6.5其他位移傳感器6.5.1磁致伸縮位移傳感器6.5.2激光位移傳感器6.5.3超聲波位移感器6.5.4光柵尺位移傳感器6.5其他位移傳感器隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的規(guī)模化發(fā)展，對(duì)生產(chǎn)過程和質(zhì)量控制提出了更高的要求，特別是工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線以及替代人力的工業(yè)機(jī)器人加入，需要使用各種傳感器來監(jiān)視和控制生產(chǎn)過程中的各個(gè)參數(shù)，使設(shè)備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)，并使產(chǎn)品達(dá)到最好的質(zhì)量。在精細(xì)加工、大型機(jī)械加工與工程施工方面，對(duì)高精度、大量程、非接觸、快速動(dòng)態(tài)監(jiān)測等提出了新的技術(shù)需求，促進(jìn)了多種位移傳感器的研發(fā)與應(yīng)用，例如：磁致伸縮位移傳感器、激光直線位移傳感器、超聲波位移傳感器、拉繩位移傳感器等。6.5.1磁致伸縮位移傳感器1.認(rèn)識(shí)磁致伸縮位移傳感器1842年科學(xué)家JamesPrescottJoule發(fā)現(xiàn)了磁致伸縮效應(yīng)，1940年磁致伸縮技術(shù)首次成功應(yīng)用于潛艇聲納測距系統(tǒng)，1960年美國人JackTellerman向美國政府申請(qǐng)了磁致伸縮位移傳感器的專利權(quán)美國MTS系統(tǒng)公司率先開發(fā)出了商品化磁致伸縮位移傳感器，其最大測量長度可達(dá)7.6米，特殊要求可以達(dá)到10米。6.5.1磁致伸縮位移傳感器1.認(rèn)識(shí)磁致伸縮位移傳感器磁致伸縮位移傳感器具有測量精度高、分辨率高（達(dá)μm級(jí)），測量位置信號(hào)重復(fù)性好，穩(wěn)定可靠，可以適用于高溫、高壓和強(qiáng)振蕩等極其惡劣的工況，其絕對(duì)式輸出很好地解決了斷電歸零問題；敏感元件是非接觸式、無磨損運(yùn)行，平均無故障時(shí)間達(dá)23年。6.5.1磁致伸縮位移傳感器1.認(rèn)識(shí)磁致伸縮位移傳感器磁致伸縮材料是一種Fe或Ni合金材料，當(dāng)被外界磁場磁化時(shí)體積或者長度發(fā)生變化，這種現(xiàn)象被稱為磁致伸縮效應(yīng)。利用該效應(yīng)研制出了磁致伸縮位移傳感器（RH型剖視結(jié)構(gòu)如圖所示），由波導(dǎo)測量桿、永磁磁環(huán)組件、活塞桿、測量探頭、密封外殼和精密電子部件等組成，且永磁磁環(huán)組件與活塞桿、測量探頭剛性連接。

6.5.1磁致伸縮位移傳感器1.認(rèn)識(shí)磁致伸縮位移傳感器磁致伸縮位移傳感器工作過程如圖所示，在波導(dǎo)測量桿內(nèi)裝有一根具有磁致伸縮效應(yīng)的波導(dǎo)絲，當(dāng)電子艙室定時(shí)發(fā)送的“詢問信號(hào)”電脈沖通過波導(dǎo)測量桿時(shí)產(chǎn)生螺旋磁場并以電波的速度傳送；當(dāng)螺旋磁場與永磁磁環(huán)組件所在處產(chǎn)生的磁場相互作用時(shí)，就在波導(dǎo)絲上產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)扭力波，這個(gè)扭力波以一定的速度從永磁磁環(huán)組件位置沿波導(dǎo)絲向兩端傳送；到達(dá)電子艙室后，通過轉(zhuǎn)換器將波導(dǎo)絲的機(jī)械扭力波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)返回脈沖；再通過外圍電路，測出起始脈沖和返回脈沖的時(shí)間間隔，從而換算出發(fā)生磁致伸縮部位的準(zhǔn)確位置；最后以串行同步數(shù)字信號(hào)輸出。這個(gè)過程是連續(xù)不斷的，每當(dāng)永磁磁環(huán)組件被帶動(dòng)而改變位置時(shí)，新的位置很快就會(huì)被檢測出來。6.5.1磁致伸縮位移傳感器2.磁致伸縮位移傳感器的應(yīng)用伺服液壓油缸、汽缸活塞位置反饋或預(yù)置，如起重機(jī)伸縮吊臂控制研磨機(jī)械位置反饋或預(yù)置木材加工定位控制水輪機(jī)導(dǎo)葉開度的檢測與控制紙張和塑料薄膜成型擠注模具機(jī)械、吹塑工程機(jī)械、注塑機(jī)模板定位與監(jiān)測金屬成型、剪切沖壓、鋼材滾壓、鑄鍛機(jī)床位移控制水壩閘門、汽輪機(jī)氣阻閥門開度的檢測與控制港口機(jī)械、船舶舵機(jī)伺服系統(tǒng)在液位測量控制方面還可廣泛應(yīng)用于石油、化工、水利、制藥、食品、飲料等行業(yè)的各種液罐的液位計(jì)量和控制，航天加油系統(tǒng)、汽車加油系統(tǒng)、柴油加油系統(tǒng)及各種液壓罐、水文監(jiān)測、水處理等。6.5.2激光位移傳感器激光具有很好的方向性、單色性、相干性和高亮度，通過設(shè)計(jì)合理的光路，結(jié)合光電探測傳感器、信號(hào)處理電路，研發(fā)的激光位移傳感器可實(shí)現(xiàn)各種距離的非接觸式測量，且具有測量精度高、響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)等顯著特點(diǎn)。對(duì)于中、長距離的測量，通常采用飛行時(shí)間測量法（Timeofflight）；當(dāng)測距工作范圍小于1米時(shí)，則采用三角測量法。德國FT系列激光三角測距傳感器德國FLDS-C激光測距傳感器國產(chǎn)的ZHD-50激光測距傳感器6.5.2激光位移傳感器1.脈沖激光飛行時(shí)間測量法基于光線飛行時(shí)間測量法的激光測距傳感器多用于大距離測量。飛行時(shí)間法（又稱飛行脈沖法）是指激光器發(fā)射一束激光，同時(shí)記錄激光發(fā)出的時(shí)間，激光經(jīng)過飛行到達(dá)被測物體；經(jīng)物體反射后，光束到達(dá)接收器件；接收器件比較激光發(fā)出的時(shí)間和接收的時(shí)間，兩者時(shí)間差即為激光測距儀到被測物體的激光往返飛行時(shí)間t，同時(shí)激光在空氣中的飛行速度c是恒定的，因此，計(jì)算得出的測量距離D為：6.5.2激光位移傳感器1.脈沖激光飛行時(shí)間測量法時(shí)間飛行法的測量關(guān)鍵在于需要能夠精確記錄測量發(fā)出時(shí)間和到達(dá)激光接收器件的時(shí)間；由于光在空氣的傳播速度非?？?，接近30萬公里/秒，因此如果測量精度到達(dá)10mm，時(shí)間的分辨力應(yīng)該小于65ps；因此需要時(shí)間測量電路反應(yīng)時(shí)間非常短。6.5.2激光位移傳感器2.激光三角測距傳感器基于三角測量法的激光三角測距傳感器適用于精確的近距離測量。三角法測量原理如圖所示，半導(dǎo)體激光器發(fā)射激光，經(jīng)過透鏡1校正準(zhǔn)直聚焦后照射到被測物體表面，光線在物體表面發(fā)生漫反射，其中一部分光線經(jīng)成像透鏡2成像后聚焦到后面的線性CCD陣列上。激光發(fā)射線和成像方向具有一定夾角θ，激光器距被測物體不同的距離，則θ角大小不同，依次成像到光電器件上的位置不同；檢測光電器件上的光斑位置，通過三角函數(shù)可以計(jì)算出激光器距被測物體的距離，從而實(shí)現(xiàn)了測量距離；且被測物體的顏色和表面情況（如高反射率）對(duì)于測量精度幾乎沒有影響。6.5.2激光位移傳感器2.激光三角測距傳感器基于三角測量法的激光三角測距傳感器適用于精確的近距離測量。三角法測量原理如圖所示，半導(dǎo)體激光器發(fā)射激光，經(jīng)過透鏡1校正準(zhǔn)直聚焦后照射到被測物體表面，光線在物體表面發(fā)生漫反射，其中一部分光線經(jīng)成像透鏡2成像后聚焦到后面的線性CCD陣列上。激光發(fā)射線和成像方向具有一定夾角θ，激光器距被測物體不同的距離，則θ角大小不同，依次成像到光電器件上的位置不同；檢測光電器件上的光斑位置，通過三角函數(shù)可以計(jì)算出激光器距被測物體的距離，從而實(shí)現(xiàn)了測量距離；且被測物體的顏色和表面情況（如高反射率）對(duì)于測量精度幾乎沒有影響。6.5.2激光位移傳感器3.激光位移傳感器的應(yīng)用激光位移傳感器的行業(yè)應(yīng)用廣泛，現(xiàn)簡要列舉如下：冶金行業(yè)：行車防撞與定位，鋼坯定位與切割，厚度測量，礦料料位監(jiān)測等物流行業(yè)：機(jī)械手位置控制，堆垛機(jī)的定位，傳送帶零件的監(jiān)測，材料重疊和覆蓋的探測；鐵路行業(yè)：機(jī)車對(duì)接，接觸網(wǎng)高速監(jiān)測，閘道監(jiān)測，火車輪輪緣輪廓測量，鋼軌平整度檢測等港口行業(yè)：場橋、岸橋大車防撞，集裝箱定位水利水文行業(yè)：水位監(jiān)測，船閘定位，大壩形變監(jiān)測等建筑行業(yè)：液壓電梯檢測，鋼結(jié)構(gòu)的同步提升等6.5.3超聲波位移感器超聲波是指頻率高于20kHz的機(jī)械波，可由壓電晶片在高頻交流電壓激勵(lì)下產(chǎn)生。超聲波具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播；超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射而形成反射成回波，碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。超聲波傳感器就是利用超聲波的特性研制而成的傳感器，被廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面。T30超聲波測距傳感器超聲波倒車?yán)走_(dá)傳感器

超聲波診斷儀6.5.3超聲波位移感器1.超聲波傳感器的組成產(chǎn)生超聲波的主要材料有壓電晶體（電致伸縮）及鎳鐵鋁合金（磁致伸縮）兩類。電致伸縮的材料有石英晶體、鋯鈦酸鉛（PZT）等。壓電晶體制作的超聲波探頭是一種可逆?zhèn)鞲衅?，它可以將電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械振蕩而產(chǎn)生超聲波，同時(shí)也能將接收到的超聲波轉(zhuǎn)變成電能，所以它可分為發(fā)送器和接收器，有的超聲波探頭既作發(fā)送、也作接收。超聲波探頭單晶超聲波直探頭結(jié)構(gòu)

雙晶超聲波直探頭6.5.3超聲波位移感器1.超聲波傳感器的組成超聲波傳感器由發(fā)送器、接收器、控制處理電路與電源四部分組成。發(fā)送器探頭由直徑為5～15mm的壓電晶體和喇叭形換能器組成，作用是壓電晶體的電振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換成機(jī)械超聲波能量并向空中輻射；接收探頭與發(fā)射探頭結(jié)構(gòu)基本相同，換能器接收超聲波產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，傳遞給壓電晶體將其變換成電能量，作為傳感器的輸出。在實(shí)際使用中，發(fā)送器和接收器可合二為一，以交替方式工作。控制部分主要對(duì)發(fā)送器發(fā)出的脈沖鏈頻率、占空比及稀疏調(diào)制和計(jì)數(shù)及探測距離等進(jìn)行控制。6.5.3超聲波位移感器2.超聲波測距原理超聲波測距的基本原理：由超聲探頭發(fā)出的超聲脈沖信號(hào)，在氣體中傳播，遇到空氣與目標(biāo)物界面后被反射，超聲探頭接收到回波信號(hào)后計(jì)算超聲波往返目標(biāo)物的傳播時(shí)間，即可換算出距離。計(jì)算分為2步，公式為：式中：υ為超聲波在空氣中傳播速度，T為環(huán)境溫度。式中：S為被測距離；t為超聲脈沖往返的時(shí)間；t1為超聲回波接收時(shí)刻；t0為超聲脈沖發(fā)射時(shí)刻。6.5.3超聲波位移感器超聲波測距原理與控制檢測范圍6.5.3超聲波位移感器3.超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波傳感器利用聲波介質(zhì)對(duì)被檢測物進(jìn)行非接觸式無磨損的檢測。超聲波傳感器對(duì)透明或有色物體，金屬或非金屬物體，固體、液體、粉狀物質(zhì)均能檢測，其檢測性能幾乎不受任何環(huán)境條件的影響，包括煙塵環(huán)境和雨天。超聲波傳感器應(yīng)用有三種基本類型：透射型，用于物位測量、防盜報(bào)警器、自動(dòng)門、接近開關(guān)等。一套對(duì)射式超聲波傳感器包括一個(gè)發(fā)射器和一個(gè)接收器，兩者之間持續(xù)保持“收聽”。位于接收器和發(fā)射器之間的被檢測物將會(huì)阻斷接收器接收發(fā)射的聲波，從而傳感器將產(chǎn)生開關(guān)或計(jì)數(shù)信號(hào)。6.5.3超聲波位移感器3.超聲波傳感器的應(yīng)用分離式反射型用于測距、液位或料位；位于傳感器前面的被檢測物通過將發(fā)射的聲波部分地發(fā)射回傳感器的接收器，從而使傳感器檢測到被測物。單探頭反射型用于測距、材料探傷、測厚等6.5.3超聲波位移感器3.超聲波傳感器的應(yīng)用在石油、化工和水電等部門，超聲波被廣泛用于油位和水位的液位測量。如圖所示為脈沖回波式測量液位的工作原理圖。探頭發(fā)出的超聲脈沖通過介質(zhì)到達(dá)液面，經(jīng)液面反射后又被探頭接收。測量發(fā)射與接收超聲脈沖的時(shí)間間隔和空氣中的傳播速度，即可求出探頭與液面之間的距離。

防涌管：一是將超聲波的傳播路徑限定在某一狹窄空間內(nèi)，二是降低管內(nèi)液面涌動(dòng)幅度，達(dá)到測量要求。6.5.3超聲波位移感器4.超聲波信號(hào)發(fā)射與測量電路超聲波發(fā)射電路：由555定時(shí)器產(chǎn)生40KHZ的脈沖信號(hào)，加到超聲波探頭的引腳上，使內(nèi)部的壓電晶片產(chǎn)生共振，向外發(fā)射超聲波。由NE555時(shí)基電路及外圍元件構(gòu)成40kHz多諧振蕩器電路，調(diào)節(jié)電位器RP的阻值，可以改變振蕩頻率。由NE555第3腳輸出端驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射器，使之發(fā)射出超聲波信號(hào)；圖中的繼電器開關(guān)由單片機(jī)控制。當(dāng)4腳為高電平時(shí)，啟動(dòng)振蕩器輸出40kHz的頻率信號(hào)。電路工作電壓5V，工作電流20～40mA，有效距離可達(dá)到3m以上。6.5.3超聲波位移感器4.超聲波信號(hào)發(fā)射與測量電路超聲波接收電路：超聲波接收器包括超聲波接收探頭、信號(hào)放大電路及波形變換電路三部分。超聲波探頭必須采用與發(fā)射探頭對(duì)應(yīng)的型號(hào)，使發(fā)射和接收頻率一致。由晶體管和運(yùn)算放大器LM324構(gòu)成放大電路，對(duì)接收信號(hào)放大；當(dāng)接收到第一個(gè)回波后，輸出低電平作為時(shí)鐘控制信號(hào)送信號(hào)處理電路，同時(shí)驅(qū)動(dòng)繼電器發(fā)射下一組超聲波測量信號(hào)。6.5.3超聲波位移感器4.超聲波信號(hào)發(fā)射與測量電路采用CX20106集成芯片電路構(gòu)成的接收放大電路6.5.4光柵尺位移傳感器光柵尺位移傳感器是利用莫爾條紋原理，通過光電轉(zhuǎn)換，以數(shù)字方式表示線性位移量的高精度位移傳感器。現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于金屬切削機(jī)床加工量的數(shù)字顯示和數(shù)控機(jī)床CNC（Computernumericalcontrol）加工中心位置環(huán)的控制。其測量輸出的信號(hào)為數(shù)字脈沖，具有檢測范圍大（50mm～30,000mm），檢測精度高，響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。6.5.4光柵尺位移傳感器光柵尺位移傳感器在數(shù)控機(jī)床中常用于對(duì)刀具和工件的坐標(biāo)進(jìn)行檢測，來觀察和跟蹤走刀誤差，以起到一個(gè)補(bǔ)償?shù)毒叩倪\(yùn)動(dòng)誤差的作用。X軸光柵尺位移傳感器Y軸光柵尺位移傳感器6.5.4光柵尺位移傳感器光柵尺位移傳感器按照制造方法和光學(xué)原理的不同，分為透射光柵和反射光柵。根據(jù)制作材料可分為玻璃光柵、玻璃陶瓷光柵和不銹鋼帶光柵。按光柵尺結(jié)構(gòu)可分為寬尺和窄尺兩種，窄尺最長可做1米，寬尺在30米內(nèi)任選。另外，還可分為敞開式和封閉式兩類，其中敞開式為高精度型，輸出波型為正弦波，主要用于精密儀器的數(shù)字化改造最高分辨率可達(dá)0.1μm；封閉式則主要用于普通機(jī)床、儀器，輸出波型為方波。玻璃陶瓷光柵玻璃光柵6.5.4光柵尺位移傳感器1.光柵尺位移傳感器工作原理光柵尺位移傳感器是通過對(duì)移動(dòng)莫爾條紋計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)精確位移測量的?！澳獱枴痹鲇诜ㄎ腗oire，意思是水波紋。幾百年前法國絲綢工人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩層薄絲綢疊在一起時(shí)，將產(chǎn)生水波紋狀花樣；如果薄綢子相對(duì)運(yùn)動(dòng)，則花樣也跟著移動(dòng)，這種奇怪的花紋就是莫爾條紋。一般來說，只要將一定周期的曲線簇按一定角度交叉重疊起來，便會(huì)產(chǎn)生莫爾條紋。下面以直線透射光柵為例加以討論。6.5.4光柵尺位移傳感器1.光柵尺位移傳感器工作原理透射光柵尺是在石英玻璃上均勻地刻有平行的柵線，a為刻線寬，b為兩刻線之間縫寬，a+b稱為光柵柵距。目前，國內(nèi)常用的光柵每毫米刻成10、25、50、100、250條等線條。玻璃光柵6.5.4光柵尺位移傳感器1.光柵尺位移傳感器工作原理構(gòu)成莫爾條紋需要兩塊光柵，一塊為主光柵，稱為標(biāo)尺光柵，它的長度與測量范圍相一致；另一塊是稱為指示光柵，長度為3～5cm。為了測量位移，必須在主光柵側(cè)面加光源，在指示光柵側(cè)面加光電接收元件。當(dāng)主光柵和指示光柵相對(duì)移動(dòng)時(shí)，由于光柵的遮光作用而使莫爾條紋移動(dòng)，固定在指示光柵側(cè)面的光電元件，將光強(qiáng)I變化轉(zhuǎn)換成周期性的脈動(dòng)電流或電壓信號(hào)，此信號(hào)是一直流信號(hào)和近視正弦的周期信號(hào)的疊加。周期信號(hào)就是位移x的函數(shù)，每當(dāng)x變化一個(gè)光柵柵距w，信號(hào)就變化一個(gè)2π周期。6.5.4光柵尺位移傳感器2.光柵檢測裝置光柵測量位移的實(shí)質(zhì)是以光柵柵距為一把標(biāo)準(zhǔn)尺子對(duì)位移量進(jìn)行測量，此功能由光柵檢測裝置對(duì)周期性的脈動(dòng)光強(qiáng)變化檢測計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)。光柵檢測裝置的關(guān)鍵部分是光柵讀數(shù)頭，它由光源、會(huì)聚透鏡、指示光柵、光電元件及調(diào)整機(jī)構(gòu)等組成。光柵讀數(shù)頭結(jié)構(gòu)形式很多，根據(jù)讀數(shù)頭結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用場合分為直接接收式讀數(shù)頭、鏡像式讀數(shù)頭、分光鏡式讀數(shù)頭、金屬光柵反射式讀數(shù)頭。6.5.4光柵尺位移傳感器2.光柵檢測裝置為了提高系統(tǒng)分辨率，需要對(duì)莫爾條紋進(jìn)行細(xì)分。其方法是在一個(gè)莫爾條紋寬度內(nèi)，按照一定間隔放置4個(gè)光電器件就能實(shí)現(xiàn)電子細(xì)分與判向功能。由4個(gè)光敏器件獲得的4路光電信號(hào)分別送到2個(gè)差分放大器輸入端，從差分放大器輸出的兩路信號(hào)其相位差為π/2。為得到判向和計(jì)數(shù)脈沖，需對(duì)這兩路信號(hào)進(jìn)行整形，首先把它們整形為占空比為1:1的方波；然后，通過對(duì)方波的相位進(jìn)行判別比較，就可以得到光柵尺的移動(dòng)方向。通過對(duì)方波脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，可以得到光柵尺的位移和速度。這樣就把對(duì)光柵柵距的測量轉(zhuǎn)換為對(duì)莫爾條紋個(gè)數(shù)的測量。6.5.4光柵尺位移傳感器2.光柵檢測裝置為了提高系統(tǒng)分辨率，需要對(duì)莫爾條紋進(jìn)行細(xì)分。其方法是在一個(gè)莫爾條紋寬度內(nèi)，按照一定間隔放置4個(gè)光電器件就能實(shí)現(xiàn)電子細(xì)分與判向功能。由4個(gè)光敏器件獲得的4路光電信號(hào)分別送到2個(gè)差分放大器輸入端，從差分放大器輸出的兩路信號(hào)其相位差為π/2。為得到判向和計(jì)數(shù)脈沖，需對(duì)這兩路信號(hào)進(jìn)行整形，首先把它們整形為占空比為1:1的方波；然后，通過對(duì)方波的相位進(jìn)行判別比較，就可以得到光柵尺的移動(dòng)方向。通過對(duì)方波脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，可以得到光柵尺的位移和速度。這樣就把對(duì)光柵柵距的測量轉(zhuǎn)換為對(duì)莫爾條紋個(gè)數(shù)的測量。例如，柵線為50線/mm的光柵尺，其光柵柵距為0.02mm，若采用四細(xì)分后便可得到分辨率為5μm的計(jì)數(shù)脈沖，這在工業(yè)普通測控中已達(dá)到了很高精度。高精度的細(xì)分電路可以實(shí)現(xiàn)20倍的細(xì)分，對(duì)50線/mm的光柵尺測量分辨率為1μm，對(duì)100線/mm的光柵尺測量分辨率可達(dá)0.5μm。6.5.4光柵尺位移傳感器3.光柵尺的安裝光柵尺位移傳感器的安裝比較靈活，可安裝在機(jī)床的不同部位。光柵尺分為主光柵和光柵讀數(shù)頭兩部分組成。主光柵一般固定在機(jī)床的工作臺(tái)（滑板）上，隨機(jī)床走刀而動(dòng)；光柵讀數(shù)頭安裝在主尺的下方，并在機(jī)床固定部件上。指示光柵裝在光柵讀數(shù)頭中。X軸主光柵X軸讀數(shù)頭Y軸讀數(shù)頭Y軸主光柵6.5.4光柵尺位移