精密位移檢測(cè)系統(tǒng)

1、目錄目錄隨著技術(shù)的發(fā)展，制造工業(yè)的精度已經(jīng)達(dá)到了亞微米級(jí)別，很多機(jī)械零件的精度早已超過亞微米而達(dá)到幾十個(gè)納米，如高精度定位軸承和光學(xué)透鏡，電子電路在工業(yè)中，超大規(guī)模集成電路的制造精度已經(jīng)達(dá)到幾個(gè)納米。精密位移檢測(cè)系統(tǒng)精密位移檢測(cè)系統(tǒng)目錄目錄制造精度的提高是現(xiàn)代工業(yè)的基礎(chǔ)，而在亞微米級(jí)別的制造中，利用高精度微小位移檢測(cè)。高精度位移傳感器的特點(diǎn)：量程小，精度高，高穩(wěn)定性。精密位移檢測(cè)系統(tǒng)精密位移檢測(cè)系統(tǒng)目錄目錄精度在亞微米級(jí)別的檢測(cè)工業(yè)上往往采用比較方法，即首先使用標(biāo)準(zhǔn)件作為檢測(cè)基準(zhǔn)依據(jù)，然后利用高精度微小位移檢測(cè)其中的誤差級(jí)別。精密位移檢測(cè)系統(tǒng)精密位移檢測(cè)系統(tǒng)目錄目錄通過熟悉各種高精度位移傳感器

2、，了解位移傳感器檢測(cè)的一般原理和使用條件，掌握各種位移傳感器的量程和精度等檢測(cè)性能。任務(wù)一任務(wù)一 高精度位移傳感器的應(yīng)用高精度位移傳感器的應(yīng)用知識(shí)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)目錄目錄通過實(shí)踐操作和訓(xùn)練理解，初步認(rèn)識(shí)電感式位移傳感器及其檢測(cè)適應(yīng)性，了解工業(yè)中常用的位移檢測(cè)特點(diǎn)及位移傳感器的基本選用原則。技能目標(biāo)技能目標(biāo)任務(wù)一任務(wù)一 高精度位移傳感器的應(yīng)用高精度位移傳感器的應(yīng)用目錄目錄電容式傳感器實(shí)質(zhì)上是利用電容公式進(jìn)行檢測(cè)的傳感器被檢測(cè)可通過極板距離、正對(duì)面積和介電常數(shù)的變化，轉(zhuǎn)換為電容的變化實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。一、電容式傳感器任務(wù)一任務(wù)一 高精度位移傳感器的應(yīng)用高精度位移傳感器的應(yīng)用目錄目錄任務(wù)一任務(wù)一 高精度位移傳感

3、器的應(yīng)用高精度位移傳感器的應(yīng)用目錄目錄電容傳感器的結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是：由于極板間的靜電引力小，活動(dòng)部分的可動(dòng)質(zhì)量小，所以對(duì)輸入能量的要求低；由于介質(zhì)損耗小，傳感器本身發(fā)熱少，使其能在高頻范圍內(nèi)工作，具有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。任務(wù)一任務(wù)一 高精度位移傳感器的應(yīng)用高精度位移傳感器的應(yīng)用目錄目錄1.電容式傳感器的分類電容式傳感器的分類任務(wù)一任務(wù)一 高精度位移傳感器的應(yīng)用高精度位移傳感器的應(yīng)用1 1）變面積型電容傳感器變面積型電容傳感器2 2）極距變化型電容傳感器極距變化型電容傳感器目錄目錄1）變面積型電容傳感器）變面積型電容傳感器任務(wù)一任務(wù)一 高精度位移傳感器的應(yīng)用高精度位移傳感器的應(yīng)用目錄目錄2）極距變化型

4、電容傳感器）極距變化型電容傳感器如圖3-3（a）所示，如平行電容器兩個(gè)極板間覆蓋面積和極間介質(zhì)不變，則其電容量C與極距呈現(xiàn)非線性關(guān)系。當(dāng)極距有一微小變化量時(shí)，引起電容的變化量為式中，A為極板間覆蓋面積。則其靈敏度為任務(wù)一任務(wù)一 高精度位移傳感器的應(yīng)用高精度位移傳感器的應(yīng)用目錄目錄任務(wù)一任務(wù)一 高精度位移傳感器的應(yīng)用高精度位移傳感器的應(yīng)用目錄目錄2.電容式傳感器的特點(diǎn)與用途電容式傳感器的特點(diǎn)與用途任務(wù)一任務(wù)一 高精度位移傳感器的應(yīng)用高精度位移傳感器的應(yīng)用（1）小功率、高阻抗（3）自身發(fā)熱?。?）小的靜電引力和良好的動(dòng)態(tài)特性（4）可以進(jìn)行非接觸檢測(cè)目錄目錄 電容式傳感器的用途電容式傳感器的用途電容

5、式傳感器廣泛地應(yīng)用在位移、振動(dòng)、角度、加速度等機(jī)械量的精密檢測(cè)，目前檢測(cè)范圍已經(jīng)擴(kuò)大到了壓力、液面和成分等方面的檢測(cè)。任務(wù)一任務(wù)一 高精度位移傳感器的應(yīng)用高精度位移傳感器的應(yīng)用目錄目錄1.自感型電感傳感器自感型電感傳感器二、電感式傳感器任務(wù)一任務(wù)一 高精度位移傳感器的應(yīng)用高精度位移傳感器的應(yīng)用1）可變磁阻式傳感器可變磁阻式傳感器2）渦流式傳感器渦流式傳感器目錄目錄1）可變磁阻式傳感器）可變磁阻式傳感器由線圈、鐵芯和銜鐵組成封閉磁路，在鐵芯和銜鐵之間有氣隙存在。磁阻為任務(wù)一任務(wù)一 高精度位移傳感器的應(yīng)用高精度位移傳感器的應(yīng)用目錄目錄可變磁阻位移傳感器的典型結(jié)構(gòu)方案：可變導(dǎo)磁面積型差動(dòng)型位移傳感器

6、單螺線管線圈型位移傳感器任務(wù)一任務(wù)一 高精度位移傳感器的應(yīng)用高精度位移傳感器的應(yīng)用目錄目錄2）渦流式傳感器）渦流式傳感器渦電流式傳感器的變換原理是利用金屬體在交變磁場(chǎng)中的渦電流效應(yīng)。電渦流檢測(cè)法的最大優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)無接觸檢測(cè)，可對(duì)介質(zhì)的內(nèi)部進(jìn)行探測(cè)。這種優(yōu)點(diǎn)被廣泛使用于材料的內(nèi)部裂紋，涂層厚度等方面的檢測(cè)。任務(wù)一任務(wù)一 高精度位移傳感器的應(yīng)用高精度位移傳感器的應(yīng)用目錄目錄2.互感型電感傳感器互感型電感傳感器互感型電感傳感器的原理是電磁感應(yīng)中的互感現(xiàn)象，如圖3-8所示，當(dāng)初級(jí)線圈輸入交流電時(shí)，次級(jí)線圈會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)e，其大小與輸入電流的變化率成正比，即式中，M為互感系數(shù)，與兩個(gè)線圈相對(duì)位置及周圍介質(zhì)

7、的導(dǎo)磁能力等因素有關(guān)，表明兩個(gè)線圈之間的耦合程度。任務(wù)一任務(wù)一 高精度位移傳感器的應(yīng)用高精度位移傳感器的應(yīng)用目錄目錄互感式電感傳感器多由變壓器由初級(jí)線圈和兩個(gè)參數(shù)完全相同的次級(jí)線圈w1、w2組成。任務(wù)一任務(wù)一 高精度位移傳感器的應(yīng)用高精度位移傳感器的應(yīng)用目錄目錄差動(dòng)變壓器式位移傳感器的使用具有以下特點(diǎn)（1）可以在惡劣的環(huán)境下工作（2）由于差動(dòng)變壓器式位移傳感器的可動(dòng)部分鐵芯與固定部分線圈之間本質(zhì)上是非接觸的，理論上傳感器的重復(fù)誤差和回差為零，在實(shí)際使用中這兩個(gè)誤差也很小，這部分誤差的控制往往是評(píng)價(jià)傳感器的關(guān)鍵因素。（3）差動(dòng)變壓器式位移傳感器工作時(shí)本質(zhì)上沒有摩擦，平均無故障的工作時(shí)間達(dá)到310

8、6 h以上，較其他傳感器高出12個(gè)數(shù)量級(jí)。任務(wù)一任務(wù)一 高精度位移傳感器的應(yīng)用高精度位移傳感器的應(yīng)用目錄目錄（4）差動(dòng)變壓器式位移傳感器有很高的分辨力，實(shí)際的分辨能力取決于顯示儀表的精度。（5）差動(dòng)變壓器式位移傳感器有很寬的檢測(cè)范圍，正常產(chǎn)品檢測(cè)范圍為（2.550） mm，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的型譜中規(guī)劃此類產(chǎn)品的最大檢測(cè)范圍為600 mm，但是檢測(cè)精度隨著量程的增大而降低。任務(wù)一任務(wù)一 高精度位移傳感器的應(yīng)用高精度位移傳感器的應(yīng)用目錄目錄（6）差動(dòng)變壓器式位移傳感器輸出信號(hào)大，在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：交流傳感器的靈敏度量程10 mm以下的應(yīng)為150 mV/mm，10 mm以上的應(yīng)為50 mV/mm；直流位移傳

9、感器的滿量程輸出（10 V DC供電），量程10 mm以下的應(yīng)大于0.5 V，量程10 mm以上的應(yīng)大于2 V。任務(wù)一任務(wù)一 高精度位移傳感器的應(yīng)用高精度位移傳感器的應(yīng)用目錄目錄（7）差動(dòng)變壓器式位移傳感器溫度系數(shù)較小，因此適用于環(huán)境溫度變化的場(chǎng)所；差動(dòng)變壓器式位移傳感器的頻域輸出較寬（小于400 Hz），因此能滿足一般的檢測(cè)及控制系統(tǒng)的需求。任務(wù)一任務(wù)一 高精度位移傳感器的應(yīng)用高精度位移傳感器的應(yīng)用目錄目錄任務(wù)一任務(wù)一 高精度位移傳感器的應(yīng)用高精度位移傳感器的應(yīng)用目錄目錄實(shí)訓(xùn)目標(biāo)實(shí)訓(xùn)目標(biāo)通過電感式高精度位移傳感器和測(cè)量臺(tái)裝置共同組成系統(tǒng)，通過裝配調(diào)試和檢測(cè)多個(gè)圓柱體直徑（精度在1 m以內(nèi)），

10、深入了解電感式高精度位移傳感器的傳感特性并比較位移檢測(cè)方法的一般應(yīng)用規(guī)程。實(shí)訓(xùn)一實(shí)訓(xùn)一 認(rèn)識(shí)電感式高精度位移傳感器認(rèn)識(shí)電感式高精度位移傳感器目錄目錄實(shí)訓(xùn)一實(shí)訓(xùn)一 認(rèn)識(shí)電感式高精度位移傳感器認(rèn)識(shí)電感式高精度位移傳感器目錄目錄實(shí)訓(xùn)一實(shí)訓(xùn)一 認(rèn)識(shí)電感式高精度位移傳感器認(rèn)識(shí)電感式高精度位移傳感器目錄目錄實(shí)訓(xùn)一實(shí)訓(xùn)一 認(rèn)識(shí)電感式高精度位移傳感器認(rèn)識(shí)電感式高精度位移傳感器目錄目錄操作步驟操作步驟實(shí)訓(xùn)一實(shí)訓(xùn)一 認(rèn)識(shí)電感式高精度位移傳感器認(rèn)識(shí)電感式高精度位移傳感器（1）首先搭建檢測(cè)系統(tǒng)（3）檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)件（2）搭建檢測(cè)平臺(tái)（4）記錄顯示儀表示值，并填入表3-3中目錄目錄注意事項(xiàng)注意事項(xiàng)（1）高精度電感傳感器一般量

11、程很小，在使用中需要注意避免沖擊、振動(dòng)、超過量程的強(qiáng)迫位移等情況。（2）檢測(cè)過程中，需要嚴(yán)格的潔凈條件和溫度環(huán)境。（3）檢測(cè)中，需要注意測(cè)頭與圓柱銷的接觸位置對(duì)10個(gè)圓柱銷需要基本一致，以保證檢測(cè)環(huán)境的恒定，檢測(cè)頭需要對(duì)準(zhǔn)圓柱銷中部的最高點(diǎn)區(qū)域。實(shí)訓(xùn)一實(shí)訓(xùn)一 認(rèn)識(shí)電感式高精度位移傳感器認(rèn)識(shí)電感式高精度位移傳感器目錄目錄通過熟悉激光高精度位移傳感器，了解使用激光傳感器檢測(cè)的一般原理和使用條件，掌握各種位移傳感器的量程、精度等檢測(cè)性能。任務(wù)二任務(wù)二 高精度激光位移傳感器高精度激光位移傳感器知識(shí)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)目錄目錄通過實(shí)踐操作和檢測(cè)，初步認(rèn)識(shí)激光式位移傳感器及其檢測(cè)適應(yīng)性，進(jìn)一步理解工業(yè)中常用的位移

12、檢測(cè)特點(diǎn)及位移傳感器的基本選用原則。技能目標(biāo)技能目標(biāo)任務(wù)二任務(wù)二 高精度激光位移傳感器高精度激光位移傳感器目錄目錄激光三角法：利用激光源發(fā)射一束激光照射到被測(cè)物體的表面時(shí), 通過漫反射后在光學(xué)檢測(cè)器件上成像, 根據(jù)其像點(diǎn)位置的變化和檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)可求出被測(cè)點(diǎn)的位移信息。精度可達(dá)0.01微米水平。知識(shí)鏈接知識(shí)鏈接任務(wù)二任務(wù)二 高精度激光位移傳感器高精度激光位移傳感器目錄目錄圖像傳感器CCD：CCD作為移位寄存器，每個(gè)光敏元通常是一個(gè)MOS電容。在光照射下，光生少數(shù)載流子在光敏元中積聚，光敏元接受光照后，各光敏元所積蓄的電荷并行地轉(zhuǎn)移到CCD讀出寄存器上。一、圖像傳感器任務(wù)二任務(wù)二 高精度激光

13、位移傳感器高精度激光位移傳感器目錄目錄固態(tài)圖形傳感器具有小型、輕便、響應(yīng)快穩(wěn)和定性好等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。其主要用途如下。（1）用于物位、尺寸、形狀以及工件損傷檢測(cè)。（2）作為光學(xué)量信息處理的輸入環(huán)節(jié)，如圖像識(shí)別、文字識(shí)別、工業(yè)攝像機(jī)等。（3）用作自動(dòng)生產(chǎn)過程的控制敏感元件。任務(wù)二任務(wù)二 高精度激光位移傳感器高精度激光位移傳感器目錄目錄基于三角檢測(cè)原理的激光位移傳感器采用激光作為光源投射一個(gè)亮點(diǎn)或者直線條紋到被測(cè)物體表面，經(jīng)物體反射的激光通過接收器鏡頭，被內(nèi)部的CCD線型相機(jī)接收，根據(jù)不同的距離，CCD線型相機(jī)可以在不同的角度下“看見”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

14、，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。二、激光傳感器三角法測(cè)距任務(wù)二任務(wù)二 高精度激光位移傳感器高精度激光位移傳感器目錄目錄圖3-18為激光三角法檢測(cè)的原理圖。當(dāng)被測(cè)物體的表面位置從位置O移動(dòng)到位置A時(shí)，位移變化量為l，反射光線在光電接收器上的像點(diǎn)相應(yīng)地從O點(diǎn)移動(dòng)到A點(diǎn)，位移變化量為s，則式中，s為像點(diǎn)的位移（m）；d為透鏡的物距（m），即OM；d為透鏡的相距（m），即OM；為入射光與成像透鏡中心軸的夾角，即AOM；為光電接收器與成像透鏡中心軸的夾角,即AOM。任務(wù)二任務(wù)二 高精度激光位移傳感器高精度激光位移傳感器目錄目錄高精度激光傳感器一般將檢測(cè)電路和激光器以及CCD元器件集

15、成封裝，成為一個(gè)整體式的檢測(cè)傳感器，如圖3-19所示，可以有模擬量和數(shù)字量接口直接連接于數(shù)字控制設(shè)備或者分析儀器、數(shù)據(jù)采集卡中。這些傳感器普遍精度可以超過0.1 m，某些傳感器如optoNCDT的2200高精度系列可以達(dá)到0.007 5 m的深亞微米級(jí)別。任務(wù)二任務(wù)二 高精度激光位移傳感器高精度激光位移傳感器目錄目錄實(shí)訓(xùn)目標(biāo)實(shí)訓(xùn)目標(biāo)通過激光高精度位移傳感器和滑臺(tái)裝置檢測(cè)一個(gè)物體的高度差，如圖3-20所示，通過裝配調(diào)試傳感器和檢測(cè)圖中有0.5 mm左右高度差的金屬板，深入了解激光高精度位移傳感器的傳感特性與應(yīng)用規(guī)程。實(shí)訓(xùn)二實(shí)訓(xùn)二 高精度激光位移傳感器檢測(cè)物體高度高精度激光位移傳感器檢測(cè)物體高度差

16、差目錄目錄實(shí)訓(xùn)二實(shí)訓(xùn)二 高精度激光位移傳感器檢測(cè)物體高度高精度激光位移傳感器檢測(cè)物體高度差差目錄目錄實(shí)訓(xùn)二實(shí)訓(xùn)二 高精度激光位移傳感器檢測(cè)物體高度高精度激光位移傳感器檢測(cè)物體高度差差目錄目錄實(shí)訓(xùn)二實(shí)訓(xùn)二 高精度激光位移傳感器檢測(cè)物體高度高精度激光位移傳感器檢測(cè)物體高度差差目錄目錄操作步驟操作步驟實(shí)訓(xùn)二實(shí)訓(xùn)二 高精度激光位移傳感器檢測(cè)物體高度高精度激光位移傳感器檢測(cè)物體高度差差（1）首先搭建檢測(cè)系統(tǒng)（3）檢測(cè)測(cè)量板的高度差（2）裝配檢測(cè)平臺(tái)（4）使用螺旋千分尺測(cè)量不等高測(cè)量板的實(shí)際差距，對(duì)比記錄值，將實(shí)際差距與數(shù)顯表頭顯示數(shù)值差相除得到轉(zhuǎn)換系數(shù)。目錄目錄實(shí)訓(xùn)二實(shí)訓(xùn)二 高精度激光位移傳感器檢測(cè)物體高度高精度激光位移傳感器檢測(cè)物體高度差差目錄目錄思考與練習(xí)思考