采用精密非接触式位移传感器的运动控制技术

简介
非接触式位移传感器用于表面或工艺不允许接触且要求高精度的测量应用。电容式、共焦式、涡流式和激光三角反射式传感器已在包含运动系统的应用中证明了其价值。非接触式传感器有许多不同的版本。然而，随着所需精度的提高，传感器的量程会显著减小。

尽管量程受限，市场上仍有大量产品可供针对特定应用选择合适的传感器。以下内容简要解释了每种位移传感器技术，以帮助简化您的选择。
请注意，实现的精度不仅取决于传感器本身，还取决于电子设备、信号处理和环境条件的综合影响。

涡流测量原理
严格来说，涡流原理应归类为电感式测量原理。基于涡流的测量是基于从振荡电路中提取能量。这种能量是感应电导材料中产生涡流所必需的。在这里，线圈通入交流电，从而在线圈周围形成磁场。

根据法拉第电磁感应定律，如果该磁场中存在导电物体，则会在其中产生涡流。根据楞次定律，这些涡流的磁场与线圈的磁场相反，这会导致线圈阻抗发生变化。阻抗的这种变化可以作为绝对距离输出。

图 1. 涡流位置传感原理（由 Micro Epsilon UK 提供）

涡流传感器可用于具有铁磁和非铁磁特征的所有导电物体，并可用于“透视”非导电物体。它们通常具有较小的传感器尺寸。涡流传感器常用于环境条件恶劣且需要“中等”精度的应用。对污垢、压力和极端温度的免疫力是关键的性能特征，使其成为激光加工环境中运动系统使用传感器进行焦点高度调整等应用的理想选择。输出信号和线性度取决于目标材料的电学和磁学特性，因此传感器需要根据被测材料进行校准。传感器直径和有效测量光斑直径随测量范围的增大而增大。然而，这可以用于利用较大的光斑尺寸平均化表面影响。

电容式测量原理
电容测量原理基于理想板式电容器的工作方式。如果恒定频率的交流电通过传感器电容器，则传感器上的交流电压振幅与到目标（接地电极）的距离成正比。在实践中，由于传感器设计为保护环型电容器，实现了近乎理想的线性特性。电容式传感器也可以测量绝缘材料。

                                                   图 2. 电容式位置传感原理（由 Micro Epsilon UK 提供）

电容式传感器的优点包括对所有导电物体具有恒定的灵敏度和线性度。它们还具有较高的温度和信号稳定性。电容式传感器拥有亚纳米级的分辨率和良好的线性度。电容式传感器非常适合相对干净环境中的大型平整表面，因此应避免用于会产生烟尘的激光测量区域。

激光三角测量原理
激光三角测量发射一束瞄准目标的激光。从目标反射的光斑通过透镜成像在 CCD/CMOS 阵列或 PSD 元件上。反射光束的强度取决于材料的表面。物体到传感器的距离是根据接收元件上光斑的位置计算得出的。数据在内部控制器中进行评估，并通过各种接口输出。

激光三角测量设备的优点是测量光斑直径小、测量物体与传感器之间的偏置距离大、测量范围广，且几乎与材料类型无关。然而，测量精度受亮面和哑面的影响，且光路必须是无任何障碍物的清洁环境。此外，与共焦、电容和涡流传感器相比，激光三角测量传感器的尺寸较大，且对于反射表面需要特殊的传感器对齐。高度复杂的表面可能会干扰光束返回传感器，导致数据中断。

考虑到这些局限性，激光三角测量可以提供低成本、快速的表面扫描。但同样，激光三角测量不适用于碎片可能进入光路的情况。

                                      图 3. 激光三角位置传感原理（由 Micro Epsilon UK 提供）                                

共焦色散传感器测量原理
多色光（白光）从控制器的光源出发，通过光纤传输到传感器。透镜经过排列，使光在光轴纵向上通过受控的色差分解为单色波长。透镜将光聚焦到目标表面。根据距离的不同，会有特定的光谱颜色（波长）处于焦点上。在传感器系统中，准确聚焦在目标上的光波长用于测量。从该点反射的光通过光学装置成像到光敏传感器元件上，在此检测并评估相关的光谱颜色。通过出厂校准，为每个波长分配一个定义的距离点。

该原理几乎可以在所有表面上进行测量，包括透明或半透明表面。共焦传感器的优点是具有极高的纳米级分辨率；与表面无关的测量；微小且恒定的测量光斑；以及紧凑的光路。限制因素包括传感器与被测物体之间的距离相对有限、光路需要清洁环境以及成本——这些传感器通常比此处讨论的其他技术更昂贵。

                                            图 4. 共焦色散位置传感原理（由 Micro Epsilon UK 提供）

配合高级运动控制器功能使用位移传感器
自动对焦 – 垂直高度控制
Aerotech 的 Automation1 运动控制器能够启用与伺服或步进电机协同工作的外部跟踪环路。位移传感器可用作反馈设备。通常，这用于控制系统内的垂直高度。传感器的模拟输出电压用作反馈，并直接送入运动控制器的模拟输入。自动对焦反馈环路使用简化的 PID 环路，可设置为持续保持与表面的高度——例如，用于相机或激光聚焦，或用于达到目标位置。还可以应用死区，以便轴不会持续抖动。

轴的突然加速可以通过设置我们的加速度限制功能来限制，从而减少或消除启用自动对焦引起的轴位置命令突然变化。同样，最大跟踪速度可以通过速度限制值来指定。跟踪范围的上下限可以设定，以便考虑到孔洞和边缘区域，防止轴在高度上出现大幅波动。

位置同步输出 (PSO)
Aerotech 控制器能够接收多达三个编码器输入，并将这些输入组合以创建一维到三维的路径跟踪能力。在此路径内，控制器可以输出高度精确的同步脉冲生成功能，称为 PSO（位置同步输出）。这通常用于调节激光功率、触发外部硬件设备或同步传感器输入的数据采集。由于 PSO 在硬件而非软件中执行，因此具有低抖动和低延迟的规格。

PSO 由两个主要功能块组成：距离计数器和脉冲生成器。距离计数器在行进指定距离后生成“触发事件”。该事件可以直接送入传感器电子设备，以便记录位移数据。距离可以是固定的，也可以包含在驱动器数组中。因此，这可用于建立表面的连续数据或聚焦于被测零件的特定特征。

由于 PSO 数据可以是一维的，因此大多数 Aerotech 系列运动控制器硬件都可以实现像光栅扫描这样的简单线扫描。二维 XY 零件数据采集可以由具有双 PSO 能力的设备执行，而更复杂的 3D 空间或螺旋路径可以通过具有三 PSO 功能的设备获得。

驱动器数据采集快速数据采集功能
Automation1 控制器上的驱动器数据采集 (Drive Data Capture) AeroScript 函数可与 PSO 功能结合使用，在运动控制器上记录数据，而不是直接将数据存储在传感器电子设备中。这通常是在 PSO 触发事件发生时可以采集的模拟值。在共焦传感器的情况下，模拟数据可能是强度而非距离，这可用于确定传感器下零件的其他特征。

反之，生成的外部源或其他事件可以使用运动控制器的高速输入开始数据记录事件。同样，可以记录位移或强度，或者是来自各种编码器输入的位置。

使用传感器输出的位置反馈
传感器电子设备模拟输出的另一种用途是非传统形式的位置反馈。与保留普通反馈设备的自动对焦方法不同，运动控制器可以将传感器电子设备的模拟输出指定为绝对主反馈，既可以与另一个设备结合使用（速度环），也可以作为唯一反馈。这在模拟传感器被用作相对短距离内的高分辨率反馈设备的情况下可能很有用，例如使用传统电机编码器不合适或传感器无法放置在测量区域的传感器类型。

编码器反馈进入传感器电子设备
可以将多达三个独立增量编码器的数据直接采集到传感器电子设备中。这允许编码器数据与位移以及（如果适用）强度数据同步。控制器可以直接回显连接的数据，也可以（通过适当的硬件）将非增量编码器类型转换为增量格式。

LabVIEW®/.NET
Aerotech 运动控制器拥有库和 LabVIEW VI（虚拟仪器），结合传感器制造商提供的相应工具，可以创建强大的前端和分析软件。

Aerotech 感谢 Micro Epsilon UK 在创建上述信息（包括图像）过程中提供的专业知识和协助。Micro Epsilon 是非接触式位移传感器制造领域的全球领导者。