激光位移傳感器

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(jì)與分析教師：XXX姓名:XXX學(xué)號:201407020XX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）重慶大學(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密激光測量系統(tǒng)，它具有適應(yīng)性強(qiáng)、速度快、精度高等特點(diǎn)，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，人們開始進(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)化發(fā)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。本文前半部分介紹激

2、光位移傳感器的分類及其原理，后半部分介紹其在機(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(diǎn)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(shí)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)射器通過鏡頭將可見紅色激光射向被測物體表面，經(jīng)物體反射的激光通過接收器鏡頭，被內(nèi)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(diǎn)。

3、根據(jù)這個角度及已知的激光 和相機(jī)之間的距離，數(shù)字信號處理器就能計(jì)算出傳感器和被測物體之間的距離12。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(jì)算出相應(yīng)的輸出值，并在用戶設(shè)定的模擬量窗口內(nèi)，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)定的窗口內(nèi)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，分辨率更是可達(dá)到0.1um的水平。比如 ZLDS100類型的傳感器，它可以達(dá)到 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

4、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達(dá)到一定程度的精度。傳感器內(nèi)部是由處理器單元、回波處理單元、激光發(fā)射器、激光接收器等部分組成。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(jì)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(jì)算出距離值，該輸出值是將上千次的測量結(jié)果進(jìn)行的平均輸出。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(diǎn)激光具有高方向性、高單光性和高亮度等特點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)無接觸遠(yuǎn)

5、距離測量。激光位移傳感器就是利用激光的這些優(yōu)點(diǎn)制成的新型測量儀器，他的優(yōu)點(diǎn)是是能實(shí)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(yàn)中的應(yīng)用如圖2.1所示為車輪彎曲疲勞試驗(yàn)的原理圖。試驗(yàn)過程中，車輪固定不動，載荷旋轉(zhuǎn)。 隨著試驗(yàn)的進(jìn)行車輪的剛度將會不斷下降，車輪的變形量加大，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應(yīng)被試車輪的剛度變化情況。加載臂圓周上任意一點(diǎn)在該點(diǎn)的靜態(tài)位置附近做等幅振動。因此，只需在試驗(yàn)前

6、記錄傳感器的靜態(tài)測量值，并在試驗(yàn)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(diǎn)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)行測量。圖2.1車輪彎曲疲勞試驗(yàn)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(diǎn)，建立測量坐標(biāo)系 XOY，傳感器S1處于X軸的正半軸上，傳感器 S2與S1的夾角為a。加載臂圓周上任意一點(diǎn)A到圓心的連線 OA與X軸的夾角為，則：S( ) Sa X(1)S2( ) Sb x

7、 cosysin(2)其中S( )、S2()分別為兩個位移傳感器采集的數(shù)據(jù)，Sa、Sb為靜止?fàn)顟B(tài)下傳感器S1、S2采集到的數(shù)據(jù)x( )、y()為加載臂圓周上任意一點(diǎn) A的偏移量D()在X、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(diǎn)的振動偏移量的計(jì)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(diǎn)的振動偏移量有所差別。因此需對測得的各點(diǎn)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，對于鐵路的安全運(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

8、耗及直徑變化的速度加快，給列車的運(yùn)行安全帶來隱患。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(diǎn)，車輪圓周的最低點(diǎn)與 x軸(即鋼軌) 相切 于C點(diǎn)，C點(diǎn)與原點(diǎn)A間的距離為 L!。激光位移傳感器發(fā)出的激光以 a的角度照 射在車輪踏面上在 B點(diǎn)形成光斑，可得到該傳感器與 B點(diǎn)之間的距離I,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(diǎn) C與激光位移傳感器之間的距離L,確定的

9、情況下，可以通過測量li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(shí)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(diǎn)與x軸（即鋼軌）相切于C點(diǎn)，C點(diǎn)與原點(diǎn) A間的距離為L1 , C點(diǎn)與右側(cè)激光位移傳感器安裝位置 G點(diǎn)的距離為 L2。左側(cè)激光位移傳感器發(fā)出的激光以a的角度照射在車輪踏面上，得到激光位移傳感器到B點(diǎn)之間的距離為11 ；右側(cè)激光位移傳感器發(fā)出的激光以3的角度照射在車輪踏面上，得到激光位移傳感器到E點(diǎn)之間的距離為|2。圖2.4兩個激光位移傳感器測量直徑原理為簡化，使，Li L2 L3，則有計(jì)算公式通過

10、比較和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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在物體表面形狀測量中的應(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，在精密制造、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表面直接進(jìn)行接觸測量，沿著工件形狀進(jìn)行掃描運(yùn)動。目前主要是采用三坐標(biāo)機(jī)進(jìn)行測量，其主要缺點(diǎn)是對被測對象表面容易造成不同程度的損傷。由于激光測量技術(shù)的發(fā)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

11、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基本原理圖。激光位移傳感器沿著X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 X軸坐標(biāo)，已知 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，由于采用高精度激光位移傳感器，Y軸坐標(biāo)具有較高的精度。X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)行標(biāo)定，實(shí)驗(yàn)中通過調(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(shí)現(xiàn)很高精度的X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(yàn)，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，李景鎮(zhèn)激光測量學(xué)M.北京科學(xué)出版社，1998.2 蘇成志，徐洪吉基于激光位移傳感器的車輪彎曲疲勞試驗(yàn)加載軸偏移量檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)J.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)：2011(24).3 華艷秋，莊慧忠，