一种新型光电位移传感器在Y-200圆度测量仪中的应用.pdf

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00-3762轴承2010年7期
54
CN41-1148/TH Bearing 2010, No. 7
种新型光电位移传感器
在Y-200圆度测量仪中的应用
李国斌,李利歌
(洛阳轴研科技股份有限公司,河南洛阳471039
摘要:设计了一种结构简单的完全非接触式光电位移传感器,应用ADS1210数字转换芯片处理光电位移信号,
在软件设计方面通过对ADS1210的实时校正调节,可在-2~2mm范围内移动时线性输出5mV~4.95V,外
围电路位移可准确测量到0.1m;最后将所设计的光电传感器用于Y-200圆度测量仪測试钢球的圆度,试验
结果表明测量精度较高,可靠性好
关键词:圆度测量仪;光电位移传感器;ADS1210数字转换芯片
中图分类号:TP212.14;THI13333文献标志码:B文章编号:1000-3762(2010)07-0054-04
滚动轴承是一种具有高度互换性的机械基础放大器INA122和数字转换芯片ADS1210进行数
件,是各种机械中传递运动和承受载荷的重要支据处理,将此传感器应用于Y-200圆度测量仪测
承零件。随着工业的发展,对轴承的性能、寿命和试钢球的圆度,并对测量结果进行了分析
可靠性提出了更高的要求。检测是保让轴承质量1光电传感器的工作原理及其外围
的一个重要环节。而轴承套圈与钢球的圆度对轴
承的性能影响非常大,圆度的检测至关重要。
电路设计
目前,用于解决测量小位移的方法主要有电
1光电传感器的基本工作原理
磁法和电容法,这两种电路的基本测量原理均是
对于光电传感器,不考虑边缘光的衍射影响
通过交流激励信号连续对传感器施加电流,形成时,其光电流值为:
与被测位移成比例的电流或电压信号,从而测量
=ES。
出被测位移值。电容式传感器由于输出特性的非式中:η为硅光电池转换效率;E为照度;S为光照
线性,寄生电容和分布电容对灵敏度和测量精度面积
的影响,以及与传感器联接的电路比较复杂等,影
因此,只要照度或光照面积这两个物理量直
响到其应用的可靠性,需要采取一定的补偿和校接或问接地变化,都能引起电流的变化,通过一定
正措施;电感式传感器电源的频率波动会导致测的测量线路将其转化为有用的信号输出,据此判
量误差,电源电压与输出电压还存在一定的相移,断物理量的变化,这就是光电传感器的基本工作
过大的正交分量会使波形失真,需通过相敏整流原理。根据改变的物理量不同,光电传感器可
电路来削弱。相对电容式和电感式传感器相对复以分为2种:(1)变遮光面积式,一般用来测量微
杂的电路结构和测量误差较大的缺点,光电传感小的线位移;(2)变光通量式,常用于光强的测量,
器根据硅光电器件光照面积的变化测量位移变也用于测量介质湿度,密度等状态参数。
化,具有结构简单,体积小,灵敏度高,转动惯量
可见,只要能转换为机械位移变化或物质介
小,抗恶劣环境性能好等一系列特点,在军工、汽质性质变化的物理量如压力、速度、加速度、力、湿
车、轮船等工业生产各个领域得到了广泛应用,是度、密度等,均可制成相应的光电传感器。因此光
当前传感器的重要发展方向之
电传感器具有很广的应用领域2。
在此主要设计了一种性能优良,高精度,完全1.2光电位移传感器的设计
无接触的光电位移传感器,仅从定片基板上引出
所设计的光电位移传感器采用变遮挡受光面
电极,动片的转动完全自由。应用高精度的仪器积式,通过改变两个硅光片正对受光面积来改变
电流值。为了从固定的硅光片上引出导线以及保
收稿日期:2010-02-05;修回日期:2010-03-09
证传感器输出量为线性值,将传感器设计如下:在
李国斌等:一种新型光电位移传感器在Y-200圆度测量仪中的应用
印制板上用焊装的方法固定好两个硅光片,作为方法采用脉冲光源和脉冲宽度调制电路等,这些
位移传器的号接收坂其白定片的中闻部分电路复杂,调试困难、稳定性能有限且设计成本很
是不连通的,由硅光片a,b组成;动为遮光挡高。光电传感器的光源采用恒定直流光源;信号
板,其形状如图1,图2所示。
采集电路采用模拟差动输入方法提取,有效地消
除衍射光对测量灵敏度和精度的影响。光电流信
号电路硬件图如图5所
印制板中间部分不相连
动片
图1定片的形状
图2动片的形状
INA 122
4根导线分别从定片的印制板上引出,为了减
少电磁于扰,导线需要屏蔽。将动片装置在直线
轴承上,再与定片平行放置,距离尽可能小,保持
b
平行运动。初始位置如图3所示。当动片移动
定位移量δ时,平行光、遮光动片和两个硅光定片
上正对部分就构成了两个光电流1和2(图4)。
图5光电流信号电路硬件
4电路测量精度的提高
动片
选择BUR- BROWN高性能AD数字转换
器ADS1210芯片,将位移由模拟量转换为数字量,
引线
再根据需要对数据进行处理。该器件集成度高,
印制板中间部分不相连
外围电路简洁,完全通过软件控制,应用灵活,结
图3初始位置
构如图6所示。
ADS1210
动片
土10VoC
Ainp
REF
士10VoC
REFOUT
?1.0uF
AGND
引线
MODE
印制板中间部分不相连c
图4移动δ后的位置
DRDY
下面对光电流进行计算:
D XIA
SDIO
マ1DGND
△l2=mES=mE(-8)ん
Dy
式中:8为传感器动片移动的距离;h为传感器动
图6数字转换器ADS1210片的结构图
片宽度。
由于电源对精度影响大,为了减少其影响,电
由差动电路光电流的计算公式得:
源必须稳定且噪声小。因此,使用MAX666作+5
△I=△1-△l2=2nEδh
(3)V电压的稳压芯片,利用电容的作用减少电压波
由(3)式得
动。电路图设计如图7所示(图7中Vcc是经稳
6=A1/2NE
4)压后输出的电压)。ADS1210采用差分输入,同时
如图4所示移动位移δ时,由(4)式可知在光输人端电压不能大于电源电压且不能小于零。为
照E和动静片尺寸不变的情况下,6a△,呈线性了能输入双极性信号,并加大测量范围,提高测量
关系。
精度,采用图8所设计的电路。图8中差分输入
1.3位移信号的采集与处理
的负端接芯片REF192的2.5V输出,保证差分基
光电传感器由于受几何尺寸和光源的限制,准电压的稳定。差分输入正端利用两电阻调节,
光电流都很小,一般仅几微安到几十微安,故需选以满足测量范围的要求。图中3.3V电压由
用高阻抗元件。同时由于电流值太小,使其易受REFI96稳压芯片提供。当输入信号在-5~+5V
外界的干扰,信号的提取比较困难。传统的测量内变化时,可算出AINP处的电压范围约为1.25