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位移传感器的分类和原理

日期:2019-05-25 01:52
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摘要:
      位移传感器又称为线性传感器,它分为电感式位移传感器,电容式位移传感器,光电式位移传感器,超声波式位移传感器,霍尔式位移传感器。
  电感式位移传感器是一种属于金属感应的线性器件,接通电源后,在开关的感应面将产生一个交变磁场,当金属物体接近此感应面时,金属中则产生涡流而吸取了振荡器的能量,使振荡器输出幅度线性衰减,然后根据衰减量的变化来完成无接触检测物体的目的。
  电感式位移传感器具有无滑动触点,工作时不受灰尘等非金属因素的影响,并且低功耗,长寿命,可使用在各种恶劣条件下。位移传感器主要应用在自动化装备生产线对模拟量的智能控制。
  位移是和物体的位置在运动过程中的移动有关的量,位移的量测方式所涉及的范围是相当广泛的。小位移通常用应变式、电感式、差动变压器式、涡流式、霍尔传感器来检测,大的位移常用感应同步器、光栅、容栅、磁栅等传感技术来量测。其中光栅传感器因具有易实现数字化、精度高(目前分辨率*高的可达到纳米级)、抗干扰能力强、没有人为读数误差、安装方便、使用可靠等优点,在机床加工、检测仪表等行业中得到日益广泛的应用。
  原理
  计量光栅是利用光栅的莫尔条纹现象来量测位移的。“莫尔”原出于法文Moire,意思是水波纹。几百年前法国丝绸工人发现,当两层薄丝绸叠在一起时,将产生水波纹状花样;如果薄绸子相对运动,则花样也跟着移动,这种奇怪的花纹就是莫尔条纹。一般来说,只要是有一定周期的曲线簇重叠起来,便会产生莫尔条纹。计量光栅在实际应用上有透射光栅和反射光栅两种;按其作用原理又可分为辐射光栅和相位光栅;按其用途可分为直线光栅和圆光栅。下面以透射光栅为例加以讨论。 透射光栅尺上均匀地刻有平行的刻线即栅线,a为刻线宽,b为两刻线之间缝宽,W=a+b称为光栅栅距。目前国内常用的光栅每毫米刻成10、25、50、100、250条等线条。光栅的横向莫尔条纹测位移,需要两块光栅。一块光栅称为主光栅,它的大小与量测范围相一致;另一块是很小的一块,称为指示光栅。为了量测位移,必须在主光栅侧加光源,在指示光栅侧加光电接收元件。当主光栅和指示光栅相对移动时,由于光栅的遮光作用而使莫尔条纹移动,固定在指示光栅侧的光电元件,将光强变化转换成电信号源。由于光源的大小有限及光栅的衍射作用,使得信号源为脉动信号源。如图 1,此信号源是一直流信号源和近视正弦的周期信号源的叠加,周期信号源是位移x的函数。每当x变化一个光栅栅距W,信号源就变化一个周期,信号源由b点变化到b’点。由于bb’=W,故b’点的状态与b点状态完全一样,只是在相位上增加了2π。
  信号源处理
  1、辨向原理在实际应用中,位移具有两个方向,即选定一个方向后,位移有正负之分,因此用一个光电元件测定莫尔条纹信号源确定不了位移方向。为了辨向,需要有 π/2相位差的两个莫尔条纹信号源。如图2,在相距1/4条纹间距的位置上安放两个光电元件,得到两个相位差π/2的电信号源u01和u02,经过整形后得到两个方波信号源u01’和u02’。光栅正向移动时u01超前u02 90度,反向移动时u02超前u01 90度,故通过电路辨相可确定光栅运动方向。
  2、细分技术随着对量测精度要求的提高,以栅距为单位已不能满足要求,需要采取适当的措施对莫尔条纹进行细分。所谓细分就是在莫尔条纹信号源变化一个周期内,发出若干个脉冲,以减少脉冲当量。如一个周期内发出n个脉冲,则可使量测精度提高n备,而每个脉冲相当于原来栅距的1/n。由于细分后计数脉冲频率提高了 n倍,因此也称n倍频。
  通常用的有两种细分方法:其一、直接细分。在相差1/4莫尔条纹间距的位置上安放两个光电元件,可得到两个相位差90o的电信号源,用反相器反相后就得到四个依次相差90o的交流信号源。同样,在两莫尔条纹间放置四个依次相距1/4条纹间距的光电元件,也可获得四个相位差90o的交流信号源,实现四倍频细分。其二、电路细分。
  专用集成电路
  四倍频专用集成电路QA740210同时具有辨相和四倍频细分的功能,可将两路正交的方波进行四倍频后产生两路加、减计数信号源,可送双时钟可逆计数器进行加、减计数,也可直接送微型计算机(包括单片机)进行数据处理。
  1、特点:
  ⑴、数字化微分电路:4路微分信号源脉宽由主频周期决定,因此,是一致的,而且可在很大范围里方便地选择。
  ⑵、临界报警与过速报警两档速度提示:可在光栅运动速度接近极限值时给出临界报警信息,以便操作者及时控制光栅运动快慢。在速度超过极限值时本电路将给出出错信息。
  ⑶、优良零位控制:优良零位的设置将给操作者带来许多方便,如故障断电后的重新定位等。本电路有“到优良零位开始计数”和“到优良零位停止计数”,以及“与优良零位无关”三种工作模式。
  ⑷、片选:本电路设有片选端,可以构成多标数显系统。
  ⑸、COMS工艺:输入输出的电压电流与4000系列CMOS及LSTTL电路兼容。

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