激光位移传感器与压电式加速度传感器

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1、传感器原理及其应用右图是激光测量机器人，利用两 个激光位移传感器进行板材厚度测量 的。由于生产车间的板材不能无间 隙的且较水平的放在工作台上，那么 若直接测量的话误差较大 ,若采用两 个激光位移传感器进行测量时，可实 时精确测量板材厚度。按照操作手册 对两个传感器主从站的分布，将测量 结果发送给PLC，那么PLC就很容易 计算出板材厚度的结果。例如：两个 传感器测量的结果分别为A、B,两个 传感器之间距离为S,那么板材厚度 W=S-（A+B）。本文主要对激光位移传感器及压 电式加速度传感器进行介绍。激光位移传感器激光位移传感器能够利用激光的高方向性、高单色性和高亮度等特点可实现无接触远距 离测

2、量。激光位移传感器（磁致伸缩位移传感器）就是利用激光的这些优点制成的新型测量仪 表，它的出现，使位移测量的精度、可靠性得到极大的提高，也为非接触位移测量提供了有 效的测量方法。激光位移传感器因其较高的测量精度和非接触测量特性，广泛应用于高校和研究机构、 汽车工业、机械制造工业、航空与军事工业、冶金和材料工业的精密测量检测。激光位移传 感器可精确非接触测量被测物体的位置、位移等变化，主要应用于检测物的位移、厚度、振 动、距离、直径等几何量的测量。按照测量原理,激光位移传感器原理分为激光三角测量法 和激光回波分析法,激光三角测量法一般适用于高精度、短距离的测量，而激光回波分析法 则用于远距离测量，

3、下面分别介绍激光位移传感器的两种测量原理。 一激光位移传感器的测量原理激光三角法测量原理5.倍号处理器起蜡距關I&帔测物体合、氐按测樹itb4. SfittCCD阵列图 1 激光三角法测量原理图半导体激光器 1 被镜片 2 聚焦到被测物体 6。反射光被镜片 3 收集，投射到 CCD 阵列 4 上 ; 信号处理器 5 通过三角函数计算阵列 4 上的光点位置得到距物体的距离。 激光发射器通过镜头将可见红色激光射向物体表面，经物体反射的激光通过接受器镜头，被 内部的CCD线性相机接受，根据不同的距离，CCD线性相机可以在不同的角度下“看见”这 个光点。根据这个角度即知的激光和相机之间的距离，数字信号

4、处理器就能计算出传感器和 被测物之间的距离。由传感器探头（发光LED）发射出的一束670nm激光，通过特殊的多 重透镜被汇聚成一个直径极小的光束，此光束被测量表面漫反射到一个分辨率极高的 CCD/PSD/CMOS 探测器上， 通过 CCD/PSD/CMOS 所感应到光束位置的不同， 可精确测 量被测物体位置的变化。同时，光束在接收元件的位置通过模拟和数字电路处理，并通过微处理器分析，计算出 相应的输出值，并在用户设定的模拟量窗口内，按比例输出标准数据信号。如果使用开关量 输出，则在设定的窗口内导通，窗口之外截止。另外，模拟量与开关量输出可设置独立检测 窗口。激光回波分析法测量原理激光位移传感器

5、采用回波分析原理来测量距离可以达到一定程度的精度。传感器内部是 由处理器单元、回波处理单元、激光发射器、激光接受器等部分组成。激光位移传感器通过 激光发射器每秒发射一百万个脉冲到检测物并返回至接收器，处理器计算激光脉冲遇到检测 物并返回接收器所需时间，以此计算出距离值，该输出值是将上千次的测量结果进行的平均 输出。出邺S 尢嶽W5图 2 激光回波分析法测量原理图二激光位移传感器的应用 激光传感器（直线位移传感器）是利用激光技术进行测量的传感器。它由激光器、激光检 测器和测量电路组成。激光传感器是新型测量仪表，利用了激光具有高方向性、高单色性和 高亮度的特点，它的优点是能实现无接触远距离测量，速

6、度快，精度高，量程大，抗光、电 干扰能力强等。激光传感器常用于长度、距离、振动、速度、方位等物理量的测量，还可用于探伤和大 气污染物的监测等。1. 尺寸测定：微小零件的位置识别;传送带上有无零件的监测;材料重叠和覆盖的探测;机械手 位置（工具中心位置）的控制;器件状态检测;器件位置的探测（通过小孔）;液位的监测;厚度的测 量;振动分析;碰撞试验测量;汽车相关试验等。2. 金属薄片和薄板的厚度测量：激光传感器测量金属薄片（薄板）的厚度。厚度的变化检出可 以帮助发现皱纹，小洞或者重叠，以避免机器发生故障。3. 气缸筒的测量，同时测量：角度，长度，内、外直径偏心度，圆锥度，同心度以及表面轮 廓。4.

7、 长度的测量：将测量的组件放在指定位置的输送带上，激光传感器检测到该组件并与触发 的激光扫描仪同时进行测量，最后得到组件的长度。5. 均匀度的检查：在要测量的工件运动的倾斜方向一行放几个激光传感器，直接通过一个传 感器进行度量值的输出，另外也可以用一个软件计算出度量值，并根据信号或数据读出结果。6. 电子元件的检查：用两个激光扫描仪，将被测元件摆放在两者之间，最后通过传感器读出 数据，从而检测出该元件尺寸的精确度及完整性。7. 生产线上灌装级别的检查：激光传感器集成到灌装产品的生产制造中，当灌装产品经过传 感器时，就可以检测到是否填充满。传感器用激光束反射表面的扩展程序就能精确的识别灌 装产品

8、填充是否合格以及产品的数量。激光位移传感器是目前精准度最高的位移传感器，但是由于它的体积较大、安装复杂， 这些都极大的限制了激光位移传感器的应用范围。随着技术的不断进步，相信激光位移传感 器的应用范围将更加广阔。压电式加速度传感器一、压电式加速度传感器原理压电式加速度传感器又称压电加速度计。它也属于惯性式传感器。它是利用某些物质如 石英晶体的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。当被测 振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。由于压电式传感器的输出电信号是微弱的电荷，而且传感器本身有很大内阻，故输出能 量甚微，这给后接电路带来一定困难。 为此

9、，通常把传感器信号先输到高输入阻抗的前置 放大器。经过阻抗变换以后，方可用于一般的放大、检测电路将信号输给指示 仪表或记录 器。夕卜壳预压弹簧压电元件质量块基座常用的压电式加速度计的结构形式如图所示，是由预压弹簧，质量块，基座，压电元件 和外壳组成。图中为环形剪切型，结构简单，能做成极小型、高共振频率的加速度计，环形 质量块粘到装在中心支柱上的环形压电元件上。由于粘结剂会随温度增高而变软，因此最高 工作温度受到限制。当传感器感受振动时，因为质量块相对被测体质量较小，因此质量块感受与传感器基座 相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力，此力F=ma。同时惯性力作用在压电陶 瓷片上产生电荷为q=

10、dF=dma。此式表明电荷量直接反映加速度大小。其灵敏度与压电材料压电系数和质量块质量有 关。为了提高传感器灵敏度，一般选择压电系数大的压电陶瓷片。若增加质量块质量会影响 被测振动，同时会降低振动系统的固有频率，因此一般不用增加质量办法来提高传感器灵敏 度。此外用增加压电片数目和采用合理的连接方法也可提高传感器灵敏度。压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英 （二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内， 压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失（这个高温就是所谓的 “居里点”）。由于随着应力的变化电场变化

11、微小（也就说压电系数比较低），所以石英逐 渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能 在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当 高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电陶瓷，包括钛酸钡压电陶瓷、PZT、 铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力 作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的， 所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。二、压电式加速度传感器的测量电路（

12、一）等效电路 当压电传感器中的压电晶体承受被测机械应力的作用时，在它的两个极面上出现极 性相反但电量相等的电荷。可把压电传感器看成一个静电发生器，如图（a）。也可把它视为 两极板上聚集异性电荷，中间为绝缘体的电容器，如图（b）。其电容量为 S SC = = -r0a tt当两极板聚集异性电荷时，则两极板呈现一定的电压，其大小为电极压电晶体o体不适合于静态测量。 压电传感器的 完整等效电路压电传感器的等效电路传感器内部信号电荷无“漏损”，外电路负载无穷大时，压电传感器受力后产生的电压或 电荷才能长期保存，否则电路将以某时间常数按指数规律放电。这对于静态标定以及低频准 静态测量极为不利，必然带来误

13、差。事实上，传感器内部不可能没有泄漏，外电路负载也不 可能无穷大，只有外力以较高频率不断地作用，传感器的电荷才能得以补充，因此，压电晶G传感器的固有电容G前置放大器输入电塔G连线电容&传感器的漏电阻 屍前置放大器输入电阻可见，压电传感器的绝缘电阻Ra与前置放大器的输入电阻Ri相并联。为保证传感器和 测试系统有一定的低频或准静态响应，要求压电传感器绝缘电阻应保待在1013Q以上，才 能使内部电荷泄漏减少到满足一般测试精度的要求。与上相适应，测试系统则应有较大的时 间常数，亦即前置放大器要有相当高的输入阻抗，否则传感器的信号电荷将通过输入电路泄 漏，即产生测量误差。 （二） 测量电路 压电式传感器

14、的前置放大器有两个作用： 把压电式传感器的高输出阻变换成低阻抗输出； 放大压电式传感器输出的弱信号。前置放大器形式： 电压放大器，其输出电压与输入电压（传感器的输出电压）成正比 电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。1、电压放大器2、电荷放大器三、压电式加速度传感器的实际应用通过测量由于重力引起的加速度，你可以计算出设备相对于水平面的倾斜角度。通过分 析动态加速度，你可以分析出设备移动的方式。但是刚开始的时候，你会发现光测量倾角和 加速度好像不是很有用。但是，现在工程师们已经想出了很多方法获得更多的有用的信息。 加速度传感器可以帮助你的机器人了解它现在身处的环境。是在爬山？还是在走下坡，摔倒

15、 了没有？或者对于飞行类的机器人来说，对于控制姿态也是至关重要的。更要确保的是，你 的机器人没有带着炸弹自己前往人群密集处。加速度传感器甚至可以用来分析发动机的振 动。压电式加速度传感器具有动态范围大、频率范围宽、坚固耐用、受外界干扰小以及压电 材料受力自产生电荷信号不需要任何外界电源等特点，是被最为广泛使用的振动测量传感 器。虽然压电式加速度传感器的结构简单，商业化使用历史也很长，但因其性能指标与材料 特性、设计和加工工艺密切相关，因此在市场上销售的同类传感器性能的实际参数以及其稳 定性和一致性差别非常大。与压阻和电容式相比，其最大的缺点是压电式加速度传感器不能 测量零频率的信号。目前最新I

16、BM Thinkpad手提电脑里就内置了加速度传感器，能够动态的监测出笔记本 在使用中的振动，并根据这些振动数据，系统会智能的选择关闭硬盘还是让其继续运行，这 样可以最大程度的保护由于振动，比如颠簸的工作环境，或者不小心摔了电脑做造成的硬盘 损害，最大程度的保护里面的数据。另外一个用处就是目前用的数码相机和摄像机里，也有 加速度传感器，用来检测拍摄时候的手部的振动，并根据这些振动，自动调节相机的聚焦。概括起来，加速度传感器可应用在控制，手柄振动和摇晃，仪器仪表，汽车制动启动 检测，地震检测，报警系统，玩具，结构物、环境监视，工程测振、地质勘探、铁路、桥梁 大坝的振动测试与分析；鼠标，高层建筑结构动态特性和