主页 > 新闻动态 > 电气工程自动化中微位移检测的发展前景、趋势及现状 2021-11-24

电气工程自动化中微位移检测的发展前景、趋势及现状

一、电气工程自动化-微位移检测的发展前景和趋势
微位移传感器同其他传感器一样,其发展的总趋势就是利用新材料、新工艺实现微型化、集成化、智能化,利用新原理、新方法实现更多种类的信息获取,辅以先进的信息处理技术提高传感器的各项技术指标,以适应更广泛的应用需求。
(1)微型化
各种控制仪器设备的功能越来越多,要求各个部件体积能占位置越小越好,因而传感器本身体积也是越小越好, 这就要求发展新的材料和加工技术。近年来, 随着微电子技术和微机械加工技术的日趋成熟,传感器制作技术进入了一个展新阶段。微电子技术和微机械加工技术相结合, 器件结构从二维到三维, 实现了进一步微型化、低功耗。
(2)集成化
集成传感器的优势是传统传感器无法达到的,它不仅是一个简单的传感器,而且将辅助电路中的元件与传感元件同时集成在一块芯片上, 使之具有校准、补偿、自诊断和网络通信的功能,可降低成本、增加产量。把传感器、信号调节电路、单片机集成在一个芯片上形成超大规模集成化的高级智能传感器已经成为一个新的发展趋势。
(3)智能化
智能化传感器是一种带微处理器的传感器,是微型计算机和传感器相结合的成果,它兼有检测、判断和信息处理功能, 与传统传感器相比有很多优点, 具有判断和信息处理功能, 可实现多传感器、多参数测量, 有自检、自校和自诊断功能, 测量数据可存取, 且具有数据通信接口,能与微型计算机直接通信。智能化传感器已从传统传感器的单一功能、单一检测向多功能和多变量检测方向发展,它的准确度、稳定性和可靠性都是传统传感器不可比拟的。
(4)无线网络化
无线传感器网络是当前国际上备受关注的、多学科高度交叉的新兴前沿研究热点领域, 它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等, 能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息, 通过嵌入式系统对信息进行处理, 并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知信息传送到用户终端。从而真正实现“无处不在的计算”理念。
二、电气工程自动化-微位移检测的现状
目前以美国德国所生产的位移传感器走在前列,具有寿命长、适用范围广、适于高温高压和强振动等一系列极其恶劣的情况下还能够高准确测量等特点,且各种位移传感器都在向着高速度、高精度、多功能、多参数、小尺寸的方向发展,已被各军事、工业、农业市场所接受,广泛应用于机械、电力、发电厂、航空航天、冶金、煤炭、石油、铁路、交通、轻工、纺织、建材、水利等行业的工矿企业、科研院所、大专院校、军工单位产品开发与应用的自动测量与自动控制。本文列举里自2010年至今的一些微位移检测技术的成果，具体如下
1.一种基于激光干涉的微位移测量仪，具有分辨率高、结构简单、成本低的特点。该微位移测量仪由基于迈克尔逊激光干涉原理的微位移测量装置、工作台、光电阵列、信号处理电路、计算机及数据处理软件等组成。该测量仪位移测量理论分辨力可以达到0.01nm，特别适合范围在微米及微米以下的位移测量，可用于MEMS器件的位移检测，压电器件位移检测等。
2.一种基于LPFG微弯特性的高精度位移检测系统，传感系统输出的光功率与微位移呈良好的线性关系，位移灵敏度为2μW/mm，分辨力为0.5×10^-2mm.所设计的系统结构简单、灵敏度高、线性度好，不受外界温度干。
3.一种基于双波长激光的集成光栅干涉位移检测方法，利用该方法对硅-玻璃键合工艺制作的集成光栅位移敏感芯片进行了测试实验。实验系统主要由敏感芯片、波长为640 nm 和660 nm 的双波长半导体激光器、双光电二极管及检测电路组成，敏感芯片则由带反射面的可动部件和透明基底上的金属光栅组成。入射激光照射到光栅上产生衍射光斑，衍射光的光强随可动部件与光栅之间的距离变化，通过分别测量两个波长的衍射光强信号并交替切换选取灵敏度较高的输出信号，实现了一定范围内的扩量程位移测量，并得到绝对位置。实验结果表明，利用双波长集成光栅干涉位移检测方法测得敏感芯片可动部件与基底光栅的初始间隙为7.522m，并实现了间隙从7.522um 到6.904m区间的高灵敏度位移测量，其噪声等效位移为0.2nm。
4.一种基于石英晶体旋光效应分析和研究了线偏振光通过晶体后偏振态的变化情况，得出旋光角度与位移的线性关系，进而提出一种新的微位移检测方法。并利用琼斯矩阵法分析旋光现象以及整个检测原理，得出了理论计算公式，完成了实验检测系统的设计，并进行了实验测试，并对测试系统进行了误差分析。
5.一种位置敏感器件(PSD)激光微位移测量系统，能够满足工业现场微位移测量的精密性、实时性和可靠性要求。系统将调制、带通滤波、峰值检测等信号处理技术运用于激光三角法中，并利用PSD信号单通道处理方式，提高了系统的抗干扰能力．同时，系统采用自适应控制方法改变激光的调制频率，从而调整电信号的增益系数以适应各种测量对象．在没有滤光片的情况下，系统有效地消除了背景光和暗电流的影响，测量频率最高可达2kHz，分辨率达到0.035%，稳定性误差小于0.090%，线性度好于1.2%，大大降低了温漂的影响。
6.一种基于线阵CCD的微位移检测系统，将检测对象的微位移信息转换为线阵CCD上的成像光斑的位移，在上位机中通过对由USB接口传送来的CCD成像信息进行分析、处理，获得成像光斑的相对位移，根据系统检测模型进行换算最终实现对检测对象的微位移测量。
7.一种基于3ｘ3耦合器的小型化单光栅纳米位移测量方法。基于激光多普勒效应与光纤耦合器散射矩阵理论，首次将3ｘ3耦合器与计量光栅相结合，设计了一种对称式光路结构，利用所提出的新型相位解调算法实现纳米级精度的位移测量。方法具有结构简单、调节方便、对波长变化不敏感和能有效抑制空气扰动等特点，从而使得系统具有良好的稳定性。实验结果显示，3ｘ3耦合器三路输出信号两－两产生的李萨育图形平滑清晰，相位差保持在120°左右，说明本方法具有较好的测量稳定性。数值仿真与理论分析具有较好的一致性，在同时存在相位和幅值误差的情况下可以实现8nm的测量精度。
三、教学设备的推荐及介绍

MY-33F 工电气工程自动化实验装置

一、电气工程自动化实验装置,电气工程自动化实验设备,电气工程自动化实验平台产品概述
该考核实训平台主要由实训桌、网孔板、实训元器件组成。学生根据实训线路进行元器件的合理布局，安装、接线全部由学生自行完成，接近工业现场。能完成机床线路，电机控制线路，照明配电的模拟操作、安装调试的综合实训，训练学生动手能力和实操技能。实训项目可自行确定，根据所选的项目选择相应的元器件。
二、电气工程自动化实验装置,电气工程自动化实验设备,电气工程自动化实验平台技术指标：
1.输入电压：三相四线（或三相五线）～380V±10% 50Hz
2.工作环境：温度-10～＋40℃ 相对湿度＜85%（25℃）海拔＜4000m
3.装置容量：＜1.5KVA
4.重   量：约100Kg
5.外形尺寸：1480×700×1300mm
6.漏电保护动作电流：≤30mA；漏电保护动作时间：≤0.1s。
三、电气工程自动化实验装置,电气工程自动化实验设备,电气工程自动化实验平台的基本配置及功能
（一）电源控制箱
主控屏为铁质双层亚光密纹喷塑结构，铝质面板。整个实训室配备一台教师总控制系统，可以分控每一个学生台。
（二）主控功能板配备资源
1、主控功能板
(1) 三相四线电源输入，经漏电保护器后，经过总开关,由接触器通过起、停按钮进行操作；
(2) 设有450V指针式交流电压表三只，指示电源输入的三相电压；
(3) 低压交流电压3－24V分七档可调，最大输出电流1.5A，电流表指示。
(4) 双路稳压电源，二路输出电压均为0～30V，由电位器连续调节，输出最大电流为1.5A，每路电源输出有0.5级数字电流表、电压表指示。电压稳定度<10－2，负载稳定度<10－2，纹波电压:<5mV。
2、恒流源：0-200mA连续可调，数字表显示，开路保护。
3、全功能DDS函数信号源
A.高频率分辨率：0.01Hz B.高频率精确度：±20ppm C.低失真度：<1%D.方波占空比1%~99%精确可调   E.三角波调占空比后可输出两种锯齿波F.可变直流电平控制   G.外部频率测量 H..预设频率存储、调入功能 I. 输出衰减，由两个"衰减"按键选择。
技术指标：
A.主输出波形正弦波、方波、三角波、锯齿波四种波形B.最大输出幅度 10VppC.输出阻抗 50Ω±10%
D.直流偏置 ±5V（空载）E.占空比范围 1%-99%（方波）F.输出频率范围： 0.01Hz-2MHz
4、外测量功能：
频率范围：1Hz-60MHz 开关（内测/外测）转换。信号幅度：0.5Vpp-20Vpp 外计数范围：0-4294967296
存储和调入：具有10组参数存储与调出的功能。
5、功率、功率因数表：由微电脑、高精度A/D转换芯片和全数显电路构成。通过键控、数显窗口实现人机对话功能控制模式。为了提高测量范围和测试精度，在硬、软件上均分八档区域，自动判断、自动换档。功率测量精度1.0级，电压、电流量程分别为450V、5A，测量功率因数时还能自动判断负载性质（感性显示"L"，容性显示"C"，纯电阻不显示），可储存15组数据，供随时查阅。
（三）实训台
要求整体采用欧标工业铝型材框架，经过数控机械精加工成型，外表面静电氧化处理，实训台连接件采用欧标标准连接件组合，完全贴合设计，外形时尚美观，经久耐用。实训台配元件储存柜，储存柜底部采用带刹车的万向轮，移动和固定两相宜。
实训操作面要求：采用型材框架，内置实训模块安装平台，连接实训台与电源控制屏，与实训台形成36度斜面，可根据实训要求，开合及提升，采用升降支撑柱，精准控制开启角度。
操作面下方中部配置2个元件工具抽屉，采用静音三节滑轨，下部配有双开门存储柜，优质钢板制作。
网孔板挂件：2块每块尺寸700X620mm采用钣金冲压而成，喷塑烤漆，挂放实训操作面上。
四、电气工程自动化实验装置,电气工程自动化实验设备,电气工程自动化实验平台需完成的实训项目
1)与、或、非逻辑功能实训
2)定时器功能实训
3)计数器功能实训
4)传送指令功能实训
5)数据移位指令功能实训
6)算术运算指令功能实训
7)电机控制实训
8) 抢答器控制
9)音乐喷泉控制
10)装配流水线控制
11)交通信号灯控制
12）自动供水控制
13）天塔之光控制
14)自动送料装车/四节传送带控制
15)多种液体混合装置控制
16)自动售货机控制
17)自控轧钢机控制
18)邮件分拣机控制
19)四层电梯控制
20）机械手控制
21）自控成型机控制
22）加工中心控制
23）PLC认知实训
24)PLC控制状态转移、分支功能实训
25)PLC控制数据处理指令功能实训
26)PLC控制微分、位操作功能实训
27)PLC控制艺术彩灯造型的PLC
28)PLC控制三相鼠笼式异步电动机点动控制和自锁控制
29)PLC控制三相鼠笼式异步电动机联动正反转控制
30)PLC控制三相鼠笼式异步电动机自动往复控制
31)PLC控制三相鼠笼式异步电动机Y/△转换起动控制
32)PLC控制三相异步电动机串电阻降压起动控制
33)PLC控制三相异步电动机能耗制动控制
34)三相异步电动机直接起动、停车的控制电路连接；
35)接触器联锁的三相交流异步电动机正、反转控制电路的连接；
36)按钮联锁的三相交流异步电动机正、反转控制电路的连接；
37)按钮、接触器联锁的三相交流异步电动机正、反转控制电路的连接；
38)万能转换开关控制三相异步电动机的正反转；
39)三相交流异步电动机Y-△（手动切换）启动控制电路的连接；
40)三相交流异步电动机Y-△（时间继电器切换）启动控制电路的连接；
41)定子绕组串联电阻启动控制电路的连接；
42)三相交流异步电动机能耗制动控制电路的连接；
43)三相交流异步电动机反接制动控制电路的连接；
44)多台（3台及以下）电动机的顺序控制电路的连接
45)电动机的往返行程控制电路的连接；
46)三相交流异步电动机既能点动，又能连续转动的控制电路连接；
47)两地控制电路的连接；
48)按钮切换的双速电动机调速控制电路的连接；
49)时间继电器切换的双速电动机调速控制电路的连接；
50)离心开关配合的反接制动控制电路的连接；
51)变频器面板功能参数设置和操作实训；
52)变频器对电机点动控制、启停控制；
53)电机转速多段控制；
54)工频、变频切换控制；
55)基于模拟量控制的电机开环调速；
56)基于面板操作的电机开环调速；
57)变频器的保护和报警功能实训；
58)基于PLC的变频器开环调速；
59)触摸屏的参数设置；
60)触摸屏的编程；
61)触摸屏、PLC、变频器的综合实训；

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