傳感器與機(jī)器視覺 課件 第五章 位移傳感器

傳感器與機(jī)器人視覺湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院楊利第五章位移傳感器5.1概述

5.2超聲波傳感器5.3長光柵傳感器

5.4光電編碼器

目

錄5.1概述 5.2超聲波傳感器5.3長光柵傳感器

5.4光電編碼器

目

錄1.位移及單位位移表示物體（質(zhì)點(diǎn)）的位置變化，用連接先后兩位置的有向線段表示，其大小與路徑無關(guān)，方向由起點(diǎn)指向終點(diǎn)。它是一個(gè)有大小和方向的物理量，即矢量。國際基本單位：米，此外還有厘米、千米等。2、位移的分類位移有線位移和角位移之分。線位移是指物體沿某一直線移動(dòng)的距離。角位移是指物體繞某一點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。1.位移及單位3、位移測(cè)量形式直接測(cè)量：若位移傳感器所測(cè)量的對(duì)象就是被測(cè)量本身。間接測(cè)量：若旋轉(zhuǎn)式位置傳感器測(cè)量回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)只是中間值，由它再推算出與之關(guān)聯(lián)的移動(dòng)部件的直線位移。1.位移及單位3、位移測(cè)量形式絕對(duì)式測(cè)量：每個(gè)被測(cè)點(diǎn)都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的編碼，常以二進(jìn)制數(shù)據(jù)形式來表示。絕對(duì)式測(cè)量即使斷電之后再重新上電，也能讀出當(dāng)前位置的數(shù)據(jù)。增量式測(cè)量：只能獲得位移增量。移動(dòng)部件每移動(dòng)一個(gè)基本長度單位，位置傳感器便發(fā)出一個(gè)測(cè)量信號(hào)。斷電后數(shù)據(jù)丟失。1.位移及單位位器式位移傳感器電容式位移傳感器電感式位移傳感器長光柵位移傳感器光電編碼器測(cè)角位移超聲波傳感器測(cè)位移2.位移傳感器類型電位器式位移傳感器：

電位器式位移傳感器俗稱電子尺或電阻尺，其敏感元件為直線電位器。電位器式位移傳感器將機(jī)械位移轉(zhuǎn)換成與之線性或特定函數(shù)關(guān)系電阻值變化。并通過電流或電壓形式輸出。適用于工程機(jī)械、注塑機(jī)、機(jī)器人、工程監(jiān)控、電腦控制運(yùn)動(dòng)器械等需要精確測(cè)量位移的場(chǎng)合。2.位移傳感器類型

電容式位移傳感器2.位移傳感器類型電感式位移傳感器：

電感式位移傳感器是利用電磁感應(yīng)把位移轉(zhuǎn)換成線圈的自感系數(shù)L和互感系數(shù)M的變化，再由電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出，實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換。2.位移傳感器類型長光柵線位移傳感器：

利用莫爾條紋原理，通過光電轉(zhuǎn)換，以數(shù)字方式表示線性位移量的高精度位移傳感器?，F(xiàn)已廣泛應(yīng)用于金屬切削機(jī)床加工量的數(shù)字顯示和數(shù)控機(jī)床加工中心位置環(huán)的控制。其測(cè)量輸出的信號(hào)為數(shù)字脈沖，具有檢測(cè)范圍大，檢測(cè)精度高，響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。2.位移傳感器類型光電編碼器測(cè)角位移：

光電編碼器是將位移量轉(zhuǎn)換成以數(shù)字代碼形式輸出的傳感器；按其結(jié)構(gòu)形式有直線式編碼器和旋轉(zhuǎn)式編碼器，直線式編碼器又稱為編碼尺，旋轉(zhuǎn)式編碼器又稱為編碼盤。編碼器以其高精度、高分辨率和高可靠性而廣泛用于各種位移測(cè)量。2.位移傳感器類型超聲波傳感器測(cè)位移：利用超聲波在超聲場(chǎng)中的物理特性和各種效應(yīng)而研制的裝置可稱為超聲波換能器、探測(cè)器或傳感器。超聲波傳感器是使用聲波來檢測(cè)物體2.位移傳感器類型5.1概述 5.2超聲波傳感器5.3長光柵傳感器

5.4光電編碼器

目

錄利用超聲波在超聲場(chǎng)中的物理特性和各種效應(yīng)而研制的裝置可稱為超聲波換能器、探測(cè)器或傳感器。超聲波傳感器是使用聲波來檢測(cè)物體。1.概述人耳可聽到的聲音頻率為20Hz～20kHz之間。人耳聽不到的聲波：當(dāng)頻率高于20kHz的稱為超聲波；頻率低于20Hz的稱為次聲波。超聲波的頻率界限圖2.超聲波2.超聲波超聲波的反射和折射示意圖超聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)，在兩個(gè)介質(zhì)的分界面上一部分超聲波被反射,另一部分透射過界面，在另一種介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播。這樣的兩種情況稱之為超聲波的反射和折射。超聲波為直線傳播方式，頻率越高，就越接近光學(xué)的反射、折射等特性。2.超聲波傳播速度：超聲波屬于聲波,其傳播速度和普通聲音的傳播速度一樣（只是含的能量較高,穿透力強(qiáng),方向單一）；

傳播速度取決于傳播的介質(zhì)和溫度；

在15攝氏度的空氣中其傳播速度為340m/s,溫度越高,傳播速度越大；

一般情況下在固體中傳播最快,液體中次之,氣體中最慢超聲波特性：直線傳播折射和反射頻率越高，越接近光的特性傳播速度和普通聲音一樣2.超聲波SensorSensor它發(fā)射一簇短的超聲波脈沖…然后等待回波2.超聲波傳感器測(cè)量原理Sensor距離=反應(yīng)時(shí)間x聲速/2超聲波傳感器是可逆元件。

超聲波發(fā)送器是利用逆向壓電效應(yīng)制成——即在壓電元件上施加電壓，元件就變形（也稱應(yīng)變）引起空氣振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，超聲波一疏密波形式傳播，傳送給超聲波接收器。

超聲波接收器是利用正向壓電效應(yīng)制成——即接收到的超聲波促使接收器的振子隨著相應(yīng)頻率進(jìn)行振動(dòng)，由于存在正向壓電效應(yīng)，就產(chǎn)生與超聲波頻率相同的高頻電壓。壓電式超聲波傳感器結(jié)構(gòu)3.超聲波傳感器結(jié)構(gòu)測(cè)位移：測(cè)距系統(tǒng)框圖如圖所示，系統(tǒng)由超聲波發(fā)送、接收、MCU和顯示四個(gè)部分組成。

4.超聲波傳感器應(yīng)用超聲波位移傳感器注意事項(xiàng)

盲區(qū)和有效距離

所有反射聲波的被測(cè)物都要求足夠大，且反射效果好。傳感器易受極高噪音、空氣運(yùn)動(dòng)等干擾。盲區(qū)傳感器檢測(cè)范圍4.超聲波傳感器應(yīng)用25幾種超聲物位傳感器的結(jié)構(gòu)原理示意圖(a)超聲波在液體中傳播；(b)超聲波在空氣中傳播

只要測(cè)得超聲波脈沖從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔，便可以求得待測(cè)的物位。測(cè)液位：4.超聲波傳感器應(yīng)用測(cè)液罐液位：在液罐上方安裝空氣傳導(dǎo)型超聲發(fā)射器和接收器，根據(jù)超聲波的往返時(shí)間，就可測(cè)得液體的液面。4.超聲波傳感器應(yīng)用超聲波測(cè)流量原理圖4.超聲波傳感器應(yīng)用測(cè)流量：超聲波傳感器安裝位置示意圖此時(shí)超聲波的傳輸時(shí)間將由下式確定：

測(cè)流量：4.超聲波傳感器應(yīng)用29F1發(fā)射的超聲波先到達(dá)

T1時(shí)間差法測(cè)量流量原理：在被測(cè)管道上下游的一定距離上，分別安裝兩對(duì)超聲波發(fā)射和接收探頭（F1，T1）、（F2，T2），其中F1，T1的超聲波是順流傳播的，而F2，T2的超聲波是逆流傳播的。由于這兩束超聲波在液體中傳播速度的不同，測(cè)量兩接收探頭上超聲波傳播的時(shí)間差

t，可得到流體的平均速度及流量。測(cè)流量：4.超聲波傳感器應(yīng)用發(fā)射、接收探頭也可以安裝在管道的同一側(cè)：測(cè)流量：4.超聲波傳感器應(yīng)用同側(cè)式超聲波流量計(jì)的使用

測(cè)流量：4.超聲波傳感器應(yīng)用測(cè)速度：4.超聲波傳感器應(yīng)用

1842年，奧地利物理學(xué)家多普勒帶著女兒在鐵道旁散步時(shí)就注意到了類似的現(xiàn)象，他經(jīng)過認(rèn)真的研究，發(fā)現(xiàn)波源和觀察者互相靠近或者互相遠(yuǎn)離時(shí)，觀察到的波的頻率都會(huì)發(fā)生變化，并且做出了解釋，人們把這種現(xiàn)象叫做多普勒效應(yīng)。當(dāng)一輛汽車響著喇叭從你身邊疾駛而過時(shí)，喇叭的音調(diào)會(huì)由高變低，好像汽車駛來的時(shí)候唱著音符“1”（聲音尖細(xì)），離開的時(shí)候就唱音符“7””（聲音低沉）了。測(cè)速度：多普勒效應(yīng)4.超聲波傳感器應(yīng)用

模擬實(shí)驗(yàn)讓一隊(duì)人沿街行走，觀察者站在街旁不動(dòng)，每秒有9個(gè)人從他身邊通過（圖甲）。這種情況下的“過人頻率”是9人／秒；如果觀察者逆著隊(duì)伍行走，每秒和觀察者相遇的人數(shù)增加，也就是頻率增加（圖乙）；反之，如果觀察者順著隊(duì)伍行走，頻率降低（圖丙）。甲乙丙測(cè)速度：多普勒效應(yīng)4.超聲波傳感器應(yīng)用

如果波源和觀察者之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，那么觀察者接收到的頻率和波源的頻率就不相同了，這種現(xiàn)象叫做多普勒效應(yīng)。測(cè)出

f就可得到運(yùn)動(dòng)速度。

前進(jìn)方向的頻率升高測(cè)速度：多普勒效應(yīng)4.超聲波傳感器應(yīng)用36超聲波多普勒測(cè)量風(fēng)速風(fēng)

風(fēng)引起超聲波的頻率變大或變小測(cè)風(fēng)速：4.超聲波傳感器應(yīng)用

測(cè)厚度：4.超聲波傳感器應(yīng)用

混凝土測(cè)厚木材測(cè)厚小提琴木料測(cè)厚測(cè)厚度：4.超聲波傳感器應(yīng)用

某超聲波測(cè)厚儀指標(biāo)顯示方法∶128*32LCD點(diǎn)陣液晶顯示（帶背光）

顯示位數(shù)：四位

測(cè)量范圍：0.8~200mm

示值精度：0.1mm

聲速范圍：1000~9999m/s

測(cè)量周期：2次/秒

自動(dòng)關(guān)機(jī)時(shí)間：90秒

電源：二節(jié)七號(hào)（AAA）電池，可連續(xù)工作不少于72小時(shí)

使用溫度：-10°C~40°C

存儲(chǔ)溫度：-20°C~70°C

外形尺寸：108x61x25mm

重量：230g（含電池）測(cè)厚度：4.超聲波傳感器應(yīng)用

超聲防盜報(bào)警器

圖中的上半部分為發(fā)射電路，下面為接收電路。發(fā)射器發(fā)射出頻率f=40kHz左右的超聲波。如果有人進(jìn)入信號(hào)的有效區(qū)域，相對(duì)速度為v，從人體反射回接收器的超聲波將由于多普勒效應(yīng)，而發(fā)生頻率偏移

f。4.超聲波傳感器應(yīng)用自動(dòng)扶梯入口檢測(cè)為了更能體現(xiàn)節(jié)能的效果，需要實(shí)現(xiàn)：無人時(shí)，自動(dòng)扶梯會(huì)停止或減速運(yùn)轉(zhuǎn)，檢測(cè)到人時(shí)會(huì)加快速度運(yùn)轉(zhuǎn)檢測(cè)范圍在人距離扶梯入口1.3m，要忽略衣褲的顏色超聲波傳感器安裝在每個(gè)電梯入口的下部，傾斜30-45度，左右各一個(gè)，確保全部覆蓋之前由于漫反光電不可靠，第一處踏板處還裝有一對(duì)對(duì)射光電。超聲波傳感器4.超聲波傳感器應(yīng)用

瓶子檢測(cè)及定位控制包裝材料的下垂度4.超聲波傳感器應(yīng)用

汽車玻璃檢測(cè)槳狀物料測(cè)量透明材料下垂度控制液位測(cè)量4.超聲波傳感器應(yīng)用零件有無碰撞檢測(cè)5.1概述 5.2超聲波傳感器5.3長光柵傳感器

5.4光電編碼器

目

錄利用莫爾條紋原理，通過光電轉(zhuǎn)換，以數(shù)字方式表示線性位移量的高精度位移傳感器?，F(xiàn)已廣泛應(yīng)用于金屬切削機(jī)床加工量的數(shù)字顯示和數(shù)控機(jī)床加工中心位置環(huán)的控制。其測(cè)量輸出的信號(hào)為數(shù)字脈沖，具有檢測(cè)范圍大，檢測(cè)精度高，響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。1.光柵傳感器概述光柵：很多等節(jié)距的透光的縫隙或不透光的刻線均勻、相間排列而成的光電器件。20線-150線/mm25線-50線/mm透射式反射式2.光柵2.光柵47按用途分物理光柵計(jì)量光柵利用光的衍射現(xiàn)象，主要用于光譜分析、光波長測(cè)量。利用莫爾條紋現(xiàn)象，主要用于長度、角度、速度、加速度、振動(dòng)等物理量的測(cè)量。計(jì)量光柵長光柵圓光柵用于長度測(cè)量用于角度測(cè)量按光的走向透射式光柵反射式光柵按柵線的形式黑白光柵（幅值光柵）閃耀光柵（相位光柵）徑向光柵切向光柵環(huán)形光柵莫爾條紋的形成原理：兩塊參數(shù)相近的透射光柵以小角度疊加，產(chǎn)生放大的光柵。莫爾條紋是兩條線或兩個(gè)物體之間以恒定的角度和頻率發(fā)生相干的視覺效果，當(dāng)人眼無法分辨兩條線或兩個(gè)物體時(shí)，只能看到干涉的花紋，這種光學(xué)現(xiàn)象就是莫爾條紋。如果把兩塊光柵距相等的光柵平行安裝，并且使光柵刻痕相對(duì)保持一個(gè)較小的夾角θ時(shí)，透過光柵組可以看到一組明暗相間的條紋，即為莫爾條紋。3.莫爾效應(yīng)3.莫爾效應(yīng)50光柵移動(dòng)方向不同條紋運(yùn)動(dòng)方向不同光柵移動(dòng)一個(gè)柵距，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)寬度。3.莫爾效應(yīng)βLβWL條紋間距大大增加L=W/sinβ3.莫爾效應(yīng)分辨力

=W=1/50=0.02mm=20

m放大倍數(shù)≈1/θ=1/(1.8

×3.14/180

)≈31.83莫爾條紋的寬度L=W/θ≈0.637mm

例：一直線光柵，每毫米刻線數(shù)為50，主光柵與指示光柵的夾角β=1.8

，分辨力、放大倍數(shù)、莫爾條紋的寬度分別為多少？3.莫爾效應(yīng)尺身尺身安裝孔反射式掃描頭（與移動(dòng)部件固定）掃描頭安裝孔可移動(dòng)電纜防塵保護(hù)罩的內(nèi)部為長光柵4.光柵傳感器結(jié)構(gòu)光源透鏡主光柵指示光柵光電元件光柵副光路4.光柵傳感器結(jié)構(gòu)4.光柵傳感器結(jié)構(gòu)4.光柵傳感器結(jié)構(gòu)4.光柵傳感器結(jié)構(gòu)莫爾條紋的形成+-位移正弦波5.光柵傳感器工作原理5.光柵傳感器工作原理?xiàng)l紋寬度：

W-柵距，a-線寬，b-縫寬W=a+b，a=b=W/2

特例：當(dāng)

=0,w1=w2→B=

→光閘莫爾條紋當(dāng)

=0,w1≠w2→縱向莫爾條紋均勻刻線主光柵指示光柵夾角明暗相間條紋莫爾條紋移動(dòng)5.光柵傳感器工作原理方向性：垂直于角平分線，當(dāng)夾角很小時(shí)→與光柵移動(dòng)方向垂直同步性：光柵移動(dòng)一個(gè)柵距→莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)間距→方向?qū)?yīng)放大性：夾角θ很小→B>>W→光學(xué)放大→提高靈敏度可調(diào)性：夾角θ↓→條紋間距B↑→靈活準(zhǔn)確性：大量刻線→誤差平均效應(yīng)→克服個(gè)別/局部誤差→提高精度5.光柵傳感器工作原理故被測(cè)物體位移＝柵距×脈沖數(shù)被測(cè)物體位移莫爾條紋移動(dòng)正弦波方波脈沖通過光柵轉(zhuǎn)換通過光電元件轉(zhuǎn)移整形轉(zhuǎn)換邏輯電壓轉(zhuǎn)換5.光柵傳感器工作原理6.光柵傳感器參數(shù)5.1概述 5.2超聲波