几何学量检测技术重点

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1、第6章 几何学量检测技术,6.1 模拟式位移检测技术 6.2 数字式位置测量技术 6.3 厚度检测,6.1 模拟式位移检测技术,6.1.1 电位器式位移传感器 德国VOLFA位移传感器（电子尺）用导电塑料做成电阻轨， 用不锈钢轴承承托， 用稀土金属多指接触片作电刷， 操作顺滑紧密， 信号稳定， 噪音低， 寿命极高（100106次）， 测量长度为501000 mm， 重复度为0.013 mm， 线性度为0.05%。 适合位置测量及自动化控制等。 详细资料可查阅http： / 电阻应变式位移传感器 电阻应变式位移传感器的位移测量范围较小，在0.1 m0.1 mm之间，其测量精度小于2，线性度为0.

2、1%0.5%。 图61是应变式角位移传感器的结构图。 在悬臂梁上粘贴有应变片，悬臂梁的自由端有一触点与可转动的凸轮相接触， 当凸轮随转轴转动时， 推动悬臂梁产生应变，由电阻应变片转换成电阻值变化量， 测量电阻变化量，便可确定转轴转动角度的大小。,图6-1 应变式角位移传感器结构示意图,6.1.3 电感测微仪 图6-2为电感测微仪结构图及其测量电路框图。 电感式传感器接成桥式电路， 由振荡电路提供激励电源。 不平衡电桥输出的调幅信号经交流放大、 相敏检波后， 输出与衔铁位移成正比的电压， 送指示器显示被测位移。 使用时， 将测头接触被测物表面， 可测量位移及物体表面粗糙度等。,图6-2 电感测微

3、仪及其电路框图 （a） 轴向式测头； （b） 测量电路框图,常用的电感测微仪为CDH型，其量程分为3 m、 10 m、50 m和100 m五挡，各挡相应的指示仪表分度值为0.1m、0.5 m、1 m和5 m。 同样原理，差动变压器也常用来测量位移。表6-1列出了WY系列差动变压器式位移传感器的主要技术指标。,表6-1 WY系列位移传感器的主要技术指标,6.1.4 电容式位移传感器的实用结构T 电容式位移传感器的位移测量范围在1 m10 mm之间， 变极距式电容传感器的测量精度约为2，变面积式电容传感器的测量精度较高， 其分辨率可达0.3 m。 图6-3是一个差动变面积式电容位移传感器的应用结构

4、图。 它主要由两个固定电极6和活动电极8构成变面积式电容传感器。 活动电极8被固定在测量杆1上，并由两个带槽簧片2所定位。 为使测量杆1与被测物体可靠接触，在测量杆1的上端装有弹簧3。 当进行测量时，测量杆1带着活动电极8随被测物体的位移而移动，从而使活动电极8与固定电极6之间的遮挡面积发生变化， 使它们之间两个电容量发生大小相等、极性相反的变化。 电容量的变化由三根引线5与外接检测电路相连， 完成对物体位移量的检测。 这种传感器的线性范围宽，分辨率高，可使用在要求测量精度高的场合。,图6-3 电容式位移传感器的应用结构图,6.1.5 光电式位移传感器 如图6-4所示是反射式光电位移传感器的工

5、作原理图。 图中1为脉冲闪光灯， 由脉冲电源供电点火。 脉冲闪光灯产生的光脉冲投向反射镜2，经反射镜2再投向与被测物体4相连的返转反射镜3上。 当脉冲闪光灯闪光时， 脉冲电源还向示波器8的X轴输入端输入扫描电压， 使示波器上出现一条水平扫描线。,图6-4 反射式光电位移传感器工作原理图,由返转反射镜3反射回来的光脉冲经反射镜2、 平面反射镜5反射后，由聚焦透镜6聚焦后投射到光电倍增管7的阴极上。 光电倍增管7在光脉冲作用下产生的电脉冲经放大器放大后， 输入给示波器8的Y轴输入端。这样，在示波器的水平扫描线上就会出现一个反射信号的脉冲。由于扫描起始时间与脉冲闪光灯输出的光脉冲同用一个脉冲电源工作

6、， 它们在时间上是同步的。 所以， 从扫描的起始点到反射脉冲出现的时间就是光脉冲从发射到返回来传播所需的时间，即t2S/C。式中，S为从反射镜到被测物之间的距离；C为光在空气中的传播速度。 当被测物体产生位移时， 只要由示波器的标志脉冲和位移脉冲的时间间距， 测得发生位移后的时间变化， 即可得到物体的位移量。,6.1.6 光纤位移传感器及其应用 1. 光纤位移传感器的原理与特性 光纤位移传感器可分为元件型（FF型）和天线型（拾光型）两种型式。 天线型光纤位移传感器的工作原理如图6-5所示。 其中， （a）为传感器的工作原理。 由恒定光强的光源发出的光经耦合进入入射光纤， 并从入射光纤的出射端射

7、向被测物体， 被测物体反射的光一部分被接收光纤接收， 根据光学原理可知反射光的强度与被测物体的距离有关。 将反射光的强度通过光电转换和处理电路输出电信号， 测量电信号的变化即可得到物体的位移。,图6-5 天线式光纤位移传感器的工作原理与特性 （a） 工作原理； （b） 光反射原理； （c） 输出特性,如图6-6所示为光电转换及放大电路。 光电转换元件通常使用光敏二极管， 放大电路由两级运算放大器组成。 为保证转换的稳定性， 电路中的电阻应选用温度系数小的精密电阻， 电容器应选用漏电小的涤纶电容器。,图6-6 光纤位移传感器光电转换及放大电路,2. 光纤位移传感器的应用 如图6-7所示是用光纤传

8、感器测量立式铣床主轴变位量的装置简图。传感器由两段光纤构成。当两段光纤之间产生相对位移时，通过的光强便发生变化，从而可测量位移值。,图6-7 光纤传感器测量主轴变位量的装置,6.1.7 激光扫描测径仪 激光扫描测径仪原理图如图6-8所示。 同步电机1带动位于透镜3（能得到完全平行光和恒定扫速的透镜）焦平面上的多面反射镜2旋转， 使激光束扫描被测物体4， 扫描光束由光电器件5接收转换成电信号并被放大。 为了确定被测物轮廓边缘在光电信号中所对应的位置，采用了两次微分电路，其输出波形如图6-9所示。其中，图6-9（a）中， 由于物体轮廓的光强分布因激光衍射影响存在缓慢的过渡区而不能准确形成边缘脉冲。

9、 为了尽量减小衍射图样， 除了选取短焦距透镜外， 还采用了电路处理方法。 在一般的信号处理中， 取最大输出的半功率点（即I0/2）作为边缘信号。 这种方法受激光光强波动、 放大器漂移等影响而不易得到高的精度。,为了得到较高的测量精度， 可对光电信号通过电路二次微分，并以二次微分的过零点作为轮廓的边缘位置。这种方法在激光光束直径为0.8 mm的情况下， 可得到1 m的分辨率和3 m的测量精度。二次微分电路的输出经控制门电路， 让时钟脉冲在表征轮廓边缘的电脉冲之间通过， 经电路运算处理， 最后以数字形式显示出被测直径。,图6-8 激光扫描测径仪原理图,图6-9 检出被测轮廓边缘两次微分输出波形,6

10、.1.8 用PSD测量移动物体的位置 1. 测量原理 如图6-10所示，在被测物体上安装发光二极管LED， 通过设置在PSD前面的聚光透镜， 在受光面上得到光点。选择合适的PSD受光面积， 确保这光点进入受光面。当位于PSD前面的物体在一定范围内左右移动位置时，LED随之移动，通过聚光透镜在PSD上成像， 测量该移动点像， 根据简单的几何光学计算即可得到被测物体移动的位置。 按图中数据，光点直径为5 mm20/200= 0.05 mm，光点移动范围为1000mm20/2000=10 mm。因此，选择受光面为112 mm的一维PSD。,图6-10 测量在左右方向移动物体的位置,2. 信号光源与偏

11、置电压的选择 如果被测量对象、 光源及PSD在外部有遮挡的情况下， 可采用在其敏感波长范围内的任何光源。 然而， PSD多在周围有光（白炽光、 荧光、 水银光、 太阳光等）的情况下使用， 这就要采用可见光截止型（窗口材料）的PSD， 信号光源使用红外LED及白炽灯。 还可以根据周围光的强度调整PSD的饱和电流值标准， 使PSD能在一定的周围光强度下具有位置检测功能。 电极间电阻越低， 反向偏置越大， 饱和电流越大， 在周围光为强光的情况下， PSD照样能工作。,3. 响应速度与电极间电阻和反偏置电压的关系 在PSD受光面上光点位置高速移动以及信号光源为脉冲灯光而消除周围的光成分时， PSD需要

12、高速响应工作， 应选用电极间电阻小的PSD， 加上较大的反偏置电压，在结电容较小的状态下使用。 响应时间约为 1 s左右。,4. 位置检测误差 PSD位置检测误差最大约为全受光长度的2%3%。 若要求检测精度更高时， 可使用查表补偿或调整增益等方法。,5. 电极间电阻与位置分辨率 位置分辨率是指在PSD受光面上能检测的最小变位， 用受光面上的距离x表示为,（6-1）,式中，I0=I1+I2，(I2-I1）为x引起的(I2-I1）变化量。 若电流差为无限小，则电流I1和I2中含有的噪声电流分量决定了位置分辨率。 电路中含有的噪声电流分量主要有三种， 即电流中含有的散粒噪声电流、 电极间电阻产生的

13、热噪声电流和运放的输入换算噪声电压除以电极间电阻的电流等。,6.1.9 数字式超声波测距仪 图6-11是用数字测距专用集成电路SB5027组成的数字式超声波测距仪电路原理图。 集成电路SB5027为CMOS大规模集成电路， 电路内有动态数码信息输出电路、 键盘操作电路、 数据存储电路、 参数设定电路、 准确度校正电路等全部仪表电路功能， 而且外围电路特别简单， 是一种功能齐全的超声波测距专用电路。,图6-11 数字式超声测距仪电路原理图,SB5027采用40/44脚QFP、 DIP及PLCC封装形式， 能输出5位数码和14位符号的距离、 状态信息， 可进行人机对话。 SB5027内部集成有中央

14、处理器、 存储器、 日历、 分频器、 比较器、 标准40 kHz超声波发生器以及回波响应脉冲接收处理器。 发射频率稳定度高， 与外置振荡电路相比， 不易受温度、 湿度和元件参数一致性影响而改变频率。,该超声波测距仪采用动态跟踪数字显示方式。 它有六位数字显示和六种状态显示， 其中S为秒信号显示， B为报警信号输出显示， YJ为距离报警开关接通状态显示， SX、 ZX、 XX分别为三个限值信号输出。 全键盘共15个键， 其中09为数字键， 用来输入各预置参数的设定， 其余5个键为功能键。 在数字键中“0”、 “1”、 “2”、 “3”为双功能键。 “0”为显示消隐键， 按下此键后， 显示器消隐，

15、 可节省电能。 “1”键又可作月日显示操作， “2”键可作时分显示操作， “3”键可作距离显示操作。 在五个功能键中， MUP键为进入参数设定菜单/向前翻页键， SEC键为退出设置状态键， STP为测量精度定标键， ALM为报警声开关， ENT为参数存储设定键。,当需要进行测量精度标定时，在距离检测仪工作正常的情况下， 按下MUP键， 在菜单中找出“OY”。在菜单OY下，输入从收发传感器位置平面到目标物平面的实际精确距离数值后， 按下STP键，最后按下ENT键，将定标参数存储到存储器中。 本电路采用专用的红外线前置放大电路CX20106放大超声波传感器R40（接收）输出的十分微弱的信号电压，以

16、提高其测量精度。CX20106的7脚输出，再通过两级反相器F1、F2进行整形后从第12脚输入到SB5027中。 超声波发射信号由SB5027的1脚输出，经F3缓冲和整形后， 由V1放大，通过变压器T进行阻抗变换后，由发射头T40向外发射。 报警信号由SB5027的8脚输出， 经V2放大后，由扬声器放出。,6.2 数字式位置测量技术,6.2.1 位置检测技术在机床上的应用 1. 用光电旋转编码器控制机床的纵向进给速度 如图6-12所示，将光电旋转编码器安装在机床的主轴上， 检测主轴的转速， 经脉冲分配器和数控逻辑的运算， 输出进给速度指令控制丝杆进给电机， 达到控制机床的纵向进给速度的目的。 这种半闭环控制的精度受光电旋转编码器的分辨力和进给丝杆的累积误差影响较大。,图6-12 机床纵向进给速度控制原理图,2. 感应同步器在镗床上的应用 镗床在加工零件前常使用块规确定零件的加工中心以保证加工精度。