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1、浙江大学硕士学位论文光机电磁电流位移比较仪的研究姓名：马加兴申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：李伟20030101浙江大学硕士论文第一章绪论【摘嚣】本章首先介绍了位移检测技术的产生和发展状况，在此基础上综述了目前大位移检测按术鳃现状，分析了大位移检测研究蛇发震动您靼需要解决的阀题；最后阚明了论文研究目的和意义，确立了本文的研究内容和方法。卜1 位移检测技术发展概述位移检测技术静产生来潦于人类认识宣然的内在需求，并随着王渡技术鹣发展在不断地进步。位移检测锻工程中非常重骤，应用十分广泛。工程上有诲多较摭参量，熬速度，力，拯瓣，滚量笛，往缝走把它稍交换藏位移，再进行检测。例如用水银温度计
2、测量温度时，实际上是测掇毛细瞥中水锻茬位移“；爱援矩纹测鬃拯矩对，实际上是测量缝矩仪中豹弹援霓l 孛在掇矩作熙下的变形位移等“1 。对饿移的检测还可以间接地检测速魔，加速度和力等物理量，对位移这一类物理量的捻测积按铡睫处霹见。爨本电子工业振兴协会予1 9 9 2 年对全日本进行传感器需求调查，结果表明位移和温度稔钡9 需求的调查响应数最高。位穆检测在谗多部门都有相当大的满求”1 ，如图l l 所示。强l l 链移检溪l 需求行韭分布不同工况下，对位移检测要求侧重点有所麓别。电梯是人们日常生活中经常使爝弱王其，轿藉蕴鬟捡溺是毫撵系绞必绥逶簿瓣王俸，谴置僚患捡测耪控裁耩度影响藉电梯的性能，人们总是
3、希望路酾平坦无坎，所以电梯停靠的越准确越好。一毅电檬豹乎滕误差要强予5 l O m m 右会爱人感觉安全窳爨适t 嚣此在魄撵懿熬个行程控制中，位移信号检测精度起码慕小于5 m 蜘。另外，电梯系统对位移检测系统还要求响应速度快，精度好。1 。6浙江大学硕士论文在工程机械上，常常使用挖掘机、推土机进行工程建设。控制铲斗进行挖土或卸物等作业，必须获得一定精度的铲斗位移信息。由于现场工况比较恶劣，所以一般要求位移检测仪器有较强抗干扰能力n 】。位移检测还包括液位检测，它在石油化工行业中需求广泛，如油罐的液面位置检测等。人们无法观察到四五米高的密封油灌内原油液面高度，油罐是否盛满等信息，这就需要利用位移
4、传感器进行液面检测。1 。这里对传感器有防易燃易爆的要求。位移检测效果的好坏往往影响着系统的控制效果。虽然位移检测在不同工况下检测要求侧重点有所不同，但其基本要求相似，都希望快速、准确、可靠而又经济地实现位移测量，即一工作范围或量程足够大，具有一定过载能力；二转换灵敏度高，输出信号与输入信号成线性关系；三反应速度快，工作可靠性好；四适用性和适应性强，动作能量小，对被测量对象状态影响小；内部噪声小而又不易受外界干扰；五使用经济，成本低，寿命长，易于使用，维修和校准；位移传感器的发展经历了两个阶段：经典电磁位移传感器阶段和半导体位移传感器发展阶段”“1 。经典电磁位移传感器阶段。八十年代以前，人们
5、以经典电磁学为理论基础，把不便于定量检测和处理的位移、速度等物理量转换为易于定量测试、便于作信息传输与处理的电学量，经典的位移传感器，如电阻式、电感式、电容式位移传感器等，都以电磁学原理和物理定律为工作原理。半导体位移传感器发展阶段。进入九十年代以来，随着半导体材料技术的发展，位移传感器技术水平提高到一个新的阶段。许多已经比较成熟的经典电磁传感器由于采用半导体技术而焕发新青春。涌现出批基于半导体光电特性的新型传感器，它们以光束( 波) 为信息载体，具有非接触，高精度等特点，引发了位移传感器技术革命，使测试由接触测量向非接触测量发展，跃上一个新的台阶，是现代传感器技术和学科的重要分支之一。由于位
6、移测量应用场合的多样性，形成了各种各样的位移传感器。常用位移检测传感器分类”1 如图1 2 所示。一塑兰查兰堡圭堡塞图l 一2 常用位移检测传感器分类其中以采用电阻变化规律为原理的电位器式位移传感器和以磁电效应为原理的电感式位移传感器应用最广泛，两者占据了市场8 0 以上份额0 1 。在高精度位移检测要求场合，一般采用光栅进行位移检测“。三菱公司的电梯系统轿箱的位移检测一般使用光电编码器；F E S T O 公司的带位移检测的闭环气动系统一般使用电位器式位移传感器；B O S I 公司的产品中小位移的检测使用差动式电感位移传感器；大位移检测用电位器式位移传感器“。l 2 大位移检测技术的研究现
7、状现代位移传感器的研究主要集中在以下几个方向：高精度与大量程，智能化检测，微型化和集成化”“。其中，大量程位移检测( 包括直线位移和角度位移) 是近年来的一个研究热点“。随着工业技术的发展，对传感器要求越来越高，已不只是简单地获取位移信息，而且还要求传感器具有测量范围大、精度高等性能。“，此外，还必须具备数字化或线性化输出的能力。为此，近二、三十年来国内外有较多科研人员对大位移检测技术进行了研究，并先后发明和设计了不少量程大、精度高的大位移传感器。如直线感应同步器、光栅式位移传感器和威德曼效应位移传感器等“”。电位器式位移传感器是最常用的位移一电压转换器，它具有结构简单，移动电刷重量轻，可以测
8、量较大位移的特点，受环境影响小，输出信号较大。但是电位器式位移传感器是接触式工作，存在摩擦和磨损，不能在导电介质环境中使用m l m 。为了提高传感器的耐磨性能及动态响应性能，工业上应用较多的是导电塑酷 献筘搦删瓤一一一一一一浙江大学硕士论文I ：、I 。经避党电接浚器转羧，获褥与笼强袋_ 芷魄煞惫滚穰号，霹敬避一步转化为与光强成磁比的电压信号。对此电压信号谶一步作放大、低通滤波处理，可以表示必U ，= K 3 t 。( 8 )U 2 = K 3 1 2两电压信号做差运算U = U ；- - U ：( 9 )该电压差控制线阙电流，使得法拉第旋党器所弓| 怒磁致转角与越偏器旋转引起的线偏振光旋转
9、角度完全抵消，即u 趋于O 。测攫此时的线圈电流I ，即可得蹬位移量。因为鼗辩8 。一8 ：，根据式( 2 ) 、( 5 ) 褥k 必，馥2 必；鸲。层；p B L = ：I L 石，( 1 0 )实现了电流位移之间的线性关系。以上过程可用圈2 一l l 表示为：机口4 - 。3 9 斗l 茎主新H 鬻H 譬P直毒一L JL 一L 一拽槭转Jf 一位 换口+ A82升唯B，k 门1ZZ_AA1 r移_ 杭 蝴一盔卜圈制慧E图2 一1 1 光机电磁电流位移比较仪系统图2 3 4 同光源双光路差动比较方案性能分析i 灵敏度灵敏度分随个方两。一方颓线圈稳定电流囊接反应了直线位移，根据式( 1 0 )
10、 ，灵敏度为pK ：乙。因测整值是在AU - - - - 0 对确定的，所戳要确保该灵敏凌，两路光电转换部分在U = 0 ，即o ，= ez 时有最犬灵敏度。为获舣最大凳敏度，引入函数浙江大学硕士论文：K ，Lc 1 0 s ：( ：+ 岛一吼) 一K ，l oC O S 2 ( + B 一口：)1 1 n 为起偏器与检偏器1 光轴预置夹角B 为检偏器1 与检偏器2 光轴预置夹角当旋光器使线偏振光旋转的角度与起偏器使线偏振光旋转的角度相等时，U 等于零，线圈电流维持不变。即：A U l B A 岛；o = 0欲使U = 0 关于B A O ：获得最大分辨率，则需满足下式a u ，。有极值 0
11、( a O , - 0 2 ) I a O t - 6 0 2 。闩。“咀即满足：丝竺一1 。：0 j i i i j i i i ：j ：i i 了l6 岛一6 8 2 。一可取一组满足条件值：a = 4 5 0 ，B = 1 3 5 0光电转换部分具有恒定的可具有的最大灵敏度K a I o 。2 传感器量程i _ + 连续骺曲夕 。日1 _”。7 r一图2 - i 1 连续化处理以上分析局限于- - 4 5 ”4 5 。范围内，分析式( 6 ) ，可知函数x = 一kn 2 对称，故对大角度可以实现分段测量( 分段处理的原因是磁致旋角0 ：不能随Ae浙江大学硕士论文- 无限增大) ，在每周
12、期内电流与位移( 角度) 成线性关系。设在 一n 4 ，n 4 内电流与位移所引起的0 角度关系为i = k O则全程输出电流i 经过简单数字连续化处理后可得i ：一n k r c + k ( o 一竺、42r l 为整数，表示周期数。以上连续化过程可以用图2 1 1 表示n 通过检测线圈电流变化，软件实现整周期数计数，确定n 数值，且误差不会累积。从而实现任意角度的测量，通过机械转换结构，实现大位移的测量。3 误差分析磁致旋角与电流对应关系可以认为完全线性关系( 在一个周期9 0 度内) ，电流测量误差即位移测量误差，电流测量精度容易达到千分之一以上，称之为直接误差。同时本传感器采用光强差动
13、比较作为控制源，有一个0 。到0 ：转换过程，Ae 。与0 。的接近性称为间接误差。当两光强信号相等时f ( A O I A O z ) = K 3 厶C O S 2 ( 4 5 0 + p l 一0 Z ) 一K 3 I oc o s 2 ( 1 3 5 0 + B 一岛) = 0在对称情况下，光电处理电路温飘、光强I 变化( 因为采用同一个光源) ，将相互抵消，即式中K ，。不变化或者变化相同。下面讨论不对称条件下误差情况。不对称包括两方面：一，光路不对称，在图3 中，去掉偏振片后( 或者说当两检偏器分别与起偏器夹角相同的情况下) 光电接收器1 和2 所接收到的光强是不同的，这种情况一般是
14、存在的，L E D 投射到接收面上是一个圆形光斑，我们不能或者说不容易保证圆斑内光强是均匀分布的，称光路不对称I 。在光源发光强度发生变化情况下，在圆斑内任意两点光强变化倍数未必是一样的，称为光路不对称I I 。不对称二，电路不对称，也包括两个方面，两电路放大倍数上的不一致，称为电路不对称I 。显然这种不一致是必要的，光路不对称I 、光电二极管放大倍数不一致等需要由放大倍数来调整，使得两路电信号一= U ：一，从而具有可比性，满足运用差动比较原理的条件。电路不对称是指在相同的温度等环境变化下，放大倍数漂移不一致。下面证明测量准确度与光源发光强度变化完全无关，唯一相关的是光路不对称与电路不对称I
15、 I 。设在两光电接收处光强分别为，们、0 2 ，电路处理分别放大倍数分别足l ，K 2 使得U 1 = U 2 。= K l l 0 1 = K 2 1 0 2 ，则初始标定f ( A e l A 0 2 ) = K I 厶lc o s 2 ( 4 5 0 + 口l - z X 0 2 ) 一K 2 1 0 2c o s 2 ( 1 3 5 0 + 吼一6 1 ) = 0浙旺大学硕士论文繇嵩瑟光强信号耪簿露矗鼋= 岛由予备静因豢影响，光源发光强度交纯k 嵇( 接近光源处餐选定一点佟为参考点) ，导致两光黩接收处光强分另n 变他为峨，I o 。、民：，。：，又由于电路漂移，毫貉放大嵇鼗交傀洚：
16、、K i ，裂警嚣穗每耀等薅f ( A O 一毋2 ) = 拦；x 童K l ，C O S 2 ( 4 5 。+ 馥一, 5 0 2 ) 一鬣；砭3 K 3 矗2 C O S 2 ( 1 3 s 。+ z x 0 1 一A 0 2 ) = 0 F o , - a o ：l 一 严甄一l = 叫陬一卜可见闻接误差与免潞不对称 _ 乏N N N 稀I t i 裙关。光路不对称I 与光强不稳有关系，僵纂本主被漕除了。I 圭t - T - K ；，与瑞，与趸i 分裂吴蠢阊向关慈，所以影响很小。对此做实验，所测擞光斑距L E D l 6 c m ，敬与光斑中心对称，耀聚0 ，5 c m 两点髂为测羹点。警光源巍强交证2 0 噩内，受测爨仪器狳tr 17r P ，
