下载

1下载券

加入VIP
  • 专属下载特权
  • 现金文档折扣购买
  • VIP免费专区
  • 千万文档免费下载

上传资料

关闭

关闭

关闭

封号提示

内容

首页 非接触相对位移传感器

非接触相对位移传感器.pdf

非接触相对位移传感器

就这样流浪
2011-02-15 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《非接触相对位移传感器pdf》,可适用于工程科技领域

非接触相对位移传感器李 昆,乔智锋,张承燕(信息产业部电子第研究所,黑龙江哈尔滨)摘 要:为了提高建筑结构中的位移测量准确度,介绍了一种基于位置敏感元件的激光非接触位移传感器,对传感器的设计进行了分析。研制的传感器的主要技术参数为工作距离为~m,位移幅值mm,测量分辨力~μm,准确度μm,频率响应为~Hz。关键词:振动测量非接触测量激光中图分类号:TP   文献标识码:A   文章编号:()NoncontactdisplacementsensorLIKun,QIAOZhifeng,ZHANGChengyan(ThethResearchInstituteoftheElectronics,MinistryofInformationIndustry,Harbin,China)Abstract:Inordertoincreaseaccuracyofdisplacement,anoncontactlaserdisplacementsensorbasedonpositionsensitivedetectorisintroducedAdesignofsensorisanalyzed,themaintechnicalparametersofthedevelopedsensorareoperatingrange~m,movingdistancemm,measuringresolution~μm,accuracyμm,frequencyresponse~HzKeywords:vibrationmeasurementnoncontactmeasurementlaser 引 言在建筑结构或大型结构研究中,层间相对位移是决定结构变形或倾覆的一个重要指标,因此对层间相对位移的测量也提出越来越高的要求。目前建筑结构研究中,层间相对位移测量均采用以变阻原理为主的拉线传感器。这种传感器的分辨力及准确度都比较低,难以满足实际要求。基于此,研究开发出一种以位置敏感器件为主的相对位移传感器,,该传感器工作距离为~m,位移幅值mm,测量分辨率~μm,准确度μm,频率响应为~Hz 位置敏感器件的工作原理位置敏感器件的主要结构为一个半导体PN结,当一个半导体受到非均匀光照射时,便会产生横向光电效应。本文所采用的位置敏感器件光敏面为mm×mm,其结构如图所示。表面P层为感光面,两边各有一输出电极,底层的公共电极接反偏电压,P与N中间是I层。收稿日期:图 位置敏感器件的结构及等效电路Fig Positionsensitivedetectorconstitutionandequivalentcircuit  当入射光照到光敏面上某一点时,假设光强为I光,所产生的总光电流为I电,其关系可表示为I电=βI光,()其中 β为转换系数。由于在入射光点到信号电极间存在横向电势,若在两个信号电极上接一负载电阻器,则在两极得到光电流I和I。I和I的大小取决于入射光点            传感器技术(JournalofTransducerTechnology)          年第卷第期位置及两极间的等效电阻。如果P表面层的电阻是均匀的,其值R,则入射光点到号电极和号电极的电阻分别为R=R·(LX)L,R=R·(LX)L,式中 L为位置敏感器件中点距信号电极间距离X为入射光点到位置敏感器件中点距离。位置敏感器件的等效电路图如图(b)所示,R和R的阻值取决于入射光点的位置,假设负载电阻RL的阻值相对R,R可忽略,则I电=II,()II=RR=(LX)(LX),()求解得X=L(II)(II)()由式(),式()表明,单电极输出电流I,I与入射光强呈线性关系,光强变化,单电极输出电流同步按比例变化,(II)和(II)也按同一比例关系变化。但式()由于是相比关系,计算结果保持不变,即入射光点位置X与入射光强变化无关,只与两极输出电流之比有关,当入射光点位置固定,式()结果恒定,因此位置敏感器件就成为仅对入射光光点位置敏感的光电器件。 信号处理框图信号系统的信号处理框图如图所示。图 信号处理电路原理图Fig Schematicdiagramofsignalprocessingcircuit  图首先通过IV电流电压转换,将来自位置敏感器件两极的电流转换为电压信号,随后将两路电压信号进行加法运算ADD,减运算SUB,进而送到除法器中进行运算DIV,根据公式(),得到入射光点距离位置敏感器件中心位置X值。 相对位移传感器工作原理在设计中采用光学直射法透镜成像测量原理,如图所示。图 光学成像测量原理图Fig Schematicdiagramofopticalmeasuring  其中H面(物面,将激光管固定在物面上)垂直于光轴(激光管光源出射方向沿着光轴),测量时激光管沿H面振动,S面(像面,将位置敏感器件固定在像面上)垂直于光轴,H面各个点和S面上的成像像点一一对应,符合成像规律。由透镜成像公式得知ab=f,()其中 a为物距b为像距f为焦距。放大倍数(垂轴放大率)为F=hs=ab,()式中 h为物点离光轴距离s为象点离光轴距离。F=ΔhΔs,()式中 Δh为物点振动位移Δs为象点振动位移。当激光管在H面上振动,距离光轴h时,通过透镜成像光点于S面上,距离光轴s。如果能够测量出s的大小,通过公式()可以计算出h的大小。由上一节讨论可知,通过位置敏感器件可以计算出光点在位置敏感器件上的位置s,由此就可以计算出激光管的振动位移h。即可以完成对振动位移的测量。由图可以看出,激光管的位移和成像光点在位置敏感器件上的位移是两个不同的数值,它们之间存在一个放大倍数F。由于设计相对位移传感器的分辨力最大为μm。采用高灵敏度的位置敏感器件,其分辨力为μm。因此最大放大倍数为。即放大倍数 F=ab=μmμm=由于最远工作距离为m,即a=m,所以b=mm,由公式()可得焦距为f=mm因此采用焦距为mm的双凸镜头,镜面直径为mm 传感器性能试验 静态试验由式()、式()得知,位置敏感器件和位移测量结果具有相同的线性度,通过对位置敏感器件线性度的测量,就可以得知位移测量结果的线性度。将传感器激光管固定在精密位移台上(准确度为μm),移动精密位移台和激光源,固定位移传感器的另一端(位置敏感器件)进行测量。第期               李 昆等:非接触相对位移传感器                 激光源和位置敏感器件工作距离为m,结果如表所示。表 位移测量结果Tab Displacementmeasuringresult物距a=m激光管位移h(mm)成像光点位移s(mm)激光管位移h(mm)成像光点位移s(mm)    在激光管位移和成像光点位移之间建立关系,通过最小二乘法计算,结果如下:放大倍数     非线性误差    传感器最大绝对误差  μm从实验结果可以看出,振幅为mm时,放大倍数F大于时(选择放大倍数倍以上),在位置敏感器件中心范围~mm之间非线性误差为,其误差为μm,就能够保证准确度μm。由位置敏感器件特性可以知道,越靠近位置敏感器件中心范围附近,其线性越好,对于一定焦距的镜头成像来说,工作距离越大即a越大,b越小,放大倍数F=ab越大,激光管的成像光点在位置敏感器件中心范围越小,也就是说,当工作距离为~m时,激光管所成的成像光点在位置敏感器件中心范围小于工作距离为m时的位置敏感器件中心范围~mm,越靠近位置敏感器件中心,也就具有更小的非线性度,非线性度小于,对于振幅为mm的振动来说,其误差应小于μm。当工作距离为m时,由式()得知激光位移传感器的分辨力公式为Δh=F×Δs,Δh=μm,分辨力为μm综上所述,当传感器工作距离为~m时,其分辨力为~μm,误差小于μm。由式()ab=f可知,对于一定工作距离即a恒定,焦距f变小,b也变小,放大倍数F变大。如果在工作距离m范围内,按照上述设计原理,选择另一种镜头焦距f=mm,以放大倍数来算,a应为m,也就是说,工作距离在m时,放大倍数大于,当工作距离在~m时,放大倍数都超过倍,所以测量误差都保证在μm。综上所述,根据不同的工作距离在两种焦距镜头进行选择,当工作距离在~m时,能够满足放大倍数都超过倍,也就是测量准确度能够保证在μm。 动态试验 振幅测量将传感器在低频振动台上进行动态标定,传感器的工作距离为m,选择频率为Hz振幅为mm的正弦振动,通过高速AD采集卡将振动信号实时采集,存入计算机,进行分析测量,误差为μm,图为所采集的振动波形。图 振动信号波形图Fig Waveformdiagramofvibrationsignal 分辨力实验选择频率为Hz振幅为μm的正弦振动,以迈可尔逊干涉仪监测其振幅,通过计算机所采集的振动信号分析,可明显看到Hz的正弦信号,达到分辨力在~μm要求。 频响特性使低频振动台从Hz至Hz每Hz变化一次,振幅均为μm,图示出频率响应曲线测量结果,满足~Hz频响特性要求。图 传感器的频率响应曲线Fig Frequencyresponsecurveoftransducer(下转第页)                      传感器技术                   第卷 表 样本输入带有随机噪声的训练结果Tab Trainingresultwithradonnoiseinput输 出 节 点 不平衡 气动力偶 不对中 油膜涡动 转子碰摩 共生松动故障 推力轴承损坏 喘振 轴承座松动 不等轴承刚度表 带有噪声样本训练的网络对表故障的测试结果Tab Testresultofnoisesampledtrainingnetworkwithinputdataintable输出节点测试结果测试结果  仿真结果表明,改进后的BP算法可有效地提高多层感知器网络的学习速度,迅速而高精度地完成学习任务,同时学习过程还兼备良好的鲁棒性与收敛性。 结 论利用多层感知器神经网络作为故障诊断的手段,针对多层感知器BP算法在故障诊断中存在的问题,提出了一种动态调整学习率与附加梯度变化量和动量项相结合的权值优化方法,同时引入了绝对误差函数对多层感知器中的BP算法加以改进。用这种算法训练三层感知器神经网络实现对旋转机械的故障诊断,仿真结果表明网络收敛速度明显加快,克服了传统BP算法的缺陷,并具有一定的鲁棒性与稳定性。通过对某汽轮机故障的诊断,结果表明这种方法可以准确地诊断出存在的故障,诊断准确度较高,具有一定的工程应用价值。参考文献: 虞和济,陈长征,张 省,等基于神经网络的智能诊断M北京:冶金工业出版社, RumelhartDE,HintonGE,WilliamsRJLearninginternalrepresentationsbyerrorpropagationJMITPress,,: OchiaiK,TodaN,UauiSKickoutlearningalgorithmtoreducetheoscillationofweightsJNeuralNetworks,,(): 孙增圻,张再兴,邓志东智能控制理论与技术M北京:科学技术出版社, 张 炜,张优云,战仁军,等旋转机械故障诊断中的神经网络改进算法研究J振动工程学报,,(): 汤天浩,罗成汉,李杰仁改进BP算法的参数优化和知识学习J上海海运学院学报,,():作者简介:沈晓燕(),女,江苏南通市人,讲师,工学硕士,研究方向:传感器及信号处理。(上接第页) 结 论研制出的非接触相对位移传感器,完全满足设计要求,可以满足建筑结构中对层间相对位移的测量要求,为振动测量提供一种新的测量方法。该传感器具有工作距离大,分辨力高,线性好的特点,由于该传感器非接触的特点,也可做非接触绝对位移传感器,对光学镜头的适当处理,可保证该传感器在各种恶劣环境工作,同时传感器仪器成本较低,使用简单,便于推广。参考文献: 钱浚霞郑坚立光电检测技术M北京:机械工业出版社, 王贵甫陈桂林,陈雨良基于激光干涉仪的角度测量技术J传感器技术,,():作者简介:李 昆(),男,哈尔滨人。高工,硕士,现在所从事光电及磁传感器研究。                    传感器技术                    第卷

用户评价(0)

关闭

新课改视野下建构高中语文教学实验成果报告(32KB)

抱歉,积分不足下载失败,请稍后再试!

提示

试读已结束,如需要继续阅读或者下载,敬请购买!

文档小程序码

使用微信“扫一扫”扫码寻找文档

1

打开微信

2

扫描小程序码

3

发布寻找信息

4

等待寻找结果

我知道了
评分:

/4

非接触相对位移传感器

VIP

在线
客服

免费
邮箱

爱问共享资料服务号

扫描关注领取更多福利