关于光栅传感器论文

2004 年第18 卷第1 期测试技术学报Vo l. 18 No. 1 2004(总第47 期) JOURNAL OF TEST AND MEASUREMENT TECHNOLOGY (Sum No. 47)文章编号: 167127449 (2004) 0120001204感应同步器宽度测量方法的研究X 潘海鹏, 王丽丽, 戴文战(浙江工程学院自动化所, 浙江杭州310033)摘 要: 通过对传统的感应同步器位移测量方法的分析, 提出了一种将软件与硬件有机结合的位移ö数字转换新方法. 利用该方法所研制的大位移传感装置、位移ö数字转换装置与工业控制计算机配合, 成功实现了对钢板宽度的测量与控制.关键词: 感应同步器; 位移2数字转换; 宽度测量中图分类号: TH822 文献标识码: AThe Research ofW idthMeasuremen tMethodby Induct Synchron izerPAN Hai2peng, WAN G L i2li, DA IW en2zhan( Inst itute of A utomat ion, Zhejiang Inst itute of Science and Techno logy, Hangzhou 310012, Ch ina)Abstract: Th rough the analysis of the disp lacem en t m easu rem en t m ethod of t radit ional inductsynch ron izer, a new disp lacem en t2digital conversion m ethod w h ich com b ine the sof tw are and hardw aretogether is app roached. A cco rding to th is m ethod, the system of the huge disp lacem en t inductin st rum en t and disp lacem en t digital conversion in st rum en t com b inew ith indu st rial compu ter ism ade andis successfu lly realized in the con t ro l and w idth m easu rem en t of steel p words: induct synch ron izer; disp lacem en t2digital conversion; w idth m easu rem en t0 引 言宽度是冶金、机械加工、纺织等行业的重要尺寸检测参数, 其测量精度与测量水平直接影响到企业的生产与经济效益. 目前宽度测量一般是通过位移量检测来实现的, 而位移量的检测方法主要有电感式、电容式、光电式等. 对于直线位移测量则主要为CCD 摄象传感器、光栅传感器和感应同步器[ 1～ 3 ].其中, CCD 摄象传感器与光栅传感器都是依靠光电学机理通过系统实现位移量检测. 其优点是分辨率高, 测量精确. 缺点是环境适应性较差, 且现场安装调试工作复杂. 而利用电磁耦合原理实现位移检测的感应同步器就具有明显的优势[ 4 ]: ① 可靠性高, 抗干扰能力强, 对工作环境要求低, 在没有恒温控制和环境不好的条件下能正常工作, 比较适应于工业现场的恶劣环境; ② 测量范围宽, 0～ 9 999mm , 测量精度高, 分辨率为0. 01 mm; ③ 安装方便、维护性好, 使用寿命长.本文通过对传统的感应同步器位移测量方法的研究, 针对直线位移的测量, 提出了一种以感应同步器为传感器, 将软件与硬件有机结合的位移ö数字转换新方法, 应用该方法笔者所研制的面向冶金企业X 收稿日期: 2003208228 基金项目: 浙江省自然科学基金资助项目(602016) (603194) 作者简介: 潘海鹏(1965- ) , 男, 副教授, 主要从事智能检测技术与应用研究.钢板宽度测控装置已成功运用于天津中板厂, 其测量范围达1m (1. 3m～ 2. 3m ) , 测量误差≤1mm , 闭环控制误差≤2 mm , 取得了满意的控制效果.1 位移2数字转换方法的研究直线型感应同步器由定尺和滑尺组成, 其相对面是采用光刻腐蚀法刻成的铜箔绕组, 当定、滑尺作相对运动时, 若在滑尺两相绕组上加励磁电压, 则定尺绕嘴就有感应电动势产生, 检测该电势的变化即可获得位移量的大小[ 5 ]. 例如, 在滑尺的正、余弦绕组上分别加幅值按正、余弦规律变化的励磁电压V s = V m sinHe sinXt, (1)V c = - V m co sHe sinXt. (2)则当定、滑尺相对移动Hm 时, 定尺上分别感应出的电势为es = K mV m co sXtsinHeco sHm , (3)ec = - KmV m co sXtco sHe sinHm. (4)根据选加原理, 总的感应电动势为e = es + ec = K mV m co sXtsin (He - Hm ). (5)式(1)～ 式(5) 中: V s为滑尺正弦励磁电压; V c为滑尺余弦励磁电压; V m 为励磁电压最大值; Hm 为机械位移角度; He 为可变的用以平衡Hm 的电角度; X 为励磁电压角频率; es为定尺正弦感应电势; ec为定尺余弦感应电势; e 为合成感应电势(即误差信号) ; Km 为耦合系数.由此可见, 实现位移测量的关键是将模拟的误差信号转换为响应的位移脉冲, 并进行累加与数字显示, 即位移ö数字转换. 从目前讲, 其转换方法主要有两种: ① 纯硬件转换; ② 纯软件转换.纯硬件转换的方法就是位移ö数字的转换完全由分立及集成器件构成的电路实现. 其基本工作原理是首先对被检测的误差信号进行放大, 然后通过分立元件组成的门槛电路使连续的位移信号变成与之对应的脉冲信号, 该脉冲经整形处理送至由多个计数器组成的记数电路进行脉冲累计, 脉冲的多少就代表了位移量的大小, 最后将计数值按位输出到译码驱动电路显示出来, 其置数功能通过机械码盘实现. 该方法的不足在于: ① 价格贵, 精度低; ② 电路结构复杂, 可靠性差, 维修不便; ③ 未考虑与计算机的接口, 不便实现闭环控制.纯软件转换的方法是通过软件编程实现位移ö数字转换及脉冲累积显示. 其系统一般由单片机、RAM、ROM、8279 等芯片组成, 它将位移逻辑、脉冲计数及控制部分全部由微机实现, 提高了测量精度, 增强了系统的可靠性. 但其不足之处是由于采用软件计数, 限制了定滑尺的相对位移速度, 影响测量系统的动态特性.2 新型宽度测控系统的研制针对纯硬件与纯软件转换两种方法的不足, 本文提出一种采用软硬件相结合实现位移ö数字转换的新方法, 并将其应用于钢板宽度测控系统. 其基本设计思想是: ① 在硬件设计上采用功能强的大规模集成电路代替中小规模集成电路, 简化系统结构, 并将其集成于一块电路板上, 直接与工业控制计算机进行通讯; ② 对于占用硬件资源多而软件上又易实现的功能则直接由软件实现. 如位移脉冲累积、运动方向的判别、置数、清零等功能. 该方法的优点在于它既发挥了硬件转换电路工作的快速性, 又发挥了软件编程的灵活性; 既扩充了系统功能, 又节约了资源, 简化了结构, 降低了造价. 新型位移测量系统的结构如图1 所示.1) 前置放大器由两级同相比例放大器组成, 对感应同步器产生的误差信号进行放大, 分别为门槛电路提供粗、精计数输入.2) 门槛电路由电压比较器和逻辑电路组成, 粗门与精门将放大器送来的连续位移信号转换成为断续的计数脉冲. 粗门输入来自第一级放大, 精门输入来自第二级放大. 当滑尺慢速滑动(< 12m öm in)2 测试技术学报2004 年第1 期时, 精门开启, 每输出一个脉冲表示0. 01mm; 当滑尺快速滑动(> 12 m öm in) 时, 粗门开启, 每输出一个脉冲表示0. 1 ) A öD 转换控制器主要提供A öD 转换所需要的各种控制信号. 如计数脉冲输出控制、方向控制、粗精转换控制等.4) 模拟开关与函数变压器主要由双十选一双向模拟开关和函数变压器构成, 实现在BCD 码作用下20 路开关状态控制, 从而实现DöA 转换[ 6, 7 ]. 其原理如图2 所示. 由振荡器提供的10 kHz 的正弦信号经函数变压器耦合后输出10 个中心抽头接在第一级开关上, 通过不同的连接方法形成sinA A和co sA A,即将0°～ 180°十等分, 而sinA A和co sA A又分别作为第二级函数变压器的输入, 耦合出20 个信号, 形成sin (A A+ B B) = sinHe , (6)co s (A A+ B B) = co sHe , (7)式中: A , B = 0, 1, 2, ⋯, 9.这样, 由模拟开关的通断改变(A A+ B B) 的值, 就可改变He, 使其跟踪定滑尺相对位移Hm , 从而使系统处于平衡状态.5) 接口电路的功能是将脉冲输出、方向控制、清零与置数相关信息与计算机控制系统连接起来, 利用软件中设计的控制算法实现对宽度的闭环控制.利用该方法所研制的钢板宽度测控系统如图3 所示. 轧制后边部不齐的钢板首先被送到1# 剪切去一边, 然后通过辊道送到2# 剪, 由推床调整位置后, 2# 剪将以切齐的一边为基准, 按设定宽度切去另一边, 从而使钢板边部齐整, 又符合宽度要求. 感应同步器检测系统由安装于大位移传感装置上的5块接长的定尺与1 块滑尺组成, 推床通过钢丝绳和滑尺连接,这样, 就把推床的位移转换为滑尺的位移, 将宽度量转化为位移量, 再经位移ö数字转换系统, 将宽度数字信号送入工业控制计算机, 实现了钢板宽度的自动检测. 利用红外辐射高温计对钢板的实际温度进行检测, 以实现钢板宽度的自动温度补偿; IPC2610 工业控制计算机将位移信号与温度补偿后的设定值进行比较后, 对偏差进行运算处理, 通过最优控制算法[ 8 ]输出- 8 V～ + 8 V 电压信号控制直流驱动系统, 使推床自动定位到给定宽度上, 从而实现了钢板宽度的自动测控.(总第47 期) 感应同步器宽度测量方法的研究(潘海鹏等) 33 误差分析与校正由感应同步器作位移传感器构成的宽度测量系统中, 测量误差主要有以下几个方面的因素造成:1) 感应同步器连接误差由于笔者使用的感应同步器定尺长度为250mm , 工艺要求的测宽范围为1 m , 所以要用5 块定尺连在一起才能满足要求. 但在定尺接长的过程中, 定尺与定尺之间存在一定的间隙, 当滑尺在接长的定尺上滑行时, 该间隙的长度也会计入在内引起误差. 因此, 在设计位移传感装置时采取: ① 提高机械加工精度, 使5 块定尺保持在一个水平面上, 减少安装误差; ② 在传感装置的某一固定处, 设计零点自校正电路, 以消除滑尺往复运动所引起的接长误差.2) 位移脉冲的累积误差这部分误差主要由位移ö数字转换电路受干扰、温漂及函数变压器细分等因素的影响引起的. 解决的办法是对电路参数进行调整及采取相应的抗干扰措施. 如在现场将定、滑尺以及导轨封闭起来, 既防止了粉尘, 又起到了屏蔽作用.3) 温度对被测对象的影响物质的热膨胀往往给对象物理尺寸带来很大影响. 对于温度给热钢板宽度测量带来的误差是不能忽视的. 解决的办法: 依据在线被测钢板的温度、钢材的材质及热膨胀系数对钢板宽度进行在线自动温度补偿, 取得了较好的效果.4 应用效果应用新型位移ö数字转换装置所研制的钢板宽度测控系统已在天津中板厂投入运行, 系统不仅能实现钢板宽度的测量, 而且还具有前进、后退、设定、急停、手动ö自动无扰切换、超行程保护、报警等功能, 测量性能均达到或优于设计要求. 表1 为一组现场在线测量数据.表1 在线测量数据表Tab. 1 A n online measurement data table序号温度补偿öm m 设定量ömm 实测量öm m 误差量öm m 序号温度补偿ömm 设定量ömm 实测量ömm 误差量ömm1 4 1 807 1 809 2 6 5 1 807 1 812 02 4 1 857 1 862 - 1 7 4 1 807 1 811 03 4 1 857 1 859 2 8 5 1 607 1 613 - 14 5 1 807 1 812 0 9 5 1 807 1 813 - 15 5 1 807 1 810 2 10 6 1 807 1 813 0研究和应用结果表明, 利用新型位移ö数字转换系统所设计的宽度测控装置具有可靠性高、测量精度好、结构简单、适应性强等特点. 在工业生产的位置测量中具有广泛的应用前景和推广价值.参考文献:[1 ] 王建民, 浦昭邦. 图像式绝对码位移测量系统的研究[J ]. 光电工程, 2000, 27 (4) : 25- 29.[2 ] 冯显英, 姜乃春. 机床传动链感应同步器高精度测量系统[J ]. 山东工业大学学报, 2000, 30 (2) : 127- 131.[3 ] 赵育良, 张青臣. 基于线阵CCD 的全息光栅位移传感器[J ]. 测试技术学报, 2002, 16 (3) : 167- 170.[4 ] 单成样. 传感器的理论与设计基础及其应用[M ]. 北京: 国防工业出版社, 1999. 80- 98.[5 ] 端木时夏. 感应同步器及其数显技术[M ]. 上海: 同济大学出版社, 1990. 26- 189.[6 ] Chau L P, SiuW C. T ransfo rm Domain Recursive A lgo rithm to Compute D iscrete Co sine and Sine T ransfo rm s[J ].IN T. J. EL ECTRON ICS, 1996, 80 (3) : 433- 439.[ 7 ] M ansour I. Irsh id N ew D igital2to2A nalogue Conversion Technique[J ]. IN T. J. EL ECTRON ICS, 1989, 67 (1) : 27- 23.[8 ] 潘海鹏, 郭绍毅. 基于最优控制的钢板宽度测控系统[J ]. 工业控制计算机, 2003, 16 (9) : 37- 测试技术学报2004 年第1 期

其实就是罗列，对于布拉格光栅商业化应用来说，掩模法是最好的，其他的你可以罗列，对于掩模板的方法可以详细的叙述，我空间就有不少，掩模法随便抄就可以。另外在叙述一下特殊光栅，如D型，手征，塑料光纤光栅。

现代工业领域中的低频振动测量研究意义重大。低频振动监测在各种不同的工程应用中是一个至关重要的问题,例如：大型土木工程和基础设施的安全性监测、机械工程和铁路网络系统等。怎样实现如此大型基础设施或工程系统的无损健康监测系统是非常具有挑战性的。加速度传感器是智能诊断系统的关键技术之一,它在振动监测的智能诊断应用中有着非常重要的作用。电磁类加速度传感器是当前获取振动加速度相关信息的主要方法。然而,目前这种电类加速度传感器自身存在一定缺陷,因而限制了它的应用。光纤光栅传感器重量轻、体积小、不受电磁干扰、灵敏度高、带宽宽以及适用于恶劣的工作环境,使其能够替代传统的电类传感器用于振动监测等领域。论文以光纤布拉格光栅的传感原理为基础,结合一般振动加速度传感器的设计方法,设计了基于弯曲伸张结构和金属波纹管结构的两种光纤Bragg光栅低频加速度传感器,在此基础上完成了对以上设计方案的理论分析和实验研究。通过与标准压电加速度传感器的校正实验,得到了光纤布拉格光栅加速度传感器的幅频特性和灵敏度等参数。实验结果表明：基于弯曲伸张结构的光纤光栅加速度传感器的谐振频率为、灵敏度系数为；基于金属波纹管结构弯的光纤光栅加速度传感器的谐振频率、灵敏度系数为。实验结果与理论值接近。通过传感器结构参数的优化,可进一步提高传感器的性能指标。从实验结果可以看出：论文中设计的光纤布拉格光栅加速度传感器适用于10Hz和100Hz以下的低频振动测量。最后,在上述研究工作的基础上提出了三维光纤光栅加速度传感器的模型,并对其进行了理论分析。

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