传感器与检测技术项目二位移检测课件

1、传感器技术与应用项目二：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、输出信号大、性能稳定并容易实现任

2、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A、B之间的电压为Umax,则

3、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分别为电阻灵敏度、电压灵敏度;为导

4、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,虽有微小位移,但电阻值并

5、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个小阶跃。机械式位移测量仪

6、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位移测量仪任务一：机械式

7、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位移测量仪任务一：机械式

8、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任务一：机械式位移测

9、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：机械式位移测量仪2. 阶梯误差与

10、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、电阻温度系数小，强度高

11、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。一般用作一些需要基本精准

12、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ICL7

13、139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，目

14、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

17、位移传感器在机床工作台上的应用 5.细分技术 另一种方法是采用栅距细分技术，由于细分后计数脉冲提高了n倍，所以细分又称倍频，细分后可以在不增加刻线数的情况下较大地提高光栅的分辨力。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 常用的细分方法有四倍频细分法、十六倍频细分法、计算机细分法等。 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 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

18、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 当光栅向左移动时，莫尔条纹向上移动，光电元件1和2分别输出如图2-23所示的电压信号u1、u2,经放大整形后得到相位相差90的两个方波信号和。经反相后得到。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 和经RC微分电路后得到两组光脉冲信号和分别加到与门Y1和Y2的输入端。对与门Y1来说，由于处于高电平时，总是低电平，故脉冲被堵塞Y1无输出。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 对

19、与门Y2来说，由于处于高电平时，正处于高电平，故允许脉冲通过，并触发加减控制触发器使之置“1”。可逆计数器对与门输出的脉冲进行加法计数。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 同理当光栅反向移动时，输出信号的波形如图所示，与门Y2阻塞，输出脉冲信号使触发器置“0”，可逆计数器对与门输出的脉冲进行减法计数。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 这样每当光栅移动一个栅距时，辨向电路只输出一个脉冲，计数器所计之脉冲数即代表光栅位移x。一、光栅的构造二、工作原理三、辨向原理四、细分技术任务二：

20、光栅位移传感器在机床工作台上的应用 细分技术m细分即分辨率W/m 在主光栅移动一个栅距过程中，产生m个彼此相位差360/m的正弦交流信号一、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 m个ui波形依次产生m个过零脉冲，于是，与光栅位移x对应的过零脉冲计数值即位移的数字测量结果为：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 1.直接细分 直接细分又称位置细分，通常为四细分。是用四个依次相距H/4的光电元件，获得依次相差90相角的四个正弦交流信号。主光栅每移动一个栅距，将产生四个过零计数脉冲，从而实现四

21、细分。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 2.电位器桥(电阻链)细分（1）电位器移相原理一、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、细分技术若则任务二：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 （2）48点电位器桥细分电路 将位置细分得到的四个相位差90的输出信号Umcos、Umsin，-Umcos、-Umsin加到电位器桥细分电路，使图259-48中第i个电

22、位器电刷两边 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 电阻比值为： 就可从这48个电位器的电刷端得到48个相位差360/48的信号，这样就达到了48细分的目的。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、细分技术任务实施任务实施1.检测系统结构 根据光栅传感器的工作原理分析，工作台位移检测系统的结构示意图如图2-28所示。它由光栅位移传感器、信号差分放大器、整形电路、辩向电路、计数器和PC接口等电路组成。任务实施任务实施（1）传感器电路与信号放大电路

23、 由传感器莫尔条纹信号实现位移量转换为电信号，光电转换器件选硅光电池，莫尔条纹信号采用4极硅光电池接收。任务实施 光栅栅距W，可得最小读数值W/4。同时，输出电压信号输入给差动放大器进行放大。任务实施（2）整形和辩向电路 采用信号比较电路进行整形。对4路正、余弦信号进行整形，首先把它们整形为占空比为1：1的方波，而且数字0，1的电平符合TTL电平。任务实施 根据莫尔条纹输出的四路信号，间隔90度相位差，用2个不同计数器分别记录莫尔条纹上移和下移所形成的脉冲数，即可实现辨向。任务实施（3）PC接口卡 放大、整形和判向电路输出苻合TTL电平的脉冲信号，可逆脉冲计数电路将串行脉冲变换成16位的并行二

24、进制数字信号，最后通过PC计算机IO接口卡送入计算机。任务实施2.光栅传感器的安装 光栅尺在机床上的安装如图2-29所示。过度页任务三、简易汽车倒车雷达任务引入任务引入 汽车倒车雷达全称叫“汽车倒车防撞雷达”，也叫“汽车泊车辅助装置”，是汽车泊车或者倒车时的安全辅助装置。任务引入 能以声音或者更为直观的显示告知驾驶员周围障碍物的情况，解除了驾驶员泊车、倒车和起动车辆时前后左右探视所引起的困扰，并帮助驾驶员扫除了视野死角和视线模糊的缺陷，提高驾驶的安全性。任务分析任务分析 简易汽车倒车雷达可以利用超声波的特点和优势，将超声波测距系统和单片机结合于一体，设计出一种基于AT89C51单片机的汽车倒车

25、雷达系统。任务三、简易汽车倒车雷达 振动在弹性介质内的传播称为波动，简称波。其频率在162104 Hz之间，能为人耳所闻的机械波，称为声波；低于16 Hz的机械波，称为次声波；一、超声波分类二、超声波传感器三、超声波传感器的应用 任务三、简易汽车倒车雷达 高于2104 Hz的机械波，称为超声波, 如图10-1所示。频率在310831011 Hz之间的波，称为微波。 一、超声波分类二、超声波传感器三、超声波传感器的应用 任务三、简易汽车倒车雷达一、超声波分类二、超声波传感器三、超声波传感器的应用 声波的频率界限图 任务三、简易汽车倒车雷达 当超声波由一种介质入射到另一种介质时，由于在两种介质中传

26、播速度不同，在介质界面上会产生反射、折射和波型转换等现象。 一、超声波分类二、超声波传感器三、超声波传感器的应用 任务三、简易汽车倒车雷达 超声波的波型及其传播速度声波的波型不同。通常有以下几种。 纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波，它能在固体、液体和气体介质中传播；一、超声波分类二、超声波传感器三、超声波传感器的应用 任务三、简易汽车倒车雷达 横波：质点振动方向垂直于传播方向的波，它只能在固体介质中传播；一、超声波分类二、超声波传感器三、超声波传感器的应用 任务三、简易汽车倒车雷达超声波的反射和折射 声波从一种介质传播到另一种介质，在两个介质的分界面上一部分声波被反射，另一部分透射过界

27、面继续传播。这样的两种情况称之为声波的反射和折射。一、超声波分类二、超声波传感器三、超声波传感器的应用 任务三、简易汽车倒车雷达 当波在界面处产生折射时，入射角的正弦与折射角的正弦之比等于入射波在第一介质中的波速c1与折射波在第二介质中的波速c2之比，即一、超声波分类二、超声波传感器三、超声波传感器的应用 任务三、简易汽车倒车雷达 当超声波垂直入射界面，即在=0时，则反射系数和透射系数为一、超声波分类二、超声波传感器三、超声波传感器的应用 任务三、简易汽车倒车雷达 若2c21c1，则反射系数R0，透射系数T1，此时声波全部从第一介质透射入第二介质；若2c21c1，反射系数R1，则声波在界面上几

28、乎全反射。一、超声波分类二、超声波传感器三、超声波传感器的应用 任务三、简易汽车倒车雷达 同理，当1c12c2，反射系数R1，声波在界面上几乎全反射。一、超声波分类二、超声波传感器三、超声波传感器的应用 任务三、简易汽车倒车雷达5.超声波的波速与波长 超声波的波速C、波长、频率f之间有下列关系： C = f 超声波的传播速度与介质密度和弹性特性有关。一、超声波分类二、超声波传感器三、超声波传感器的应用 任务三、简易汽车倒车雷达 超声波在气体和液体中传播时，由于不存在剪切应力，所以仅有纵波的传播，其传播速度c为： 式中：介质的密度； Ba绝对压缩系数。 一、超声波分类二、超声波传感器三、超声波传

29、感器的应用 任务三、简易汽车倒车雷达6.超声波的干涉 如果在一种介质中传播几个声波，于是会产生波的干涉现象。由不同波源发出的频率相同、振动方向相同、相位相同或相位差恒定的两个波在一、超声波分类二、超声波传感器三、超声波传感器的应用 任务三、简易汽车倒车雷达空间相遇时，某些点振动始终加强，某些点振动始终减弱或消失，这种现象称为干涉现象。两个振幅相同的相干波在同一直线上彼此相向传播时叠加而成的波称为驻波。一、超声波分类二、超声波传感器三、超声波传感器的应用 任务三、简易汽车倒车雷达 每相距/2的这些点上，介质保持静止状态，这些点称为节点，节点之间对应介质位移最大的点称为波腹。一、超声波分类二、超声波传感器三、超声波传感器的应用 任务三、