非接触相对位移传感器

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 49 研究所 ,黑龙江 哈尔滨 150001) 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 0. 4～7 m ,位移幅值 5 mm , 测量分辨力 1～7μm ,准确度 10μm ,频率响应为 0～100 Hz。 关键词 : 振动测量 ; 非接触测量 ; 激光 中图分类号 : TP212 　　　文献标识码 : A 　　　文章编号 : 1000 - 9787(2002) 12 - 0040 - 03 Non2contact displacement sensor LI Kun , QIAO Zhi2feng , ZHANG Cheng2yan ( The 49th Research Institute of the Electronics ,Ministry of Information Industry , Harbin 150001 , China) Abstract : In order to increase accuracy of displacement ,a noncontact laser displacement sensor based on position sensi2 tive detector is introduced. A design of sensor is analyzed ,the main technical parameters of the developed sensor are op2 erating range 0. 4～7 m ,moving distance 5 mm ,measuring resolution 1～7μm ,accuracy 10μm ,frequency response 0～ 100 Hz. Key words : vibration measurement ; noncontact measurement ; laser 0 　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[1 ,2 ] ,该传感器工作距离为 0. 4～7 m ,位移幅值 5 mm ,测量分辨率 1～7μm ,准确度 10μm ,频率响应 为 0～100 Hz. 1 　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 1 mm ×3 mm ,其结构如图 1 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 :2002 - 08 - 15 图 1 　位置敏感器件的结构及等效电路 Fig 1 　Position sensitive detector constitution and equivalent circuit 　　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 , (1) 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 I1 和 I2。I1 和 I2 的大小取决于入射光点 04　　　　　　　　　　　　传感器技术 (Journal of Transducer Technology) 　　　　　　　　　　2002 年 第 21 卷 第 12 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 1 号电极和 2 号电极 的电阻分别为 R1 = R ·( L + X) / 2L , R2 = R ·( L - X) / 2L , 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 1 (b) 所示 ,R1 和 R2 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 R1 , R2 可忽略 ,则 I电 = I1 + I2 , (2) I1/ I2 = R2/ R1 = ( L - X) / ( L + X) , (3) 求解得 X = L ( I2 - I1) / ( I2 + I1) . (4) 由式 (1) ,式 (3) 表明 ,单电极输出电流 I1 , I2 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 , ( I2 - I1) 和 ( I2 + I1) 也按同一比例 关系变化。但式 (4) 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 (4) 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。 2 　信号处理框图 信号系统的信号处理框图如图 2 所示。 图 2 　信号处理电路原理图 Fig 2 　Schematic diagram of signal processing circuit 　　图 2 首先通过 I/ V 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 (4) ,得到入射光 点距离位置敏感器件中心位置 X 值。 3 　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 3 所示。 图 3 　光学成像测量原理图 Fig 3 　Schematic diagram of optical measuring 　　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 1/ a + 1/ b = 1/ f , (5) 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 = h/ s = a/ b , (6) 式中 　h 为物点离光轴距离 ; s 为象点离光轴距离。 F =Δh/Δs , (7) 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 (6) 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 3 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 7μm。采用高灵敏度的位置敏感器件 , 其分辨力为 0. 1μm。因此最大放大倍数为 70。即 放大倍数 　F = a/ b = 7μm/ 0. 1μm = 70 . 由于最远工作距离为 7 m ,即 a = 7 m ,所以 b = 100 mm ,由公式 (7) 可得焦距为 f = 99 mm . 因此采用焦距为 100 mm 的双凸镜头 ,镜面直径 为 25 mm. 4 　传感器性能试验 4. 1 　静态试验 由式 (6) 、式 (7) 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 1μm) ,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。 14第 12 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 1. 8 m ,结果 如表 1 所示。 表 1 　位移测量结果 Tab 1 　Displacement measuring result 物距 a = 1. 8 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) 0 0. 288 1 6 - 0. 043 2 1 0. 232 6 7 - 0. 098 5 2 0. 178 0 8 - 0. 154 6 3 0. 122 2 9 - 0. 209 7 4 0. 067 1 10 - 0. 265 3 5 0. 011 8 　 　 　　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 　　　　　18. 075 ; 非线性误差 　　　　8/ 10 000 ; 传感器最大绝对误差 　　8μm. 从实验结果可以看出 ,振幅为 5 mm 时 , 放大倍 数 F大于18. 075时 (选择放大倍数20倍以上) , 在位 置敏感器件中心范围 0. 288 1～ - 0. 265 3 mm之间非 线性误差为 8/ 10 000 ,其误差为 8μm ,就能够保证准 确度 10μm。 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 = a/ b 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 2 ～ 7 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 1. 8m时的位置敏感器件中心范围 0. 288 1 ～ - 0. 265 3 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 8/ 10 000 ,对于 振幅为 5 mm的振动来说 ,其误差应小于 8μm。 当工作距离为 2 m 时 ,由式 (7) 得知激光位移传 感器的分辨力公式为 Δh = F ×Δs , Δh = 2μm , 分辨力为 2μm. 综上所述 ,当传感器工作距离为 2 ～ 7 m 时 ,其 分辨力为 2 ～ 7μm ,误差小于 10μm。 由式 (5) 1/ a + 1/ b = 1/ 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 2 m 范围 内 , 按照上述设计原理 , 选择另一种镜头焦距 f = 20 mm ,以放大倍数 20 来算 , a 应为 0. 4 m ,也就 是说 ,工作距离在 0. 4 m 时 ,放大倍数大于 20 ,当工 作距离在 0. 4 ～ 2 m时 ,放大倍数都超过 20 倍 ,所以 测量误差都保证在 8μm。 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 0. 4 ～ 7 m 时 ,能够满足 放大倍数都超过 20 倍 ,也就是测量准确度能够保证 在 10μm。 4. 2 　动态试验 4. 2. 1 　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 1 m ,选择频率为 10 Hz 振幅为 1 mm 的正弦振动 ,通过高速 A/ D 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 5μm ,图 4 为所采集的振动波形。 图 4 　振动信号波形图 Fig 4 　Waveform diagram of vibration signal 4. 2. 2 　分辨力实验 选择频率为30 Hz振幅为1μm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 30 Hz 的正弦信号 ,达到分 辨力在 1 ～ 7μm 要求。 4. 2. 3 　频响特性 使低频振动台从 0 Hz 至 100 Hz 每 10 Hz 变化一 次 ,振幅均为 40μm ,图 5 示出频率响应曲线测量结 果 ,满足 0～100 Hz 频响特性要求。 图 5 　传感器的频率响应曲线 Fig 5 　Frequency response curve of transducer (下转第 46 页) 24　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　传 感 器 技 术 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第 21 卷 　 表 4 　样本输入带有随机噪声的训练结果 Tab 4 　Training result with radon noise input 输　出　节　点 　不平衡 0. 997 46 0. 000 00 0. 002 22 0. 000 305 0. 001 60 0. 000 14 0. 000 00 0. 000 00 0. 000 26 0. 000 00 　气动力偶 0. 001 21 0. 996 54 0. 000 00 0. 001 13 0. 002 36 0. 000 75 0. 001 72 0. 002 13 0. 001 15 0. 000 00 　不对中 0. 001 80 0. 000 00 0. 996 65 0. 001 52 0. 001 16 0. 000 24 0. 000 01 0. 000 23 0. 000 00 0. 001 67 　油膜涡动 0. 001 20 0. 000 01 0. 001 33 0. 997 51 0. 000 97 0. 000 00 0. 000 00 0. 001 28 0. 001 11 0. 000 00 　转子碰摩 0. 001 77 0. 001 98 0. 000 27 0. 000 82 0. 996 66 0. 002 25 0. 000 00 0. 000 00 0. 001 09 0. 000 00 　共生松动故障 0. 000 04 0. 000 00 0. 000 09 0. 000 00 0. 001 83 0. 997 17 0. 000 44 0. 000 00 0. 000 76 0. 000 86 　推力轴承损坏 0. 000 01 0. 000 03 0. 000 00 0. 000 00 0. 000 00 0. 001 07 0. 997 77 0. 001 15 0. 000 02 0. 000 88 　喘振 0. 000 32 0. 003 56 0. 000 01 0. 001 36 0. 000 00 0. 000 02 0. 001 63 0. 995 00 0. 000 00 0. 000 02 　轴承座松动 0. 000 02 0. 001 12 0. 000 00 0. 000 92 0. 001 01 0. 000 26 0. 000 08 0. 000 00 0. 997 96 0. 000 55 　不等轴承刚度 0. 000 00 0. 000 00 0. 002 36 0. 000 55 0. 000 00 0. 001 80 0. 001 65 0. 001 53 0. 001 21 0. 997 79 表 5 　带有噪声样本训练的网络对表 2 故障的测试结果 Tab 5 　Test result of noise sampled training network with input data in table 2 输出节点 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 测试结果 1 0. 000 02 0. 059 64 0. 000 00 0. 000 13 0. 118 36 0. 002 37 0. 000 41 0. 000 00 0. 968 25 0. 000 15 测试结果 2 0. 029 27 0. 000 05 0. 000 44 0. 000 10 0. 794 74 0. 003 56 0. 000 03 0. 000 00 0. 000 58 0. 000 00 　　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。 3 　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 : [1 ] 　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 ,2000. 104 - 137. [2 ] 　Rumelhart D E ,Hinton G E ,Williams R J .Learning internal represen2 tations by error propagation[J ] . MIT Press ,1986 ,1 :318 - 362. [3 ] 　Ochiai K, Toda N ,Uaui S. Kick2out learning algorithm to reduce the oscillation of weights[J ] . Neural Networks ,1994 ,7 (5) :797 - 807. [4 ] 　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 ,1997. 91 - 136. [5 ] 　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 ,1996 ,9 (1) :31 - 37. [6 ] 　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 ,1996 ,17 (1) :42 - 48. 作者简介 : 沈晓燕 (1969 - ) ,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 42 页) 5 　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 : [1 ] 　钱浚霞. 郑坚立. 光电检测技术 [ M] . 北京 :机械工业出版社 , 1993. 89 - 104. [2 ] 　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 ,2001 ,20 (1) :37 - 39. 作者简介 : 李　昆 (1965 - ) ,男 ,哈尔滨人。高工 ,硕士 ,现在 49 所从事光 电及磁传感器研究。 64　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　传 感 器 技 术 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第 21 卷