激光位移傳感器

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1、. 研究生課程考核試卷 〔適用于課程論文、提交報告〕 科目：機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計與分析教師： *** **： *** **： 201407020** 專業(yè)：機(jī)械工程類別：學(xué)術(shù) 考生成績： 卷面成績 平時成績 課程綜合成績 閱卷評語： 閱卷教師 (簽名) 大學(xué)研究生院制 激光位移傳感器 摘要：激光位移傳感器是一種非接觸式的精細(xì)激光測量系統(tǒng),它具有適應(yīng)性強(qiáng)、速度快、精度高等特點,適用于檢測各種回轉(zhuǎn)體、箱體零件的尺寸和形位誤差。 且隨著21世紀(jì)的到來，人們開場進(jìn)入了以知識經(jīng)濟(jì)為特征的信息時代。激光位移傳感器等作為工業(yè)自動化

2、技術(shù)工具的自動化儀表及裝置正向數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化開展。這也推進(jìn)了激光位移傳感器在機(jī)械產(chǎn)品中應(yīng)用的進(jìn)程。 本文前半局部介紹激光位移傳感器的分類及其原理，后半局部介紹其在機(jī)械產(chǎn)品中的應(yīng)用。 關(guān)鍵字：激光位移傳感器；原理；應(yīng)用 1 激光位移傳感器原理及特點 按照測量原理，激光位移傳感器原理分為激光三角測量法和激光回波分析法，激光三角測量法一般適用于高精度、短距離的測量，而激光回波分析法則用于遠(yuǎn)距離測量，下面分別介紹激光位移傳感器原理的兩種測量方式。其實物圖如圖1.1所示。 圖1.1 激光位移傳感器 1.1 激光三角測量法 三角測量法的工作原理圖如圖1.2所示。激光發(fā)射器通過鏡頭將可

3、見紅色激光射向被測物體外表，經(jīng)物體反射的激光通過接收器鏡頭，被部的CCD線性相機(jī)接收，根據(jù)不同的距離，CCD線性相機(jī)可以在不同的角度下“看見〞這個光點。根據(jù)這個角度及的激光和相機(jī)之間的距離，數(shù)字信號處理器就能計算出傳感器和被測物體之間的距離。 同時，光束在接收元件的位置通過模擬和數(shù)字電路處理，并通過微處理器分析，計算出相應(yīng)的輸出值，并在用戶設(shè)定的模擬量窗口，按比例輸出標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)信號。如果使用開關(guān)量輸出，則在設(shè)定的窗口導(dǎo)通，窗口之外截止。另外，模擬量與開關(guān)量輸出可獨(dú)立設(shè)置檢測窗口。 圖1.2 激光三角測量法原理圖 采取三角測量法的激光位移傳感器最高線性度可達(dá)1um，分辨率更是可到達(dá)0.1um

4、的水平。比方ZLDS100類型的傳感器，它可以到達(dá)0.01%高分辨率，0.1%高線性度，9.4KHz高響應(yīng)，適應(yīng)惡劣環(huán)境。 1.2 激光回波分析法 激光回波分析法的原理圖如圖1.3所示。激光位移傳感器采用回波分析原理來測量距離以到達(dá)一定程度的精度。傳感器部是由處理器單元、回波處理單元、激光發(fā)射器、激光接收器等局部組成。激光位移傳感器通過激光發(fā)射器每秒發(fā)射一百萬個激光脈沖到檢測物并返回至接收器，處理器計算激光脈沖遇到檢測物并返回至接收器所需的時間，以此計算出距離值，該輸出值是將上千次的測量結(jié)果進(jìn)展的平均輸出。即所謂的脈沖時間法測量的。 圖1.3 激光回波分析法原理圖 激光回波分析法適合于

5、長距離檢測，但測量精度相對于激光三角測量法要低，最遠(yuǎn)檢測距離可達(dá)250m。 1.3 激光位移傳感器的特點 激光具有高方向性、高單光性和高亮度等特點可實現(xiàn)無接觸遠(yuǎn)距離測量。激光位移傳感器就是利用激光的這些優(yōu)點制成的新型測量儀器，他的優(yōu)點是是能實現(xiàn)無接觸的遠(yuǎn)距離測量，速度快，精度高，量程大，抗光、電干擾能力強(qiáng)等。 2 激光位移傳感器的應(yīng)用 激光位移傳感器在機(jī)械領(lǐng)域中主要用于產(chǎn)品的尺寸測定，金屬薄片的厚度測量和電子元件的檢測等工作。 2.1 在車輪彎曲疲勞試驗中的應(yīng)用 如圖2.1所示為車輪彎曲疲勞試驗的原理圖。試驗過程中，車輪固定不動，載荷旋轉(zhuǎn)。隨著試驗的進(jìn)展車輪的剛度將會不斷下降，車輪

6、的變形量加大，與車輪連接的加載軸的擺動幅度變大，所以加載軸的擺動幅度的大小即可直接反響被試車輪的剛度變化情況。加載臂圓周上任意一點在該點的靜態(tài)位置附近做等幅振動。因此，只需在試驗前記錄傳感器的靜態(tài)測量值，并在試驗過程中將傳感器的動態(tài)測量值與所記錄的靜態(tài)值相減，即可得到測量點的振動位移值。由于加載臂在工作過程處于擺動狀態(tài)，很難應(yīng)用接觸式位移傳感器直接測量擺臂的偏移量，所以采用非接觸式傳感器，使得無需直接接觸加載軸就可以對其偏移量進(jìn)展測量。 圖2.1車輪彎曲疲勞試驗原理圖 如圖2.2所示為雙位移傳感器檢測加載軸偏移量的原理圖。在加載臂圓周上布置兩個位移傳感器，兩個傳感器感測頭的軸線相交于一點，

7、建立測量坐標(biāo)系*OY，傳感器S1處于*軸的正半軸上，傳感器S2與S1的夾角為α。加載臂圓周上任意一點A到圓心的連線OA與*軸的夾角為，則： (1) (2) 其中、分別為兩個位移傳感器采集的數(shù)據(jù)，、為靜止?fàn)顟B(tài)下傳感器S1、S2采集到的數(shù)據(jù)、為加載臂圓周上任意一點A的偏移量在*、Y方向的分量。 整理得到： 上式為采用兩個位移傳感器時，加載臂圓周上任意一點的振動偏移量的計算式?？紤]到由于車輪剛度的不均勻性，可能導(dǎo)致加載臂圓周上各點的振動偏移量有所差異。因此需對測得的各點偏移量求和后取均值，將平均值作為最終檢測結(jié)果。 圖2.2 雙傳感

8、器檢測示意圖 2.2 在列車車輪直徑動態(tài)測量上的應(yīng)用 車輪作為鐵路車輛重要的走行部件，對于鐵路的平安運(yùn)輸起著關(guān)鍵性的作用，特別是隨著列車速度的不斷提高，列車車輪各種磨耗及直徑變化的速度加快，給列車的運(yùn)行平安帶來隱患。一種基于激光位移傳感器在線動態(tài)測量車輪直徑的方法，可以很好的解決車輪直徑動態(tài)測量的問題。 使用單個激光位移傳感器動態(tài)測量車輪直徑的原理如圖2.3所示，R為車輪半徑。設(shè)激光位移傳感器的安裝位置 A 為坐標(biāo)系的原點，車輪圓周的最低點與*軸〔即鋼軌〕相切于 C 點，C 點與原點 A 間的距離為。激光位移傳感器發(fā)出的激光以α的角度照射在車輪踏面上在 B 點形成光斑，可得到該傳感器與

9、B 點之間的距離 圖 2.3 單個激光位移傳感器測量直徑原理圖 此模型對應(yīng)的車輪半徑公式為： 所以，在激光位移傳感器較大和車輪圓周的最低點C與激光位移傳感器之間的距離確定的情況下，可以通過測量得到車輪半徑R。 除單傳感器的測量方法外還有一種雙傳感器的測量方法。使用兩個激光位移傳感器動態(tài)測量車輪直徑的原理如圖 3 所示，實際測量系統(tǒng)的構(gòu)成如圖 2.4 所示。設(shè)車輪圓周的最低點與 * 軸( 即鋼軌) 相切于 C 點，C 點與原點 A 間的距離為，C 點與右側(cè)激光位移傳感器安裝位置 G 點的距離為。左側(cè)激光位移傳感器發(fā)出的激光以α的角度照射在車輪踏面上，得到激光位移傳感器到 B 點之間的距離

10、為；右側(cè)激光位移傳感器發(fā)出的激光以β的角度照射在車輪踏面上，得到激光位移傳感器到 E 點之間的距離為。 圖 2.4 兩個激光位移傳感器測量直徑原理 為簡化，使，，則有計算公式 通過比擬和實驗驗證我們可以發(fā)現(xiàn)使用雙激光位移傳感器的方法測量直徑可以在較大程度上提升測量精度。 2.3 在物體外表形狀測量中的應(yīng)用 物體形狀測量在工業(yè)制造領(lǐng)域有強(qiáng)烈的需求，特別是非接觸式的測量方式，在精細(xì)制造、航空航天、軍事等許多領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用。對于物體形狀的測量可以分為接觸式和非接觸式的測量方法。接觸式測量是測量頭與工件外表直接進(jìn)展接觸測量，沿著工件形狀進(jìn)展掃描運(yùn)動。目前主要是采用三坐標(biāo)機(jī)進(jìn)展測量，其主

11、要缺點是對被測對象外表容易造成不同程度的損傷。由于激光測量技術(shù)的開展，非接觸式測量方式逐漸成為主流。 激光位移傳感器測量形狀系統(tǒng)組成如圖2.5所示： 圖2.5 激光位移傳感器測量形狀框圖 電位移平臺帶動激光位移傳感器沿導(dǎo)軌移動方向運(yùn)動，傳感器每前進(jìn)一步，激光位移傳感器可以得出一個距離值，最終可以掃描出物體的形狀。 圖2.6給出了激光位移傳感器測量形狀的根本原理圖。激光位移傳感器沿著*軸移動，可以測量出如圖所建立的坐標(biāo)系的Y軸坐標(biāo)，一維電位移平臺可以測量出*軸坐標(biāo)，物體截面的二維坐標(biāo)，即可畫出截面圖。 圖2.6 激光位移傳感器測量形狀原理圖 Y坐標(biāo)可以通過激光位移傳感器直接給出，由于

12、采用高精度激光位移傳感器，Y軸坐標(biāo)具有較高的精度。*方向采用一維電位移平臺帶動激光位移傳感器運(yùn)動，精度可以通過使用激光位移傳感器進(jìn)展標(biāo)定，實驗過調(diào)整速度令步進(jìn)電機(jī)帶動位移傳感器運(yùn)動一定距離，得到65536個測量數(shù)據(jù)，通過這種細(xì)分方法可實現(xiàn)很高精度的*坐標(biāo)值。 3 總結(jié) 本文在前面一節(jié)介紹了激光位移傳感器的種類，并分布介紹了激光三角測量法和激光回波分析法兩種原理的機(jī)構(gòu)位移傳感器。 本文在第二小節(jié)選擇了激光位移傳感器在車輪彎曲疲勞試驗，列車車輪直徑動態(tài)測量和物體形狀測量上的應(yīng)用，用以說明激光位移傳感器在機(jī)械及其附屬領(lǐng)域的應(yīng)用。 參考文獻(xiàn) [1] 金國藩，景鎮(zhèn). 激光測量學(xué)[M].科學(xué)，1

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