非接触位移传感器报告

1. 应用场合说明

低压活塞连同油轴一起运动，可转动，定位面为右端盖。箱体、左、右端盖、活塞杆均为不动。测量油缸的活塞位移，活塞与左端盖之间是气腔，最小距离5mm，活塞与右端盖之间是储油腔，最大压力小于2MPa，（活塞）行程510mm。

2. 超声式位移传感器

2.1超声波原理及基本应用

超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，有两种形式：横向振荡（横波）及纵向振荡（纵波）。在工业中应用主要采用纵向振荡。超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。另外，它也有折射和反射现象，并且在传播过程中有衰减。在空气中传播超声波，其频率较低，一般为几十KHZ，而在固体、液体中则频率可用得较高。在空气中衰减较快，而在液体及固体中传播，衰减较小，传播较远。利用超声波的特性，可做成各种超声传感器，配上不同的电路，制成各种超声测量仪器及装置，并在各个行业得到广泛应用。

超声波应用有三种基本类型，透射型用于遥控器，防盗报警器、自动门、接近开关等；分离式反射型用于测距、液位或料位传感器；反射型用于材料探伤、测厚传感器等。

2.2超声式位移传感器的工作原理

超声波传感器主要材料有压电晶体（电致伸缩）及镍铁铝合金（磁致伸缩）两类。电致伸缩的材料有锆钛酸铅（PZT）等。压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能转变成电能，所以它可以分成发送器或接收器。超声波传感器包括三个部分：超声换能器、处理单元和输出级。

首先处理单元对超声换能器加以电压激励，其受激后以脉冲形式发出超声波，当超声脉冲遇到障碍物时，脉冲发生发射。接着超声换能器转入接收状态（相当于一个麦克风），处理单元对接收到的超声波脉冲进行分析，判断收到的信号是不是所发出的超声波的回声。如果是，就测量从发出超声脉冲到接收到反射脉

冲的时间间隔，根据测量的时间换算为行程，除以2，即为反射超声波的物体距离。把超声波传感器安装在合适的位置，对准被测物变化方向发射超声波，就可测量物体表面与传感器的距离。

若此距离太小，则时间间隔太短，难以测准；若距离太大，则反射脉冲太弱，也难以测准，因此所测距离有一个范围，该范围随传感器不同有所区别。同时，障碍物的反射面积不能太小，通常需超过10cm2。此外，超声波有一定的发射角，该传感器的发射角为±15°。因此，被测物体应在此范围内，而在此范围内不应有其他会反射超声波的物体存在。

2.3环境对超声波测量的影响

（1）空气温度的影响

声波行程时间受气温的影响程度为0.17%/K。也就是说40℃时的声速相对于20℃时改变了+3.4%，因此测量距离也会改变约+3.4%。但如果选用的超声波传感器中有温度补偿功能，此影响可忽略不计。 （2）空气湿度的影响

从干燥的空气到饱和湿度的空气中，声速最多增加2%。因此测量距离改变最大也只有2%。实际现场中，空气湿度变化不会如此大，此影响一般小于1%。 （3）空气压力的影响

在固定地点，正常情况下的气压波动为±5%，会造成声速波动约±0.6%。 （4）气流的影响

当风速大于50km/h时，声波速度及方向的改变会大于3%。在现场使用中，只有靠近被测物表面的几厘米的气流有可能大于20km/h，且垂直于测量方向，故对测量结果的影响可忽略。 （5）油雾的影响

只要防止油雾沉降在超声换能器的有效表面上，就可避免它的影响。

2.4超声式位移传感器的优点及缺点

超声波传感器的优点是不是光学装置，所以检测不受目标的色彩、反光性和尺寸，且价格较激光式位移传感器较低。

超声波传感器是依据声速测量距离的，因此存在一些固有的缺点，不能用于以下场合：

①待测目标与传感器的换能器不相垂直的场合。因为超声波检测的目标必须处于与传感器垂直方位偏角不大于10°角以内；

②需要光束直径很小的场合。因为一般超声波束在离开传感器2m远时直径为0.76cm；

③需要可见光斑进行位置校准的场合； ④多风的场合； ⑤真空场合；

⑥温度梯度较大的场合，因为这种情况下会造成声速的变化； ⑦需要快速响应的场合。

2.5初步选型方案

公司 型号 外观 检测距离 量程 分辨率 50-800mm 750mm 0.4mm 200-2000mm 1800mm 测量范围<705mm:0.172mm; 测量范围>705mm:测量距离/4096mm; 上海贝特威 UT18-800 欧姆龙 E4PA-LS200-M1 重复精度 供电电压 模拟量输出 防护等级 外壳材料 0-800mm 0.5% 0.1%F.S.以下 10-30VDC 4-20mA IP65 镀镍黄铜、不10-30VDC 4-20mA,0-10V IP65 不锈钢 锈钢 工作温度 外形尺寸 重量 价格

安装时将超声波传感器装在左盖板上，建议适当调整左盖板到活塞之间的最小距离d1，使之至少为超声传感器测量距离的下限，活塞到右端盖之间的距离仍保持510mm。安装示意图如下所示：

-25..+70℃ M18x70mm 80g -10..+55℃ 240g ￥7011.67-11086.8

3. 激光式位移传感器

3.1 激光和激光器

激光传感器是利用激光技术进行测量的传感器。它由激光器、激光检测器和测量电路组成。激光具有3个重要特性:①高方向性（即高定向性，光速发散角小），激光束在几公里外的扩展范围不过几厘米；②高单色性，激光的频率宽度比普通光小10倍以上；③高亮度，利用激光束会聚最高可产生达几百万度的温度。

激光器按工作物质可分为 4种：①固体激光器：它的工作物质是固体，特点是小而坚固、功率高；②气体激光器：它的工作物质为气体，特点是输出稳定，单色性好,寿命长,但功率较小，转换效率较低。③液体激光器:无机液体激光器和有机染料激光器等，最大特点是波长连续可调。④半导体激光器：特点是效率高、体积小、重量轻、结构简单，但输出功率较小、定向性较差、受环境温度影响较大。

3.2 激光式位移传感器工作原理

工业生产中的非接触、在线测量是非常重要的应用领域，采用非接触测量可以完成许多用接触式测量手段无法完成的检测任务。普通的光学测量在大地测绘、建筑工程方面有悠久的应用历史，其中距离测量的方法就是利用基本的三角几何学。在80年代末90年代初，人们开始激光与三角测量的原理相结合，形成了激光三角测距器。激光三角法位移测量的原理是，用一束激光以某一角度聚焦在被测物体表面，然后从另一角度对物体表面上的激光光斑进行成像，物体表面激光照射点的位置高度不同，所接受散射或反射光线的角度也不同，用CCD光电探测器测出光斑像的位置，就可以计算出主光线的角度，从而计算出物体表面激光照射点的位置高度。当物体沿激光线方向发生移动时，测量结果就将发生改变，从而实现用激光测量物体的位移。

激光三角法工作原理示意图

3.3 激光式位移传感器优点及缺点

由于激光具有高方向性、高单色性和高亮度的特点，激光式位移传感器可实现无接触远距离测量。它的优点是速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等。同时传感器的测量不受被测物的材料、质地、形状、反射率的。在从白色到黑色，从金属到陶瓷、塑料都可以测量。并且由于激光的光点很小，可以有效检测小面积被测面。

激光式位移传感器的缺点主要包括：成本高、体积大、测量盲区较大。随着半导体激光器和CCD等图像探测用电子芯片的发展，激光式位移传感器器在性能已经不断改进。

3.4 初步选型方案

公司 型号 外观 检测距离 量程 分辨率 光斑直径 供电电压 输出 200-950mm 750mm 50μm 1500μm 11-30VDC 145-750mm 605mm 0.03% 5/12/24V 德国米铱 ILD1700-750 上海真尚有 ZLDS100-750 4-20mA/0-10V 4-20mA/0-10V/RS485 /RS422 /RS232/CAN IP67 不锈钢 防护等级 外壳材料 IP65 镀镍黄铜、不锈钢 工作温度 外形尺寸 重量 价格

0..+50℃ 600g -10..+60℃ 65x50x20 100g 与超声位移传感器类似，安装时将超声波传感器装在左盖板上，建议适当调整左盖板到活塞之间的最小距离d1，使之至少为激光传感器测量距离的下限，以避开测量盲区，活塞到右端盖之间的距离仍保持510mm。安装示意图如下所示：

4. 拉绳式位移传感器

4.1 拉绳式位移传感器工作原理

拉绳式位移传感器的功能是把机械运动转换成可以计量，记录或传送的电信号。传感器由可拉伸的不锈钢绳绕在一个有螺纹的轮毂上，此轮毂与一个精密旋转感应器连接在一起，感应器可以是增量编码器，绝对（）编码器，混合或导电塑料旋转电位计，同步器或解析器。 操作上，位移传感器安装在固定位置上，拉绳缚在移动物体上。拉绳直线运动和移动物体运动轴线对准。运动发生时，拉绳伸展和收缩。一个内部弹簧保证拉绳的张紧度不变。带螺纹的轮毂带动精密旋转感应器旋转，输出一个与拉绳移动距离成比例的电信号。测量输出信号可以得出运动物体的位移、方向或速率。

拉绳式位移传感器工作原理图

4.2 拉绳式位移传感器的优点及缺点

拉绳式位移传感器的优点包括：

（1）能够用来跟踪线性、旋转、2维、3维的移动，如下图所示。在空间狭小、安装受的场合，拉绳式位移传感器这种性能具有独一无二的优势；

（2）安装灵活及安装快速：钢索有许多种灵活安装，别的安装包括：磁铁、吊环螺栓或螺纹扣件。也可以通过滑轮和软管来克服障碍物，如下图所示。安装时间通常<2min，便于试验和研究开发；

移动钢索终端及滑轮的应用

（3）质量轻、精度高、可靠性高、使用寿命长：该传感器带有可靠的、质量轻不锈钢或大拉力的结构的绳索，同时，配有阳极化铝组件。这样传感器就有很小的质量-量程比。这种优势在航空、导弹发射、航空飞行器、赛车、机器人、生物医学应用方面极为重要。在大的振动和冲击场合，质量轻的特点还能增加传感器的寿命和可靠性；

（4）低电压激励、多种输出信号可选、工作温度范围宽。

4.3 初步选型方案

公司 美国约克 型号 外观 YKL 检测距离 量程 分辨率 供电电压 输出 工作温度 外形尺寸 重量 价格 0mm 0mm ±0.0635mm <5VDC 4-20mA/0-5V/±10V/RS232 -40..+85℃ 43diax39mm 85 安装时将带有轮毂的部分装在左端盖上面，钢绳通过钢索终端连接在通油轴上。当活塞连同油轴一起沿轴向运动或绕轴转动时，传感器记录其位移。