（机械电子工程专业论文）光机电磁电流位移比较仪的研究.pdf

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 j l 一l 一 拽 槭 转 jf 一 位 换 口+ a8 2升唯b， k 门1 zz_aa 1 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 ) ， 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 ( 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l 6 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、 42 r 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 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：、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 ， 度彩嚼，矗。形。等予i ，鼹察不戮影嗡。当必滚必强嶷纯5 0 ，矗。蟛。约为 0 0 3 0 0 0 2 i 0 0 2 。慰光源稳定性稍加控制，比如采震光庾馈，将光源控审在l 驻内楚容 易实现鹣，因i 墩胃以认为宪全酒滁了光源麴影响。对予电舔不辩称珏，零转感器 采用的光电二极管来1 0 0 1 x 下爨存l 毫安电流，因j 篦只需一缀放大，采溺驳遥邋 t ，1 ， 运藏，甄瀑飘魄隧，褒实验室条 孛下，溅黎不铡a 兄，嶷让，骥等于j 。 ，a 2 以上过程可越用翻2 2 2 舞乏袭述。圈巾由予菜种藤困捷光源港强发生变证， 光强信号相应的从l 变化捌2 ，但是由于藏动院较的蘸蓬，工作点( 两光舔相等 娥) 的横艇标( 辩应霸霞移) 没裔发鸯变耽。 本文挺密豹鏊予舄茜颓定律和法粳第藤蠢散瘦煞镳缀兜壹绫霞穆褥感嚣。该 传感嚣蒸有输入输壅髫l 豫关系、全程辫匀震敏发、较大范溺表霹纛强波翡嚣关三 大特点。 浙江大学硕士论文 图2 - 2 2 光强漂移对健感器影响 浙江大学硕士论文 f 。c 图3 9 发光电流与温度的关系曲线 温度对p n 结的复合发光是有影响的，在偏置电压不变的情况下，结温升高 到一定程度后，电流将变小，发光亮度减弱，电流与温度的关系大致如图3 - 9 所示。 ( 5 ) 寿命 发光二极管的寿命都很长，在电流密度j = 1 a c m 2 的情况下，可达1 0 6 h 以上。 不过，电流密度对二极管的寿命是有影响的，电流密度大时，发光亮度高，寿命 就会很快缩短。 3 2 2 光电探测器分析与选择 光信号经过光学系统后，带上了位移信息，但要实现位移信息的处理与最终 显示，必须把光信号转换成电信号，这个功能由光电探测器来完成。光电探测器 是光电转换基本器件，它在转换中比较容易引入大噪声，影响检测质量，光电探 测器使用不当甚至有可能淹没有用信号。目前工业应用上广泛使用着各种各样的 光电转换器，c i e ( 国际照明委员会) 对它们进行了分类8 ”，如图3 1 0 所示。 光电二极管主要特点是结区面积小，内建电场很强，结区较厚，结电容小，频率 响应比较高，但光电流比较小，一般多在微安级。这类器件采用硅、锗等材料制 作，目前应用最多的是硅光电二极管”1 。本光机电磁电流位移比较仪采用的是集 成硅光电二极管$ 7 1 8 3 ，由日本滨松公司生产。该集成光电二极管具有以下特点： 1 极好的光电转换线性度。 2 很高的光电转换倍数，电流大，预放大1 3 0 0 倍。 3 使用方便，使用方法与一般光电二极管相同，两引脚封装。 4 透明塑料封装，体检小，能有效减小传感器体积。 浙江大学硕士论文 光辐射搽测 管 管 图3 一1 0 光电探测器分类黼 集成二极管$ 7 1 8 3 外形尺寸 外形大小4 2 4 。2 m m ，有效光接受面积壹径1 7 m m ，透羁黧耩封装e 外形翔 图3 1 l 。较小的探测器体积有利于减小传感器体积。 挥 甚i 罅 罐 _ j l o 卜 乌照 3 - 1 1 孙澎尺寸熬 集成二极管$ 7 1 8 3 原理与使用方法 集成光嘏二极管原理如图3 - 1 2 ，虚线部分即光瞧= 极管，内部彀含了一缀 放大，放大倍数1 3 0 0 ，这为艏续电路处理带朱很大方便。光电集成二极管反偏 使用，光电二极管受极接电源正极，纛缀经受簸毫隧藤连电添灸援，实现电流毽 压变换，并杼电容用于虑去高频成分 浙江大学硕士论文 裂燃裂滕磐 o i 6 r m o fp 1 4 0 t t ： i c0 1 0 0 e 。= ：、。一 图3 - 1 2 集成光电二极管原理图 车曙 i p m m m n 集成光电二极管8 7 1 8 3 最大输入输出值 集成光电二极管$ 7 1 8 3 最大输入输出值如表3 一l 。$ 7 1 8 3 具有宽广的使用温 度范围一3 0 8 0 摄氏度，较大的光电转换电流，在1 0 0 1 x 光强条件下有最大饱和 值1 0 m a ，较小的耗散功率2 5 0 m w 。 表3 1 $ 7 1 8 3 最大输入输出值 集成光电二极管光电特性 集成光电二极管$ 7 1 8 3 光电特性如表3 2 。$ 7 1 8 3 转换峰值灵敏度6 5 0 n m ， 与红色发光二极管发光波长6 6 0 r i m 较好吻合，光电转换灵敏度与波长关系见图 3 1 3 。$ 7 1 8 3 具有极小的暗电流( 最大1 0 h a ) ，较大的信号电流，光强为1 0 0 1 x 时具有l m a 信号电流，5 0 1 x 光强相当于晚上自习教室里日光灯照射条件教室亮 度。动态特性方面，在负载为l k 欧姆时，上升时间或者下降时间0 6 m s 。测试 电路如图3 1 4 。响应时间与负载电阻( 或者称为电流电压变换电阻) 有关，相 互关系见图3 一1 5 。随负载电阻减小，响应频率增高，但放大倍数( 光强电 压) 减小。 一塑垩奎堂堡主笙奎 表3 - 2 光电特性 一s p e c t r a lm s p o n s e ，、 | | l n j卜 | t | ， | |t ， w a v e l e n g t hf n m ) 图3 一1 3 光电转换波长特性 h ：- - 0 1 f ； 。 。 1k1 0k1 0 0kim l o a dr e s i s t a n c e “ 图3 1 1 5 负载一动态特性 |l 刁一 图3 - 1 4 动态响应特性 集成光电二极管温度特性 集成光电二极管具有良好的温度特性，温度暗电流关系如图3 1 6 。暗 电流随温度增加急遽上升。在2 5 摄氏度时暗电流不到1 h a ，在7