精密位移检测系统课件

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。技能目标任务一高精度位移传感器的应用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高精度位移传感器的应用任务一高精度位移传感器的应用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。任务一高精度位移传感器的应用1）变面积型电容传感器任务一高精度位移传感器的应用任务一高精度位移传感器的应用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。任务一高精度位移传感器的应用1.自感型电感传感器二、电感式传感器任务一高精度位移传感器的应用1）可变磁阻式传感器2）涡流式传感器1）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。磁阻为任务一高精度位移传感器的应用可变磁阻位移传感器的典型结构方案：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高精度位移传感器的应用2）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。任务一高精度位移传感器的应用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。任务一高精度位移传感器的应用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3×106h以上，较其他传感器高出1~2个数量级。任务一高精度位移传感器的应用（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10mm以下的应为150mV/mm，10mm以上的应为50mV/mm；直流位移传感器的满量程输出（10VDC供电），量程10mm以下的应大于0.5V，量程10mm以上的应大于2V。任务一高精度位移传感器的应用（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400Hz），因此能满足一般的检测及控制系统的需求。任务一高精度位移传感器的应用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1μm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。实训一认识电感式高精度位移传感器实训一认识电感式高精度位移传感器实训一认识电感式高精度位移传感器操作步骤实训一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。实训一认识电感式高精度位移传感器通过熟悉激光高精度位移传感器，了解使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。任务二高精度激光位移传感器知识目标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。技能目标任务二高精度激光位移传感器激光三角法：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。知识链接任务二高精度激光位移传感器图像传感器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、图像传感器任务二高精度激光位移传感器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。任务二高精度激光位移传感器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。二、激光传感器三角法测距任务二高精度激光位移传感器图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O′M；θ为入射光与成像透镜中心轴的夹角，即∠AOM；θ′为光电接收器与成像透镜中心轴的夹角,即∠A′O′M。任务二高精度激光位移传感器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，如图3-19所示，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0.1μm，某些传感器如optoNCDT的2200高精度系列可以达到0.0075μm的深亚微米级别。任务二高精度激光位移传感器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0.5mm左右高度差的金属板，深入了解激光高精度位移传感器的传感特性与应用规程。实训二高精度激光位移传感器检测物体高度差实训二高精度激光位移传感器检测物体高度差实训二高精度激光位移传感器检测物体高度差实训二高精度激光位移传感器检测物体高度差操作步骤实训二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。实训二高精度激光位移传感器检测物体高度差思考与练习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