传感器与检测技术资料-项目二 位移检测.pptx
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1、传感器技术与应用传感器技术与应用项目项目二:位移检测二:位移检测电子课件学习重点学习重点 掌握电位器传感器的原理和应用 掌握光栅位移传感器的基本原理 理解超声波传感器的基本原理目 录任务一:机械式位移测量仪任务二:光栅位移传感器在机床工作台上的应用 任务三、简易汽车倒车雷达过度页任务一:机械式位移测量仪任务一:机械式位移测量仪 电位器是一种常用的机电元件,广泛应用于各种电器和电子设备中。它主要是一种把机械的线位移或角位移输入量转换为与它成一定函数关系的电阻或电压输出的传感元件来使用。机械式位移测量仪任务一:机械式位移测量仪 同时,与其它种类的位移传感器相比,它结构简单、尺寸小、重量轻、精度高、
2、输出信号大、性能稳定并容易实现任意函数。因此,在工程机械等方面经常采用。那么,如何设计一个采用电位器制作的位移测量仪哪?机械式位移测量仪任务一:机械式位移测量仪线性电位器空载特性 线性电位器的理想空载特性曲线应具有严格的线性关系。图所示为电位器式位移传感器原理图。机械式位移测量仪任务一:机械式位移测量仪 如果把它作为变阻器使用,假定全长为xmax的电位器其总电阻为Rmax,电阻沿长度的分布是均匀的,则当滑臂由A向B移动x后,A点到电刷间的阻值为 机械式位移测量仪任务一:机械式位移测量仪机械式位移测量仪图 电位器式位移传感器原理图 任务一:机械式位移测量仪 若把它作为分压器使用,且假定加在电位器
3、A、B之间的电压为Umax,则输出电压为机械式位移测量仪任务一:机械式位移测量仪 所示为电位器式角度传感器。作变阻器使用,则电阻与角度的关系为 机械式位移测量仪任务一:机械式位移测量仪作为分压器使用,则有 机械式位移测量仪图 电位器式角度传感器原理图任务一:机械式位移测量仪 线性线绕电位器理想的输出、输入关系遵循上述四个公式。因此对如图所示的位移传感器来说,因为机械式位移测量仪任务一:机械式位移测量仪其灵敏度应为 机械式位移测量仪任务一:机械式位移测量仪机械式位移测量仪线性线绕电位器示意图任务一:机械式位移测量仪机械式位移测量仪线性线绕电位器示意图任务一:机械式位移测量仪 式中,SR、SU分别
4、为电阻灵敏度、电压灵敏度;为导线电阻率;A为导线横截面积;n为线绕电位器绕线总匝数。机械式位移测量仪任务一:机械式位移测量仪 由式可以看出,线性线绕电位器的电阻灵敏度和电压灵敏度除与电阻率有关外,还与骨架尺寸h和b、导线横截面积A(导线直径d)、绕线节距t等结构参数有关;电压灵敏度还与通过电位器的电流I的大小有关。机械式位移测量仪任务一:机械式位移测量仪 阶梯特性、阶梯误差和分辨率 图所示为绕n匝电阻丝的线性电位器的局部剖面和阶梯特性曲线图。机械式位移测量仪任务一:机械式位移测量仪 电刷在电位器的线圈上移动时,线圈一圈一圈的变化,因此,电位器阻值随电刷移动不是连续地改变,导线与一匝接触的过程中
5、,虽有微小位移,但电阻值并无变化,因而输出电压也不改变,机械式位移测量仪任务一:机械式位移测量仪在输出特性曲线上对应地出现平直段;当电刷离开这一匝而与下一匝接触时,电阻突然增加一匝阻值,因此特性曲线相应出现阶跃段。机械式位移测量仪任务一:机械式位移测量仪 这样,电刷每移过一匝,输出电压便阶跃一次,共产生n个电压阶梯,其阶跃值亦即名义分辨率为机械式位移测量仪任务一:机械式位移测量仪机械式位移测量仪局部剖面和阶梯特性 任务一:机械式位移测量仪 实际上,当电刷从j匝移到(j+1)匝的过程中,必定会使这两匝短路,于是电位器的总匝数从n匝减小到(n-1)匝,这样总阻值的变化就使得在每个电压阶跃中还产生一
6、个小阶跃。机械式位移测量仪任务一:机械式位移测量仪 这个小电压阶跃亦即次要分辨脉冲为机械式位移测量仪任务一:机械式位移测量仪 主要分辨脉冲和次要分辨脉冲的延续比,取决于电刷和导线直径的比。若电刷的直径太小,尤其使用软合金时,会促使形成磨损平台;若直径过大,则只要有很小的磨损就将使电位器有更多的匝短路,一般取电刷与导线直径比为10可获得较好的效果。机械式位移测量仪任务一:机械式位移测量仪 工程上常把图9.4那种实际阶梯曲线简化成理想阶梯曲线,如图9.5所示。这时,电位器的电压分辨率定义为:在电刷行程内,电位器输出电压阶梯的最大值与最大输出电压Umax之比的百分数,对理想阶梯特性的线绕电位器机械式
7、位移测量仪任务一:机械式位移测量仪电压分辨率为机械式位移测量仪任务一:机械式位移测量仪 除了电压分辨率外,还有行程分辨率,其定义为:在电刷行程内,能使电位器产生一个可测出变化的电刷最小行程与整个行程之比的百分数,即机械式位移测量仪任务一:机械式位移测量仪 从图中可见,在理想情况下,特性曲线每个阶梯的大小完全相同,则通过每个阶梯中点的直线即是理论特性曲线,阶梯曲线围绕它上下跳动,从而带来一定误差,这就是阶梯误差。机械式位移测量仪任务一:机械式位移测量仪 电位器的阶梯误差j通常以理想阶梯特性曲线对理论特性曲线的最大偏差值与最大输出电压值的百分数表示,即机械式位移测量仪任务一:机械式位移测量仪机械式
8、位移测量仪任务一:机械式位移测量仪 阶梯误差和分辨率的大小都是由线绕电位器本身工作原理所决定的,是一种原理性误差,它决定了电位器可能达到的最高精度。机械式位移测量仪任务一:机械式位移测量仪 在实际设计中,为改善阶梯误差和分辨率,需增加匝数,即减小导线直径(小型电位器通常选0.5mm或更细的导线)或增加骨架长度(如采用多圈螺旋电位器)。机械式位移测量仪任务一:机械式位移测量仪非线性电位器 1.变骨架式非线性电位器 变骨架式电位器是利用改变骨架高度或宽度的方法来实现非线性函数特性。所示为一种变骨架高度式非线性电位器。机械式位移测量仪任务一:机械式位移测量仪机械式位移测量仪图 变骨架高度式线性电位器
9、任务一:机械式位移测量仪 1.骨架变化的规律 变骨架式非线性电位器是在保持电位器结构参数、A、t不变时,只改变骨架宽度b或高度h来实现非线性函数关系。机械式位移测量仪任务一:机械式位移测量仪 这里以只改变h的变骨架高度式非线性线绕电位器为例来对骨架变化规律进行分析。在图所示曲线上任取一小段,则可视为直线,电刷位移为x,对应的电阻变化就是R,因此前述的线性电位器灵敏度公式仍然成立,机械式位移测量仪任务一:机械式位移测量仪即 机械式位移测量仪任务一:机械式位移测量仪当x0时,则有 机械式位移测量仪任务一:机械式位移测量仪 由上述两个公式可求出骨架高度的变化规律为机械式位移测量仪任务一:机械式位移测
10、量仪2.阶梯误差与分辨率 变骨架高度式电位器的绕线节距是不变的,因此其行程分辨率与线性电位器计算式相同,则有机械式位移测量仪任务一:机械式位移测量仪 但由于骨架高度是变化的,因而阶梯特性的阶梯也是变化的,最大阶梯值发生在特性曲线斜率最大处,故阶梯误差为机械式位移测量仪任务一:机械式位移测量仪机械式位移测量仪图 阶梯骨架式非线性电位器任务一:机械式位移测量仪 由于测量领域的不同,电位器结构及材料选择有所不同。但是其基本结构是相近的。电位器通常都是由骨架、电阻元件及活动电刷组成。常用的线绕式电位器的电阻元件由金属电阻丝绕成。机械式位移测量仪任务一:机械式位移测量仪1.电阻丝。要求电阻系数高、电阻温
11、度系数小,强度高和延展性好,对铜的热电势要小,耐磨耐腐蚀,焊接性好等。常用的材料有康铜丝、铂铱合金及卡玛丝等。机械式位移测量仪任务一:机械式位移测量仪机械式位移测量仪图2-11 某些电刷结构 1.电刷;2.电阻元件任务实施任务实施 本次任务设计的位移测量仪,主要实现位移的检测,并通过数码管显示,对测量的位移量精度要求并不太高。系统设计电路图如图2-15所示。任务实施任务实施电路工作原理:系统采用电位器传感器进行位移测量,电位器与电阻R3和R4构成直流电桥,当被测量移动时,电桥失衡,输出相应电压信号,差动输入AD521。电桥直流电源由1403供给。任务实施 1403是一款低压基准芯片。一般用作一
12、些需要基本精准的基准电压的场合。输入电压范围:4.5 V to 40 V,输出电压:2.5 V。AD521是单片集成测量放大器,对输入差模信号进行放大,放大倍数为:任务实施 放大倍数可以在0.1到1000范围内调整,通常选Rs=100K,Rg在使用中根据实际需要选定。芯片7555构成多谐振动器,给ICL7139提供振荡信号,双积分式A/D转换器件,其输出可直接驱动数码管和LCD显示。任务实施电路调试:1、电位器处于零点(动触点无位移),选择合适的桥臂电阻,使电桥平衡,通过调放大器AD521的4脚和6脚间的调零电阻,使得电路的输出为0;任务实施 2、用该位移计测量标准位移(满量程位移),调节IC
13、L7139中Vref端可变电阻,改变参考电压,使得数码管的显示满量程位移。任务实施 3、调试过程中,A/D转换器的参考电压是根据量程来调整的。调试的过程实际上也是位移计定标的过程。过度页任务二:光栅位移传感器在机床工作台上的应用 任务引入任务引入 数控机床是制造业不可缺少的设备,它的应用是制造业现代化的必然趋势。为了提高数控机床的加工精度,必须采用高精度的检测装置,特别是工作台的位移检测精度。任务引入 光栅作为一种高精度的直线位移传感器,在数控机床上用于测量工作台的位移常用于构成位置闭环伺服系统。那么,光栅是如何对机床工作台位移检测的哪?任务分析任务分析 机床工作台采用光栅传感器进行位移检测,
14、目前应用十分广泛。本任务将结合光栅传感器的相关知识,介绍工作台位移检测。任务二:光栅位移传感器在机床工作台上的应用 一、光栅的构造二、工作原理三、辨向原理四、细分技术(a)测量线位移的长光栅 (b)测量角位移的圆光栅 图2-16 光栅外观任务二:光栅位移传感器在机床工作台上的应用 光栅位移传感器的结构如图2-17所示。它主要由标尺光栅、指示光栅、光电器件和光源等组成。通常,标尺光栅和被测物体相连,随被测物体的直线位移而产生位移。一、光栅的构造二、工作原理三、辨向原理四、细分技术任务二:光栅位移传感器在机床工作台上的应用 一般标尺光栅和指示光栅的刻线密度是相同的,而刻线之间的距离W称为栅距。光栅
15、条纹密度一般为每毫米25、50、100、250条等。一、光栅的构造二、工作原理三、辨向原理四、细分技术任务二:光栅位移传感器在机床工作台上的应用 一、光栅的构造二、工作原理三、辨向原理四、细分技术任务二:光栅位移传感器在机床工作台上的应用 如果把两块栅距W相等的光栅平行安装,且让它们的刻痕之间有较小的夹角时,这时光栅上会出现若干条明暗相间的条纹,这种条纹称莫尔条纹,它们沿着与光栅条纹几乎垂直的方向排列,如图2-18所示。一、光栅的构造二、工作原理三、辨向原理四、细分技术任务二:光栅位移传感器在机床工作台上的应用 莫尔条纹是光栅非重合部分光线透过而形成的亮带,它由一系列四棱形图案组成,如图中的d
16、d线区所示。f f线区则是由于光栅的遮光效应形成的。一、光栅的构造二、工作原理三、辨向原理四、细分技术任务二:光栅位移传感器在机床工作台上的应用 一、光栅的构造二、工作原理三、辨向原理四、细分技术任务二:光栅位移传感器在机床工作台上的应用 莫尔条纹 若光栅栅距为W,两个相邻莫尔条纹的间距为BH,(即莫尔条纹中两条暗纹或两条亮纹之间的距离)则有一、光栅的构造二、工作原理三、辨向原理四、细分技术任务二:光栅位移传感器在机床工作台上的应用 这里是弧度,如果夹角为0.10,则=0.1/180*,则BH=573W,相当于把栅距放大了573倍。一、光栅的构造二、工作原理三、辨向原理四、细分技术任务二:光栅
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