NO3精密位移检测系统电子课件 传感器与检测技术(第2版）.ppt

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1、目录目录随着技术的发展，制造工业的精度已经达到了亚微米级别，很多机械零件的精度早已超过亚微米而达到几十个纳米，如高精度定位轴承和光学透镜，电子电路在工业中，超大规模集成电路的制造精度已经达到几个纳米。精密位移检测系统精密位移检测系统目录目录制造精度的提高是现代工业的基础，而在亚微米级别的制造中，利用高精度微小位移检测。高精度位移传感器的特点：量程小，精度高，高稳定性。精密位移检测系统精密位移检测系统目录目录精度在亚微米级别的检测工业上往往采用比较方法，即首先使用标准件作为检测基准依据，然后利用高精度微小位移检测其中的误差级别。精密位移检测系统精密位移检测系统目录目录通过熟悉各种高精度位移传感器

2、，了解位移传感器检测的一般原理和使用条件，掌握各种位移传感器的量程和精度等检测性能。任务一任务一 高精度位移传感器的应用高精度位移传感器的应用知识目标知识目标目录目录通过实践操作和训练理解，初步认识电感式位移传感器及其检测适应性，了解工业中常用的位移检测特点及位移传感器的基本选用原则。技能目标技能目标任务一任务一 高精度位移传感器的应用高精度位移传感器的应用目录目录电容式传感器实质上是利用电容公式进行检测的传感器被检测可通过极板距离、正对面积和介电常数的变化，转换为电容的变化实现检测。一、电容式传感器任务一任务一 高精度位移传感器的应用高精度位移传感器的应用目录目录任务一任务一 高精度位移传感

3、器的应用高精度位移传感器的应用目录目录电容传感器的结构优点是：由于极板间的静电引力小，活动部分的可动质量小，所以对输入能量的要求低；由于介质损耗小，传感器本身发热少，使其能在高频范围内工作，具有较好的动态响应特性。任务一任务一 高精度位移传感器的应用高精度位移传感器的应用目录目录1.电容式传感器的分类电容式传感器的分类任务一任务一 高精度位移传感器的应用高精度位移传感器的应用1 1）变面积型电容传感器变面积型电容传感器2 2）极距变化型电容传感器极距变化型电容传感器目录目录1）变面积型电容传感器）变面积型电容传感器任务一任务一 高精度位移传感器的应用高精度位移传感器的应用目录目录2）极距变化型

4、电容传感器）极距变化型电容传感器如图3-3（a）所示，如平行电容器两个极板间覆盖面积和极间介质不变，则其电容量C与极距呈现非线性关系。当极距有一微小变化量时，引起电容的变化量为式中，A为极板间覆盖面积。则其灵敏度为任务一任务一 高精度位移传感器的应用高精度位移传感器的应用目录目录任务一任务一 高精度位移传感器的应用高精度位移传感器的应用目录目录任务一任务一 高精度位移传感器的应用高精度位移传感器的应用 2.电容式传感器的测量电路 1）等效电路 电容式传感器的等效电路如图所示。图中考虑了电容器的损耗和电感效应，Rp为并联损耗电阻，它代表极板间的泄漏电阻和介质损耗。这些损耗在低频时影响较大，随着工

5、作频率增高，容抗减小，其影响就减弱。Rs 代表串联损耗，即代表引线电阻、电容器支架和极板电阻的损耗。电感L 由电容器本身的电感和外部引线电感组成。电容传感器的等效电路目录目录任务一任务一 高精度位移传感器的应用高精度位移传感器的应用 传感元件的有效电容Ce 可由式3-8求得(为了计算方便，略去Rs 和Rp)：（3-8）在这种情况下，电容的实际相对变化量为 目录目录任务一任务一 高精度位移传感器的应用高精度位移传感器的应用 2）测量电路 （1）调频测量电路 调频电路的测量原理目录目录任务一任务一 高精度位移传感器的应用高精度位移传感器的应用 传感器的电容作为振荡器谐振回路的一部分，当输入量导致电

6、容量发生变化时，振荡器的振荡频率也随之发生变化，其输出信号经过限幅、鉴频和放大器放大后变成输出电压。虽然可将频率作为测量系统的输出量，用以判断被测非电量的大小，但此时系统是非线性的，不易校正，因此必须加入鉴频器，将频率的变化转换为电压振幅的变化，经过放大就可以用仪器指示或记录仪记录下来。图中调频振荡器的振荡频率为目录目录任务一任务一 高精度位移传感器的应用高精度位移传感器的应用 调频电容传感器测量电路具有抗干扰能力强、灵敏度高等优点，可以测量高至0.01m 级位移变化量。信号的输出频率易于用数字仪器测量，并与计算机通信，可以发送、接收，以达到遥测遥控的目的。其缺点是寄生电容对测量精度的影响较大

7、。目录目录任务一任务一 高精度位移传感器的应用高精度位移传感器的应用 （2）运算放大器式测量电路 运算放大器的放大倍数很大，输入阻抗Zi 很高，输出电阻小，所以运算放大器作为电容式传感器的测量电路是比较理想的。运算放大器测量电路原理目录目录任务一任务一 高精度位移传感器的应用高精度位移传感器的应用 （2）运算放大器式测量电路 运算放大器的放大倍数很大，输入阻抗Zi 很高，输出电阻小，所以运算放大器作为电容式传感器的测量电路是比较理想的。运算放大器测量电路原理目录目录3.电容式传感器的特点与用途电容式传感器的特点与用途任务一任务一 高精度位移传感器的应用高精度位移传感器的应用（1）小功率、高阻抗

8、（3）自身发热小（2）小的静电引力和良好的动态特性（4）可以进行非接触检测目录目录 电容式传感器的用途电容式传感器的用途电容式传感器广泛地应用在位移、振动、角度、加速度等机械量的精密检测，目前检测范围已经扩大到了压力、液面和成分等方面的检测。任务一任务一 高精度位移传感器的应用高精度位移传感器的应用目录目录任务一任务一 高精度位移传感器的应用高精度位移传感器的应用 图中的膜片为动电极，两个在凹形玻璃上的金属镀层为固定电极，构成差动电容器。当被测压力或压力差作用于膜片并产生位移时，所形成的两个电容器的电容量，一个增大，一个减小。该电容值的变化经测量电路转换成与压力或压力差相对应的电流或电压的变化

9、。差动电容式压力传感器目录目录任务一任务一 高精度位移传感器的应用高精度位移传感器的应用 电容测厚传感器是用来对金属带材在轧制过程中厚度的检测，其工作原理是在被测带材的上下两侧各置放一块面积相等，与带材距离相等的极板，这样极板与带材就构成了两个电容器C1、C2。把两块极板用导线连接起来成为一个极，而带材就是电容的另一个极，其总电容为C1+C2，如果带材的厚度发生变化，将引起电容量的变化，用交流电桥将电容的变化测出来，经过放大即可由电表指示测量结果。目录目录任务一任务一 高精度位移传感器的应用高精度位移传感器的应用 音频信号发生器产生的音频信号，接入变压器T 的原边线圈，变压器副边的两个线圈作为

10、测量电桥的两臂，电桥的另外两桥臂由标准电容C0 和带材与极板形成的被测电容Cx(Cx=C1+C2)组成。电桥的输出电压经放大器放大后整流为直流，再经差动放大，即可用指示电表指示出带材厚度的变化。差动电容式测厚传感器目录目录1.自感型电感传感器自感型电感传感器二、电感式传感器任务一任务一 高精度位移传感器的应用高精度位移传感器的应用1）可变磁阻式传感器可变磁阻式传感器2）涡流式传感器涡流式传感器目录目录1）可变磁阻式传感器）可变磁阻式传感器由线圈、铁芯和衔铁组成封闭磁路，在铁芯和衔铁之间有气隙存在。磁阻为任务一任务一 高精度位移传感器的应用高精度位移传感器的应用目录目录可变磁阻位移传感器的典型结

11、构方案：可变导磁面积型差动型位移传感器单螺线管线圈型位移传感器任务一任务一 高精度位移传感器的应用高精度位移传感器的应用目录目录任务一任务一 高精度位移传感器的应用高精度位移传感器的应用 透射式涡流厚度传感器的检测范围可达1mm100mm，分辨率为0.1m，线性度为1%。电涡流测量金属板厚度目录目录任务一任务一 高精度位移传感器的应用高精度位移传感器的应用 透射式涡流厚度传感器的检测范围可达1mm100mm，分辨率为0.1m，线性度为1%。电涡流式转速传感器工作原理图目录目录任务一任务一 高精度位移传感器的应用高精度位移传感器的应用 当被测旋转轴转动时，电涡流传感器与输出轴的距离变为 d0+d

12、。由于电涡流效应，使传感器线圈阻抗随d的变化而变化，这种变化将导致振荡谐振回路的品质因数发生变化，它们将直接影响振荡器的电压幅值和振荡频率。因此，随着输入轴的旋转，从振荡器输出的信号中包含有与转速成正比的脉冲频率信号。该信号由检波器检出电压幅值的变化量，然后经整形电路输出频率为fn的脉冲信号。该信号经电路处理便可得到被测转速。目录目录2）涡流式传感器）涡流式传感器涡电流式传感器的变换原理是利用金属体在交变磁场中的涡电流效应。电涡流检测法的最大优点在于实现无接触检测，可对介质的内部进行探测。这种优点被广泛使用于材料的内部裂纹，涂层厚度等方面的检测。任务一任务一 高精度位移传感器的应用高精度位移传

13、感器的应用目录目录2.互感型电感传感器互感型电感传感器互感型电感传感器的原理是电磁感应中的互感现象，如图3-8所示，当初级线圈输入交流电时，次级线圈会产生电动势e，其大小与输入电流的变化率成正比，即式中，M为互感系数，与两个线圈相对位置及周围介质的导磁能力等因素有关，表明两个线圈之间的耦合程度。任务一任务一 高精度位移传感器的应用高精度位移传感器的应用目录目录互感式电感传感器多由变压器由初级线圈和两个参数完全相同的次级线圈w1、w2组成。任务一任务一 高精度位移传感器的应用高精度位移传感器的应用目录目录差动变压器式位移传感器的使用具有以下特点（1）可以在恶劣的环境下工作（2）由于差动变压器式位

14、移传感器的可动部分铁芯与固定部分线圈之间本质上是非接触的，理论上传感器的重复误差和回差为零，在实际使用中这两个误差也很小，这部分误差的控制往往是评价传感器的关键因素。（3）差动变压器式位移传感器工作时本质上没有摩擦，平均无故障的工作时间达到3106 h以上，较其他传感器高出12个数量级。任务一任务一 高精度位移传感器的应用高精度位移传感器的应用目录目录（4）差动变压器式位移传感器有很高的分辨力，实际的分辨能力取决于显示仪表的精度。（5）差动变压器式位移传感器有很宽的检测范围，正常产品检测范围为（2.550）mm，国家标准的型谱中规划此类产品的最大检测范围为600 mm，但是检测精度随着量程的增

15、大而降低。任务一任务一 高精度位移传感器的应用高精度位移传感器的应用目录目录（6）差动变压器式位移传感器输出信号大，在国家标准中规定：交流传感器的灵敏度量程10 mm以下的应为150 mV/mm，10 mm以上的应为50 mV/mm；直流位移传感器的满量程输出（10 V DC供电），量程10 mm以下的应大于0.5 V，量程10 mm以上的应大于2 V。任务一任务一 高精度位移传感器的应用高精度位移传感器的应用目录目录（7）差动变压器式位移传感器温度系数较小，因此适用于环境温度变化的场所；差动变压器式位移传感器的频域输出较宽（小于400 Hz），因此能满足一般的检测及控制系统的需求。任务一任务

16、一 高精度位移传感器的应用高精度位移传感器的应用目录目录任务一任务一 高精度位移传感器的应用高精度位移传感器的应用目录目录实训目标实训目标通过电感式高精度位移传感器和测量台装置共同组成系统，通过装配调试和检测多个圆柱体直径（精度在1 m以内），深入了解电感式高精度位移传感器的传感特性并比较位移检测方法的一般应用规程。实训一实训一 认识电感式高精度位移传感器认识电感式高精度位移传感器目录目录实训一实训一 认识电感式高精度位移传感器认识电感式高精度位移传感器目录目录实训一实训一 认识电感式高精度位移传感器认识电感式高精度位移传感器目录目录实训一实训一 认识电感式高精度位移传感器认识电感式高精度位移

17、传感器目录目录操作步骤操作步骤实训一实训一 认识电感式高精度位移传感器认识电感式高精度位移传感器（1）首先搭建检测系统（3）检测标准件（2）搭建检测平台（4）记录显示仪表示值，并填入表3-3中目录目录注意事项注意事项（1）高精度电感传感器一般量程很小，在使用中需要注意避免冲击、振动、超过量程的强迫位移等情况。（2）检测过程中，需要严格的洁净条件和温度环境。（3）检测中，需要注意测头与圆柱销的接触位置对10个圆柱销需要基本一致，以保证检测环境的恒定，检测头需要对准圆柱销中部的最高点区域。实训一实训一 认识电感式高精度位移传感器认识电感式高精度位移传感器目录目录通过熟悉激光高精度位移传感器，了解使

18、用激光传感器检测的一般原理和使用条件，掌握各种位移传感器的量程、精度等检测性能。任务二任务二 高精度激光位移传感器高精度激光位移传感器知识目标知识目标目录目录通过实践操作和检测，初步认识激光式位移传感器及其检测适应性，进一步理解工业中常用的位移检测特点及位移传感器的基本选用原则。技能目标技能目标任务二任务二 高精度激光位移传感器高精度激光位移传感器目录目录激光三角法：利用激光源发射一束激光照射到被测物体的表面时,通过漫反射后在光学检测器件上成像,根据其像点位置的变化和检测系统的结构参数可求出被测点的位移信息。精度可达0.01微米水平。知识链接知识链接任务二任务二 高精度激光位移传感器高精度激光

19、位移传感器目录目录图像传感器CCD：CCD作为移位寄存器，每个光敏元通常是一个MOS电容。在光照射下，光生少数载流子在光敏元中积聚，光敏元接受光照后，各光敏元所积蓄的电荷并行地转移到CCD读出寄存器上。一、图像传感器任务二任务二 高精度激光位移传感器高精度激光位移传感器目录目录固态图形传感器具有小型、轻便、响应快稳和定性好等优点，已经得到了广泛的应用。其主要用途如下。（1）用于物位、尺寸、形状以及工件损伤检测。（2）作为光学量信息处理的输入环节，如图像识别、文字识别、工业摄像机等。（3）用作自动生产过程的控制敏感元件。任务二任务二 高精度激光位移传感器高精度激光位移传感器目录目录任务二任务二

20、高精度激光位移传感器高精度激光位移传感器CCD 图像传感器测量物体尺寸的基本原理目录目录任务二任务二 高精度激光位移传感器高精度激光位移传感器 当所用光源含红外光时，可以在透镜与传感器间加红外滤光片。利用几何光学知识可以推导出被测对象长度L 与系统参数之间的关系式为 式中，f 为透镜焦距；a 为物距；M 为倍率；n 为线列阵CCD 图像传感器的像素数；p 为像素间距。目录目录任务二任务二 高精度激光位移传感器高精度激光位移传感器 若选定透镜(即焦距f，视场长度1 l 已知)，已知物距为a，那么所需传感器的长度l2可由下式求出：目录目录任务二任务二 高精度激光位移传感器高精度激光位移传感器CCD

21、 图像传感器测量物体尺寸的基本原理目录目录1.激光简介激光（LASER）是上世纪60年代发明的一种光源。LASER是英文的“受激放射光放大”的首字母缩写。若原子或分子等微观粒子具有高能级E2和低能级E1，在两能级间存在着自发发射跃迁、受激发射跃迁和受激吸收跃迁等三种过程。二、激光传感器任务二任务二 高精度激光位移传感器高精度激光位移传感器目录目录受激发射跃迁所产生的受激发射光，与入射光具有相同的频率、相位、传播方向和偏振方向。因此，大量粒子在同一相干辐射场激发下产生的受激发射光是相干的。受激发射跃迁几率和受激吸收跃迁几率均正比于入射辐射场的单色能量密度。当两个能级的统计权重相等时，两种过程的几

22、率相等。在热平衡情况下，所以受激吸收跃迁占优势，光通过物质时通常因受激吸收而衰减。外界能量的激励可以破坏热平衡,这种状态称为粒子数反转状态。在这种情况下，受激发射跃迁占优势。任务二任务二 高精度激光位移传感器高精度激光位移传感器目录目录 激光的特点在于：首先，激光是单色的，或者说是单频的。有一些激光器可以同时产生不同频率的激光，但是这些激光是互相隔离的，使用时也是分开的；其次，激光是相干光。相干光的特征是其所有的光波都是同步的，整束光就好像一个“波列”；再次，激光是高度集中的，也就是说它要走很长的一段距离才会出现分散或者收敛的现象。任务二任务二 高精度激光位移传感器高精度激光位移传感器目录目录

23、激光器有很多种，尺寸大至几个足球场，小至一粒稻谷或盐粒。气体激光器有氦氖激光器和氩激光器；固体激光器有红宝石激光器；半导体激光器有激光二极管，像CD机、DVD机和CD-ROM。由于激光的种种特性，使得激光应用于传感器领域优势极大，如激光光斑极小，可以用来测量很微小的位移，激光对物体没有任何压力，因而也不存在弹性变形问题，所示可以认为激光可以“真实”测量等等。任务二任务二 高精度激光位移传感器高精度激光位移传感器目录目录基于三角检测原理的激光位移传感器采用激光作为光源投射一个亮点或者直线条纹到被测物体表面，经物体反射的激光通过接收器镜头，被内部的CCD线型相机接收，根据不同的距离，CCD线型相机

24、可以在不同的角度下“看见”这个光点，根据这个角度及已知的激光和相机之间的距离，数字信号处理器就能计算出传感器和被测物体之间的距离。任务二任务二 高精度激光位移传感器高精度激光位移传感器2.激光三角法测距目录目录图3-18为激光三角法检测的原理图。当被测物体的表面位置从位置O移动到位置A时，位移变化量为l，反射光线在光电接收器上的像点相应地从O点移动到A点，位移变化量为s，则式中，s为像点的位移（m）；d为透镜的物距（m），即OM；d为透镜的相距（m），即OM；为入射光与成像透镜中心轴的夹角，即AOM；为光电接收器与成像透镜中心轴的夹角,即AOM。任务二任务二 高精度激光位移传感器高精度激光位移

25、传感器目录目录高精度激光传感器一般将检测电路和激光器以及CCD元器件集成封装，成为一个整体式的检测传感器，可以有模拟量和数字量接口直接连接于数字控制设备或者分析仪器、数据采集卡中。这些传感器普遍精度可以超过0.1 m，某些传感器如optoNCDT的2200高精度系列可以达到0.007 5 m的深亚微米级别。任务二任务二 高精度激光位移传感器高精度激光位移传感器目录目录任务二任务二 高精度激光位移传感器高精度激光位移传感器光干涉示意3.干涉测量目录目录长度测量是光学干涉测量最常见的应用之一。如要测量某样品的绝对长度，最简明的方法之一是通过干涉对产生的干涉条纹进行计数；若遇到非整数的干涉条纹情形，

26、则可以通过不断成倍增加相干光的波长来获得更窄的干涉条纹，直到得到满意的测量精度为止。常见的方法还包括惠普公司研发的惠普干涉仪，它通过外加一个轴向磁场使氦氖激光器工作在两个相近频率，从而发出频率相差2兆赫兹的两束激光，再通过偏振分束器使这两束激光产生外差干涉。任务二任务二 高精度激光位移传感器高精度激光位移传感器目录目录 长度测量的另一类情形是测量长度的变化，常见的方法如借助声光调制产生的外差干涉，差频信号所携带的相位差会被光检测器记录，从而得到长度的变化。在测量像熔凝石英这样热膨胀系数很低的材料的热膨胀系数时，还经常用到一种更精确的方法：将两面部分透射部分反射的玻璃板置于待测样品的两端，从而构

27、成一个法布里珀罗干涉仪。使用两束发生外差干涉的激光，并通过反馈将其中一束激光的频率锁定到法布里珀罗干涉仪的一个透射峰值频率上。这样，当样品发生热膨胀而改变法布里珀罗干涉仪的长度时，透射峰值频率的变化会引起被锁定的激光频率的相应变化，这一变化也会反映到外差信号中从而被探测到。任务二任务二 高精度激光位移传感器高精度激光位移传感器目录目录任务二任务二 高精度激光位移传感器高精度激光位移传感器机床用激光干涉仪目录目录1.光导纤维的构造和导光原理光导纤维是用比头发丝还细的石英玻璃丝制成的，每一根光导纤维由一个圆柱形芯子、包层、保护套组成。三、光纤式传感器任务二任务二 高精度激光位移传感器高精度激光位移

28、传感器光导纤维的基本构造目录目录光经过不同介质的界面时要发生折射和反射。一束光从折射率为n1的介质以入射角射向界面时，一部分透过界面进入折射率为n2的介质中，折射角为；另一部分光从界面反射回来，反射角为如图3-33所示。从折射定律知：n1sin=n2sin。任务二任务二 高精度激光位移传感器高精度激光位移传感器光的反射和折射目录目录任务二任务二 高精度激光位移传感器高精度激光位移传感器2.光导纤维的主要参数数数值孔孔径径色散色散传输损耗耗表示光纤的集光能力。光纤的集光能力越强，光纤与光源之间的耦合越容易。当一个光脉冲信号通过光纤时，由于光纤的色散，在输出端的光脉冲被展宽，出现明显失真的现象。当

29、光从光纤的一端射入从另一端射出时，光强将减弱，光在光纤中传播时产生了损耗。导致传输损耗的原因主要是光吸收和光散射。目录目录3.光纤传感器的工作原理光纤传感器是一种将被测对象的状态转变为可测的光信号的传感器。光纤传感器的工作原理是将光源入射的光束经由光纤送入调制器，在调制器内与外界被测参数的相互作用，使光的光学性质如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等发生变化，成为被调制的光信号，再经过光纤送入光电器件、经解调器后获得被测参数。整个过程中，光束经由光纤导入，通过调制器后再射出，其中光纤的作用首先是传输光束，其次是起到光调制器的作用。任务二任务二 高精度激光位移传感器高精度激光位移传感器目录目录任

30、务二任务二 高精度激光位移传感器高精度激光位移传感器3.光纤传感器的工作原理Eye-Catching Visual功能型光纤传感器功能型光纤传感器(简称简称FF FF 型型)非功能型光纤传感器非功能型光纤传感器(简称简称NFF NFF 型型)拾光型光纤传感器拾光型光纤传感器目录目录任务二任务二 高精度激光位移传感器高精度激光位移传感器功能型光纤传感器的原理目录目录任务二任务二 高精度激光位移传感器高精度激光位移传感器非功能型光纤传感器的原理目录目录实训目标实训目标通过激光高精度位移传感器和滑台装置检测一个物体的高度差，如图3-20所示，通过装配调试传感器和检测图中有0.5 mm左右高度差的金属

31、板，深入了解激光高精度位移传感器的传感特性与应用规程。实训二实训二 高精度激光位移传感器检测物体高度差高精度激光位移传感器检测物体高度差目录目录实训二实训二 高精度激光位移传感器检测物体高度差高精度激光位移传感器检测物体高度差目录目录实训二实训二 高精度激光位移传感器检测物体高度差高精度激光位移传感器检测物体高度差目录目录实训二实训二 高精度激光位移传感器检测物体高度差高精度激光位移传感器检测物体高度差目录目录操作步骤操作步骤实训二实训二 高精度激光位移传感器检测物体高度差高精度激光位移传感器检测物体高度差（1）首先搭建检测系统（3）检测测量板的高度差（2）装配检测平台（4）使用螺旋千分尺测量

32、不等高测量板的实际差距，对比记录值，将实际差距与数显表头显示数值差相除得到转换系数。目录目录实训二实训二 高精度激光位移传感器检测物体高度差高精度激光位移传感器检测物体高度差目录目录思考与练习思考与练习1.请设想一下如果将位移传感器作为检测物体表面粗糙度的仪器，使用电感式位移传感器检测物体表面，对于检测头需要什么要求，可根据表面粗糙度的国家标准进行检测设计。2.高精度激光位移传感器的检测是非接触的，请思考能否使用激光位移传感器作为检测物体表面粗糙度的传感器。思考与练习思考与练习目录目录思考与练习思考与练习3.在工业批量生产中有很多项目需要连续检测，要求检测速度能跟得上流水线生产的速度。请思考并论述：在高速度检测过程中，使用激光位移传感器和电感高精度位移传感器在原理上是否可行。思考与练习思考与练习