(yīng)用，用以說(shuō)明激光位移傳感器在機(jī)械及其附屬領(lǐng)域的應(yīng)用。參考文獻(xiàn)1 金國(guó)藩，李景鎮(zhèn). 激光測(cè)量學(xué)M.北京科學(xué)出版社，1998.2 蘇成志，徐洪吉. 基于激光位移傳感器的車(chē)輪彎曲疲勞試驗(yàn)加載軸偏移量檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)J. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)：2011(24).3 華艷秋，莊慧忠，黃立新，諸瑾.  光學(xué)測(cè)量傳感器的設(shè)計(jì)與分析J. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)：2009(01) 4 湯思佳.