想要經(jīng)濟地處理能源和資源問題，機床和設(shè)備就必須在連續(xù)的使用過程中被監(jiān)控。為此，一種易于集成的傳感器技術(shù)便成為及時進行機床和設(shè)備維護保養(yǎng)，保證產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量，避免停機故障和改善生產(chǎn)過程穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。

高精度的生產(chǎn)過程監(jiān)控需要直接來自生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)作為保障，這些數(shù)據(jù)應該由那些安裝在機床設(shè)備上的傳感器來提供。而負責這種檢測監(jiān)控任務(wù)的傳感器大多數(shù)都是光纖傳感器，即有著極高檢測精度得微型化光纖傳感器，使其能夠方便得集成在機床、設(shè)備和檢測儀器中，能夠很好得完成監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù)。

基于光纖的光纜外徑只有0.4～3mm的傳感器適合在高精度的機床加工中使用
利用由Fraunhofer IPT研究所研發(fā)設(shè)計的間距檢測傳感器，能夠在多個不同的檢測位置同時完成對被加工零件的形狀和位置誤差的納米級精度檢測。這種技術(shù)在航空航天、汽車制造、印刷機械制造和光學設(shè)備制造領(lǐng)域中都能夠得到很好的應用。

這種檢測技術(shù)適合于那些傳統(tǒng)檢測解決方案因安裝使用空間有限，以及傳統(tǒng)檢測技術(shù)無法滿足檢測精度的場合。這種傳感器的檢測頻率很高，檢測誤差明顯的小于高精度檢測儀，能夠?qū)崿F(xiàn)機床和設(shè)備在超精密級范圍內(nèi)的在線檢測，如機床運動軸和導軌移動的監(jiān)控以及傳動軸的監(jiān)控。

Fraunhofer研究所研發(fā)的這種檢測系統(tǒng)基于短波激光干涉原理，主要由兩個相干性激光部件組成（圖1）。其中的第一個是純光學的全光纖技術(shù)元件（SLD1），第二個則是Michelson激光干涉器（SLD2）。這種檢測儀器的檢測距離大約為500μm，清晰度達1nm的檢測范圍約80μm。

圖1 Fraunhofer IPT研究所研發(fā)的這個系統(tǒng)是基于激光短相干的工作原理，
其主要部件為兩個相干性激光部件單元，其中的第一個是純光學的全光纖技術(shù)元件（SLD1），
第二個則是Michelson激光干涉器（SLD2）
這種傳感器用光波電纜（LWL）連接，電纜的外徑尺寸為0.4～3mm。對于剛性要求較高的傳感器，可以將其安裝在CFK或鎳鈦復合材料的金屬殼中。

最后，將兩種信號在Michelson干涉器中進行解碼。微型傳感器和檢測裝置集式在一起而檢測結(jié)果的最終評判裝置無需安裝在檢測現(xiàn)場。另外，這種檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)還允許在一個檢測評判單元中使用多個檢測傳感器。利用光纖轉(zhuǎn)換開關(guān)可以快捷方便地在各個傳感器之間進行切換。

由此在Michelson干涉器中而得到的光柵圖將用CCD電荷耦合式攝像機進行解碼，利用計算機進行下一步的數(shù)據(jù)處理。檢測間距和檢測范圍取決于傳感器信號（焦距）和折光鏡的角度以及其與激光射束之間的間距。與其他的檢測系統(tǒng)相比較，這種檢測系統(tǒng)的優(yōu)點在于它沒有類似于線性調(diào)節(jié)器或壓電發(fā)生器之類的區(qū)別檔位的機械零部件。

CCD電荷耦合式攝像機的特性解碼

當被測物體進入到檢查范圍之內(nèi)后，將會產(chǎn)生一個由CCD電荷耦合式攝像機解碼的固有特征干涉光樣本。利用干涉信號的橫向位置在CCD芯片中對被測物體的間距進行補償，并把間距調(diào)節(jié)量換算成圖像的像素點數(shù)。

由數(shù)據(jù)匹配儀器和傳感器構(gòu)成的整套系統(tǒng)由Fraunhofer IPT研究所在Achen建立的Fionec有限責任公司進行生產(chǎn)和銷售。

在這個系統(tǒng)中，旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)體零部件的圓度和圓跳動對檢測的精度、噪聲和整個系統(tǒng)的磨損有著重要的影響，源于它們的錯誤信號應在生產(chǎn)加工過程中及時的予以識別并排除，其中包括機床重要的零部件，如輸出軸、轉(zhuǎn)子、主軸、軋輥（支撐輥和工作輥）和導向輥。在這些回轉(zhuǎn)體零件上應安裝傳感器，以便采集重要的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，及時地采取必要措施。

在這種檢測方法中，旋轉(zhuǎn)零部件工作時在外力作用下可能產(chǎn)生的變形（可在多個不同的檢測點對旋轉(zhuǎn)零部件在外力作用下的變形進行檢測），在生產(chǎn)工作過程中出現(xiàn)的旋轉(zhuǎn)零部件表面磨損和形狀磨損（剝離、粘附、表面擠壓碎裂和摩擦）等可以是重要的被檢測參數(shù)。

這種技術(shù)可以直接應用于如印刷領(lǐng)域中，在這個領(lǐng)域中，軋輥類零部件的圓度和圓跳動誤差對印刷品的質(zhì)量有著直接的影響。另一個可以直接采用這種檢測技術(shù)的領(lǐng)域是軋輥生產(chǎn)企業(yè)，因為這個領(lǐng)域中需要對生產(chǎn)光導塑料薄膜軋輥表面的微觀結(jié)構(gòu)進行檢測。

在這種情況下，利用光纖傳導的間距檢測傳感器在多個檢測點進行檢測是非常合適的，因為這些檢測傳感器的安裝所需的空間很小（微型傳感器），采用的是非接觸式檢測，不會對被測表面帶來損害，在傳感器和被測物體之間沒有相互作用和影響。

為了能夠演示這種檢測技術(shù)的應用情況，專門設(shè)計和制造了一個試驗臺（圖2）。這個試驗臺的結(jié)構(gòu)非常復雜，對其剛性和穩(wěn)定性都有著非常高的要求。在2009年度Stuttgart舉辦的Control 2009展覽會期間，F(xiàn)raunhofer IPT研究所就展示了一個這樣的試驗臺：利用不同的光纖傳感器進行生產(chǎn)過程的監(jiān)控。

圖2 對不同的旋轉(zhuǎn)對稱物體進行檢測監(jiān)控的臥式床身檢測試驗臺
該試驗臺采用的是臥式床身結(jié)構(gòu)，床身中的主軸由電動機驅(qū)動，為了能夠?qū)Σ煌男D(zhuǎn)系統(tǒng)進行檢測，床身兩側(cè)都配備了連接用的離合裝置。

檢測單元和檢測數(shù)據(jù)評判單元的同步，以及主軸旋轉(zhuǎn)運動的同步是通過編碼器來實現(xiàn)的。解碼器的設(shè)置使它能夠根據(jù)旋轉(zhuǎn)角度的大小產(chǎn)生相應的TTL觸發(fā)信號，并把這些觸發(fā)信號發(fā)送到評判單元中，對攝像機的工作過程進行控制。攝像機所采集的數(shù)據(jù)信息會經(jīng)過分析軟件進行處理，每兩個觸發(fā)信號之間對應的轉(zhuǎn)角相當于0.1。

作為檢測傳感器，有三種可以與光纖開關(guān)耦合使用的光纖光學傳感器可供選用。利用這種光纖開關(guān)，系統(tǒng)可以在光纖和檢測傳感器之間轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)檢測點位置與旋轉(zhuǎn)運動的同步。各傳感器利用標定面統(tǒng)一進行標定，從而使其檢測值為固定的反射值。

用于粗糙度檢測的專用傳感器

對于每個回轉(zhuǎn)對稱體的檢測，都必須包括對其偏心、形狀誤差、波形度和粗糙度的檢測。為了能夠?qū)Ρ粶y物體得出有說服力的結(jié)論，需要對檢測數(shù)據(jù)進行過濾，對每個特征值都要進行專門的研究，這樣就可以實現(xiàn)在生產(chǎn)過程中單獨的對檢測值的特征進行監(jiān)控了。

為了實現(xiàn)對檢測數(shù)據(jù)的過濾，使用了多種濾波器，包括低通濾波器、帶通濾波器和高通濾波器，因為檢測到的數(shù)據(jù)信息來自不同的頻率段。