《傳感器與檢測(cè)技術(shù)》全套教案

1、教學(xué)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)： 掌握接近開關(guān)的基本工作原理，了解各種接近開關(guān)的環(huán)境特性及使用方法，掌握應(yīng)用接近開關(guān)進(jìn)行工業(yè)技術(shù)檢測(cè)的方法能力目標(biāo)： 對(duì)不同接近開關(guān)進(jìn)行敏感性檢測(cè)，使用霍爾接近開關(guān)完成轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)的測(cè)量。素質(zhì)目標(biāo)： 教學(xué)重點(diǎn)接近開關(guān)的應(yīng)用教學(xué)難點(diǎn)接近開關(guān)的基本工作原理教學(xué)手段理實(shí)一體實(shí)物講解小組討論、協(xié)作教學(xué)學(xué)時(shí)10教 學(xué) 內(nèi) 容 與 教 學(xué) 過 程 設(shè) 計(jì)注 釋項(xiàng)目一 開關(guān)量檢測(cè)理論學(xué)習(xí)任務(wù)一 認(rèn)識(shí)接近開關(guān)一、霍爾效應(yīng)型接近開關(guān)1.霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生是由于運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)作用下受到洛侖茲力作用的結(jié)果。如圖1-2所示，把N型半導(dǎo)體薄片放在磁場(chǎng)中，通以固定方向的電流i圖1-2霍爾效應(yīng)（從a點(diǎn)至b

2、點(diǎn)），那么半導(dǎo)體中的載流子（電子）將沿著與電流方向相反的方向運(yùn)動(dòng)。圖1-2 霍爾效應(yīng)2.霍爾元件霍爾元件的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由霍爾片、四根引線和殼體組成，如圖1-3所示。圖1-3 霍爾元件3.霍爾原件的性能參數(shù)1)額定激勵(lì)電流2)靈敏度KH3)輸入電阻和輸出電阻4)不等位電動(dòng)勢(shì)和不等位電阻5)寄生直流電動(dòng)勢(shì)6)霍爾電動(dòng)勢(shì)溫度系數(shù)4.霍爾開關(guān)霍爾開關(guān)是在霍爾效應(yīng)原理的基礎(chǔ)上，利用集成封裝和組裝工藝制作而成，可把磁輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成實(shí)際應(yīng)用中的電信號(hào)，同時(shí)具備工業(yè)場(chǎng)合實(shí)際應(yīng)用易操作和可靠性的要求。圖1-6霍爾開關(guān)5.霍爾傳感器的應(yīng)用1)霍爾式位移傳感器霍爾元件具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、動(dòng)態(tài)特性好和壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，它

3、不僅用于磁感應(yīng)強(qiáng)度、有功功率及電能參數(shù)的測(cè)量，也在位移測(cè)量中得到廣泛應(yīng)用。圖1-7 霍爾式位移傳感器的工作原理圖2)霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器圖1-8 所示的是幾種不同結(jié)構(gòu)的霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器。圖1-8 幾種霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)3)霍爾計(jì)數(shù)裝置圖1-9 所示的是對(duì)鋼球進(jìn)行計(jì)數(shù)的工作示意圖和電路圖。當(dāng)鋼球通過霍爾開關(guān)傳感器時(shí)，傳感器可輸出峰值20 mV 的脈沖電壓，該電壓經(jīng)運(yùn)算放大器(A741)放大后，驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體三極管VT(2N5812)工作，輸出端便可接計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，并由顯示器顯示檢測(cè)數(shù)值。圖1-9 霍爾計(jì)數(shù)裝置二、光電效應(yīng)型接近開關(guān)1.光電效應(yīng)光照射到某些物質(zhì)上，引起物質(zhì)的電性質(zhì)發(fā)生變化，這類光致電

4、變的現(xiàn)象統(tǒng)稱為光電效應(yīng)，如圖1-10所示。圖1-10 光電效應(yīng)2.光電管光電管的典型結(jié)構(gòu)如圖1-11 所示。圖1-11 光電管的典型結(jié)構(gòu)3.光電倍增管電倍增管是一種常用的靈敏度很高的光探測(cè)器，顧名思義是把微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)且進(jìn)行放大的器件，光電倍增管的典型結(jié)構(gòu)和工作原理如圖1-14所示。圖1-14 光電倍增管的典型結(jié)構(gòu)和工作原理4.光敏電阻光敏電阻是一種基于光電效應(yīng)制成的光電器件，光敏電阻沒有極性，相當(dāng)于一個(gè)電阻器件。光敏電阻的測(cè)量原理如圖1-16 所示。圖1-16 光敏電阻的測(cè)量原理5.光電二極管和光電三極管光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般的二極管相似，其 PN 結(jié)對(duì)光敏感。將其 PN 結(jié)裝在管的

5、頂部，上面有一個(gè)透鏡制成的窗口，以便使光線集中在 PN 結(jié)上。光敏二極管是基于半導(dǎo)體光生伏特效應(yīng)的原理制成的光電器件。光敏二極管的結(jié)構(gòu)和工作原理如圖1-18所示。圖1-18 光敏二極管的結(jié)構(gòu)和工作原理6.光電耦合器件1)光電耦合器光電耦合器的發(fā)光和接收元件都封裝在一個(gè)外殼內(nèi)，一般有金屬封裝和塑料封裝兩種。光電耦合器常見的組合形式如圖1-21所示。圖1-21 光電耦合器常見的組合形式2）光電開關(guān)光電開關(guān)（光電傳感器）是光電接近開關(guān)的簡(jiǎn)稱，它是利用被檢測(cè)物對(duì)光束的遮擋或反射，由同步回路選通電路，從而檢測(cè)物體有無的。三、感應(yīng)型接近開關(guān)感應(yīng)式傳感器也稱為渦流式傳感器，由振蕩器、開關(guān)電路及放大輸出電路三

6、部分組成。振蕩器產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)，當(dāng)金屬目標(biāo)接近這一磁場(chǎng)，并達(dá)到感應(yīng)距離時(shí)，在金屬目標(biāo)內(nèi)產(chǎn)生渦流，渦流反作用于接近開關(guān)，使接近開關(guān)振蕩能力衰減，內(nèi)部電路的電磁感應(yīng)參數(shù)發(fā)生變化，由此識(shí)別出有無金屬物體接近，進(jìn)而控制開關(guān)的通斷。圖1-24 感應(yīng)接近開關(guān)原理任務(wù)二 接近開關(guān)的應(yīng)用（一）一、 開關(guān)電源的基礎(chǔ)知識(shí)1.主電路主電路包含的主要功能模塊如下。（1）沖擊電流限幅。限制接通電源瞬間輸入側(cè)的沖擊電流。（2）輸入濾波器。其作用是過濾電網(wǎng)存在的雜波及阻礙本機(jī)產(chǎn)生的雜波反饋回電網(wǎng)。（3）整流與濾波。將電網(wǎng)交流電源直接整流為較平滑的直流電。（4）逆變。將整流后的直流電變?yōu)楦哳l交流電，這是高頻開關(guān)電源的核心部

7、分。（5）輸出整流與濾波。根據(jù)負(fù)載需要，提供穩(wěn)定可靠的直流電源。2.控制電路控制電路一方面從輸出端取樣，與設(shè)定值進(jìn)行比較，然后去控制逆變器，改變其脈寬或脈頻，使輸出穩(wěn)定；另一方面，根據(jù)測(cè)試電路提供的數(shù)據(jù)，經(jīng)保護(hù)電路鑒別，提供控制電路對(duì)電源進(jìn)行各種保護(hù)措施。3.檢測(cè)電路檢測(cè)電路提供保護(hù)電路中正在運(yùn)行中的各種參數(shù)和各種儀表數(shù)據(jù)。4.輔助電源二、 開關(guān)電源的選擇與使用使用上，開關(guān)電源工作效率一般可達(dá)到80%以上，遠(yuǎn)高于一般穩(wěn)壓器35%60%的轉(zhuǎn)換效率，故在其輸出電流的選擇上，應(yīng)準(zhǔn)確檢測(cè)或計(jì)算用電設(shè)備的最大吸收電流，并且按照此電流的1.51.8倍選擇開關(guān)電源的額定電流或者功率，以使被選用的開關(guān)電源具有

8、高的性價(jià)比。任務(wù)三 接近開關(guān)的應(yīng)用（二）一、 數(shù)顯表簡(jiǎn)介數(shù)顯表輸入信號(hào)一般為開關(guān)量和模擬量，信號(hào)經(jīng)過計(jì)數(shù)電路或者模/數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D轉(zhuǎn)換），采用數(shù)碼發(fā)光二極管（LED）或液晶屏幕來完成顯示功能，作為檢測(cè)器件的顯示終端和人機(jī)界面。二、數(shù)顯表規(guī)格與應(yīng)用1.東崎SV8智能傳感器和變送器控制專用數(shù)顯表其特點(diǎn)有以下幾點(diǎn)。（1）開關(guān)電源100240 V AC供電。（2）輸入多種標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，有050 mV、010 V、420 mA、可變電阻、TC/RTD等，并能使用軟件自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。（3）具有小數(shù)點(diǎn)設(shè)定、比率、量程及零點(diǎn)自由調(diào)整功能。（4）帶隔離變送功能，隔離485通信功能。（5）帶24/12 V DC輔助電源

9、，兩路報(bào)警輸出。（6）精度等級(jí)為±0.3%FS。 （7）應(yīng)用范圍有二線制變送器、壓力傳感器、四線制稱重傳感器等，具有mA、mV和V輸出或者電阻類檢測(cè)的傳感器檢測(cè)設(shè)備。2.DTR600系列智能光柱調(diào)節(jié)儀其特點(diǎn)是：有萬能輸入功能，自動(dòng)校準(zhǔn)和人工校準(zhǔn)功能；多重保護(hù)、隔離設(shè)計(jì)、抗干擾能力強(qiáng)；可靠性高；有良好的軟件平臺(tái)；具備二次開發(fā)能力，以滿足特殊的功能；具有模塊化結(jié)構(gòu)，功能組合、系統(tǒng)升級(jí)方便。三、數(shù)顯表的選用挑選一個(gè)適用、經(jīng)濟(jì)和性價(jià)比最佳的數(shù)顯表與設(shè)備配套應(yīng)從以下幾個(gè)方面考慮。(1)如果舊設(shè)備改造，需要充分了解原來設(shè)備的用途、型號(hào)、原來使用表頭的外形尺寸和型號(hào)、配合的傳感器等，這是進(jìn)行設(shè)備改

10、造的基礎(chǔ)。(2)若是研制新型產(chǎn)品，需要設(shè)定檢測(cè)需要達(dá)到的目標(biāo)值。包括需要檢測(cè)控制的最小值和最大值；需要達(dá)到的控制精度，如果普通試驗(yàn)室的烘箱為±1.0 ，而基準(zhǔn)溫度使用的恒溫槽為±0.005 ；結(jié)構(gòu)安裝尺寸，在相同條件下，盡可能選用表盤較大的顯示儀表，容易觀察和讀數(shù)；考慮傳感器情況；考慮工作電源；考慮通信接口等。實(shí)訓(xùn)1. 接近開關(guān)的特性檢測(cè)2. 接近開關(guān)對(duì)不同材料的敏感性檢測(cè)3. 使用接近開關(guān)檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)思考與練習(xí)1.設(shè)想一個(gè)使用光電接近開關(guān)測(cè)量轉(zhuǎn)速的方案。2.使用數(shù)顯表配合接近開關(guān)設(shè)計(jì)一個(gè)方案，測(cè)量傳送帶上輸運(yùn)物料的個(gè)數(shù)。3.上網(wǎng)查找一個(gè)接近開關(guān)的生產(chǎn)廠家，并介紹其生產(chǎn)接近

11、開關(guān)的型號(hào)和應(yīng)用場(chǎng)合。講解霍爾效應(yīng)基本原理，及霍爾電動(dòng)勢(shì)。了解霍爾傳感器的應(yīng)用。掌握光電管的街頭，區(qū)分兩種光電管的伏安特性曲線。結(jié)合圖片講解電倍增管的典型結(jié)構(gòu)和工作原理。結(jié)合圖片講解光電耦合器常見的組合形式。結(jié)合圖片講解感應(yīng)接近開關(guān)原理。掌握開關(guān)電源的基礎(chǔ)知識(shí)。了解不同種類數(shù)顯表的規(guī)格及特點(diǎn)。能夠正確選用數(shù)顯表。教學(xué)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)：了解位移傳感器檢測(cè)的一般方法，掌握各種位移傳感器的量程、精度等檢測(cè)性能，掌握直線型位移傳感器的使用方法，掌握無接觸狀態(tài)下的位移傳感器的使用方法能力目標(biāo)： 認(rèn)識(shí)各種位移傳感器及其檢測(cè)適應(yīng)性，裝配使用光柵尺位移傳感器應(yīng)用系統(tǒng)，使用無接觸超聲波位移傳感器實(shí)現(xiàn)基本一維定位素質(zhì)

12、目標(biāo)： 教學(xué)重點(diǎn)各種位移傳感器及其檢測(cè)適應(yīng)性教學(xué)難點(diǎn)光柵尺位移傳感器應(yīng)用系統(tǒng)教學(xué)手段理實(shí)一體實(shí)物講解小組討論、協(xié)作教學(xué)學(xué)時(shí)11教 學(xué) 內(nèi) 容 與 教 學(xué) 過 程 設(shè) 計(jì)注 釋項(xiàng)目二 位移檢測(cè)理論學(xué)習(xí)任務(wù)一 認(rèn)識(shí)位移傳感器一、電阻尺將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電阻變化是電阻傳感器的基本思路，電阻式位移傳感器由位移轉(zhuǎn)換為電阻的原理如圖2-1（a）所示。對(duì)于一般的導(dǎo)體電阻有如下公式R=lS(2-1)式中，R為電阻阻值（）；為電阻率（·mm）；l為導(dǎo)體長(zhǎng)度（mm）；S為導(dǎo)體截面積（mm2）。電刷滑動(dòng)時(shí)，導(dǎo)線是一圈一圈被接入的，長(zhǎng)度變化是不連續(xù)的，其與電刷滑動(dòng)量之間呈現(xiàn)階躍特性。這種躍變限定了變阻器的靜態(tài)靈

13、敏度，而動(dòng)態(tài)靈敏度則由電刷的質(zhì)量或轉(zhuǎn)動(dòng)慣量決定，變阻器的躍變特性如圖2-1（b）所示。圖2-1 變阻器原理及其特性需要注意的是，使用滑線變阻器進(jìn)行位移檢測(cè)時(shí)，電刷滑動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)接觸電阻，接觸電阻阻值一般不確定，這會(huì)對(duì)檢測(cè)精度產(chǎn)生難以忽略的影響。為改善以上兩個(gè)問題，工業(yè)中通常使用直線導(dǎo)電塑料作為變阻器材料，消除了階躍誤差效應(yīng)，將變阻器和電刷施加一定的預(yù)緊力裝配成一個(gè)部件，外加金屬封裝，形成如圖2-2所示的電阻尺，又稱為導(dǎo)電塑料電位計(jì)或電壓分配計(jì)等。圖2-2 電阻尺二、感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器是利用電磁原理將位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種裝置。根據(jù)用途可將感應(yīng)同步器分為直線式和旋轉(zhuǎn)式兩種，分別用于檢測(cè)線位移

14、和角位移。在高精度數(shù)字顯示系統(tǒng)或數(shù)控閉環(huán)系統(tǒng)中，圓盤式感應(yīng)同步器用以檢測(cè)角位移信號(hào)，直線式感應(yīng)同步器用以檢測(cè)線位移信號(hào)。圖2-5所示為感應(yīng)同步器在機(jī)床定位中的應(yīng)用示例。圖2-5 感應(yīng)同步器如圖2-6所示為感應(yīng)同步器原理，感應(yīng)同步器由兩個(gè)磁耦合部件組成，其工作原理類似于一個(gè)多極對(duì)的正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器。圖2-6 感應(yīng)同步器原理如圖2-8所示，脈沖發(fā)生器發(fā)出頻率一定的脈沖系列，輸出參考信號(hào)方波和指令信號(hào)方波，指令信號(hào)方波使勵(lì)磁供電線路產(chǎn)生振幅頻率相同而相位差為90°的正弦信號(hào)電壓和余弦信號(hào)電壓，供給感應(yīng)同步器滑尺或者定尺繞組。在定尺上產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)過放大整形后的信號(hào)同樣為方波信號(hào)，反饋至

15、鑒相器與參考信號(hào)進(jìn)行比較。鑒相器輸出是感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與參考信號(hào)的相位差，即對(duì)應(yīng)的位移值。圖2-8 感應(yīng)同步器的鑒相控制示例三、磁柵尺與錄音技術(shù)相似，通過記錄磁頭在磁性尺（或盤）上錄制出間隔嚴(yán)格相等的磁波，稱為磁柵。磁柵的一個(gè)重要特點(diǎn)是磁柵尺與磁頭處于接觸式的工作狀態(tài)。磁柵的工作原理是磁電轉(zhuǎn)換，為保證磁頭有穩(wěn)定的輸出信號(hào)幅度，考慮到空氣的磁阻很大，磁柵尺與磁頭之間不允許存在較大和可變的間隙，最好是接觸式的。因此，帶型磁柵在工作時(shí)磁頭是壓在磁帶上的，這樣即使帶面有些不平整，磁頭與磁帶也能良好的接觸。線型磁柵的磁柵尺和磁頭之間約有0.01 mm的間隙，由于裝配和調(diào)整不可能達(dá)到理想狀態(tài)，故實(shí)際上線型磁柵也

16、處于準(zhǔn)接觸式的工作狀態(tài)。 圖2-9 磁柵尺四、光電編碼器1.增量式光電編碼器增量式光電編碼器由光柵盤（碼盤）和光電檢測(cè)裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個(gè)長(zhǎng)方形孔。由于光電編碼盤自身有旋轉(zhuǎn)軸，當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，經(jīng)光電二極管等電子元件組成的檢測(cè)裝置檢測(cè)輸出若干脈沖信號(hào)，通過計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映編碼器軸的轉(zhuǎn)速或者加速度。光電編碼器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-12所示。為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤提供相位差90°的兩組透光孔，組成辨向系統(tǒng)，通過電路判斷正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，在一般的光電編碼系統(tǒng)中，這兩組編碼稱為A、B相，如圖2-13外圈和中圈虛線所示。另外，為了實(shí)現(xiàn)定位，增加了Z相作

17、為基準(zhǔn)，由Z相發(fā)出零位脈沖，作為轉(zhuǎn)動(dòng)的起始點(diǎn)，如圖213內(nèi)圈虛線所示。圖2-12 光電編碼器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2-13 A、B、Z三相光電編碼盤2.絕對(duì)式光電編碼器原理除了增量式光電編碼器之外，還有一種絕對(duì)式光電編碼器，其原理如圖2-14所示。圖2-14 絕對(duì)式光電編碼器原理任務(wù)二 直線型光柵位移傳感器的應(yīng)用一、光柵尺光柵是一種在基體上刻制有等間距均勻分布條紋的光學(xué)元件，用于位移檢測(cè)的光柵稱為計(jì)量光柵。光柵尺外形如圖2-16所示，圖2-16 光柵尺透射光柵的光路如圖2- 17所示，從上向下透過兩個(gè)光柵在光電傳感器上產(chǎn)生莫爾條紋，通過光電傳感器的明暗變化次數(shù)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。圖2-17 透射光柵的光路1. 光柵

18、檢測(cè)原理莫爾條紋有如下重要特性。（1）莫爾條紋由光柵的大量刻線共同形成，對(duì)線紋的刻畫誤差有平均抵消作用，能在很大程度上消除短周期誤差的影響。也就是說，光柵上刻畫的條紋誤差對(duì)明暗條紋的影響相對(duì)降低，這樣可更容易制造光柵。（2）兩個(gè)光柵相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)（光柵條紋的垂直方向），莫爾條紋也在上下運(yùn)動(dòng)，移動(dòng)一個(gè)柵距（兩個(gè)光柵條紋之間的距離），在光電傳感器上某一點(diǎn)的光強(qiáng)也變化一個(gè)周期。（3）莫爾條紋的間距與兩個(gè)光柵條紋夾角的關(guān)系為B=W2 sin2W(2-5)式中，B為莫爾條紋的間距（m）；W為光柵柵距（m）；為兩個(gè)光柵之間的夾角(°)。光電元件接收莫爾條紋移動(dòng)時(shí)光強(qiáng)的變化，則將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為如圖2-1

19、8所示的光強(qiáng)信號(hào)，圖2-18光柵位移明暗位置與光強(qiáng)之間的關(guān)系在光電傳感器件的固定位置上，光強(qiáng)弱的信號(hào)實(shí)際上是由明暗位置關(guān)系決定的（如圖2-18上部所示某一光電器件部位的光接收信號(hào)，黑色代表無光，白色代表有光）。圖2-18 光柵位移明暗位置與光強(qiáng)之間的關(guān)系2.辨向原理為了判斷方向，可以使用兩套光電轉(zhuǎn)換裝置。令它們?cè)诳臻g的相對(duì)位置有一定的關(guān)系，從而保證它們產(chǎn)生的信號(hào)在相位上相差1/4周期，如圖2-19所示，標(biāo)尺光柵可分為上下兩個(gè)部分，兩個(gè)部分柵距相同，下光柵比上光柵錯(cuò)后1/4柵距，即1/4周期。同樣，在接收光強(qiáng)的地方設(shè)置兩個(gè)光電傳感器，分別為光敏元件1和光敏元件2。圖2-19 兩個(gè)相位差1/4周期

20、的標(biāo)尺光柵如圖2-20所示，當(dāng)光柵正向移動(dòng)時(shí)，光敏元件2比光敏元件1先感光，此時(shí)，與門Y1有輸出，它控制加減觸發(fā)裝置，使可逆計(jì)數(shù)器的加法母線為高電位。圖2-20 辨向系統(tǒng)流程3.細(xì)分技術(shù)簡(jiǎn)介二、光柵檢測(cè)系統(tǒng)的幾個(gè)關(guān)鍵問題1.檢測(cè)精度光柵線位移傳感器的檢測(cè)準(zhǔn)確度，首先取決于標(biāo)尺光柵刻線劃分度的質(zhì)量和指示光柵掃描的質(zhì)量（柵線邊沿清晰至關(guān)重要），其次才是信號(hào)處理電路的質(zhì)量和指示光柵沿標(biāo)尺光柵導(dǎo)向的誤差。影響光柵尺檢測(cè)準(zhǔn)確度的因素主要是在光柵整個(gè)檢測(cè)長(zhǎng)度上的位置偏差和光柵一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)的位置偏差。2.信號(hào)處理為了保證檢測(cè)的精度，除了對(duì)光柵的刻劃質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)精度有要求外，還必須對(duì)光柵的莫爾條紋信號(hào)的質(zhì)量加

21、以要求，因?yàn)檫@影響電子細(xì)分的精度，也就是影響光柵檢測(cè)信號(hào)的細(xì)分?jǐn)?shù)（倍頻數(shù)）和檢測(cè)分辨力（檢測(cè)步距）。柵距的細(xì)分?jǐn)?shù)和準(zhǔn)確性也影響光柵檢測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確度和檢測(cè)步距。對(duì)莫爾條紋信號(hào)質(zhì)量的要求主要是信號(hào)的正弦性和正交性要好，信號(hào)直流電平漂移要小。對(duì)讀數(shù)頭中的光電轉(zhuǎn)換電路和后續(xù)的數(shù)字化插補(bǔ)電路要求頻率特性好，才能保證檢測(cè)速度大。3.光柵的參考標(biāo)記和絕對(duì)坐標(biāo)1）光柵絕對(duì)位置的確立為了縮短回零位的距離，一般設(shè)計(jì)了在檢測(cè)全長(zhǎng)內(nèi)按距離編碼的參考標(biāo)記，每當(dāng)經(jīng)過兩個(gè)參考標(biāo)記后就可以確定光柵尺的絕對(duì)位置。2）絕對(duì)坐標(biāo)傳感器4.光柵制作材料及熱性能光柵尺在20 ±0.1 的環(huán)境中制造，光柵的熱性能直接影響到檢測(cè)

22、精度，在使用上，光柵尺的熱性能最好和檢測(cè)的對(duì)象的熱性能一致。考慮到不同的使用環(huán)境，光柵尺刻度的載體具有不同的熱膨脹系數(shù)。5光柵尺故障及處理三、光柵尺專用數(shù)顯表頭圖2-22所示為機(jī)床常用的光柵尺專用數(shù)顯表，光柵尺指示光柵所處在標(biāo)尺光柵的位置顯示到如圖所示的左上部分，分為x、y和z三個(gè)方向，據(jù)此可實(shí)現(xiàn)空間上三個(gè)坐標(biāo)的定位。圖2-22 光柵尺數(shù)顯表任務(wù)三 超聲波位移傳感器的工作特性超聲波位移傳感器如圖2-28所示為超聲波傳感器。圖2-28 超聲波傳感器工業(yè)上，多將超聲波傳感器制成一體封裝，類似于接近開關(guān)，輸出模擬量，如圖2-29所示。超聲波傳感器的檢測(cè)范圍取決于其使用的波長(zhǎng)和頻率。波長(zhǎng)越長(zhǎng)，頻率越小

23、，檢測(cè)距離越大，如具有毫米級(jí)波長(zhǎng)的緊湊型傳感器的檢測(cè)范圍為300500 mm。波長(zhǎng)大于5 mm的傳感器檢測(cè)范圍可達(dá)8 m。一些傳感器具有較窄的6°聲波發(fā)射角，因而更適合精確檢測(cè)較小的物體；另一些聲波發(fā)射角在12°15°的傳感器能夠檢測(cè)具有較大傾角的物體。圖2-29 工業(yè)測(cè)距超聲波傳感器由于風(fēng)、鼓風(fēng)機(jī)、氣動(dòng)設(shè)備或其他來源的氣流可以使超聲波的傳播方向偏轉(zhuǎn)或擾亂其路徑，如圖2-30所示，這樣傳感器將不能識(shí)別目標(biāo)物體的正確位置。在某些情況下，可以加裝防風(fēng)擋板以減小影響。還需要注意的是，一個(gè)垂直于聲波軸的平直的目標(biāo)物體將把大部分的能量反射回傳感器。隨著角度的變大，傳感器接收

24、到的能量將減少。在某一點(diǎn)上，傳感器將不能“看到”目標(biāo)物體，如圖2-31所示。因此，在檢測(cè)過程中，需要注意調(diào)整超聲波傳感器檢測(cè)頭對(duì)檢測(cè)面的姿態(tài)。圖2-30 氣流對(duì)超聲波檢測(cè)的影響圖2-31 反射面角度對(duì)超聲波檢測(cè)的影響在檢測(cè)時(shí)，超聲波傳感器引線為5條，如圖2-33所示。電源引線為棕線和藍(lán)線，其中藍(lán)線為共地線，檢測(cè)中，如果僅需要知道是否達(dá)到規(guī)定的距離，可以采用開關(guān)量檢測(cè)，即黑色引線和棕色引線；如果需要檢測(cè)具體的距離，則需要采用白色引線和藍(lán)色引線。具體的設(shè)置可在如圖2-34所示的傳感器中通過按鍵進(jìn)行設(shè)置，左側(cè)的燈亮則表示為模擬量輸出，右側(cè)的燈亮則表示為開關(guān)量輸出。圖2-33 超聲波傳感器引線圖2-3

25、4 設(shè)置檢測(cè)輸出端口實(shí)訓(xùn)1.認(rèn)識(shí)電阻式位移傳感器。2.光柵尺精密位移檢測(cè)系統(tǒng)。3.超聲波位移傳感器的特性檢測(cè)。思考與練習(xí)1.從網(wǎng)上查找生產(chǎn)電阻尺的生產(chǎn)廠家，試述各廠家的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。2.請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一套光柵尺的檢查規(guī)程，以保證光柵尺可以正常使用。3.根據(jù)超聲波傳感器的實(shí)訓(xùn)過程，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)超聲波傳感器的使用說明書。了解電阻尺的產(chǎn)生過程。學(xué)生分組討論感應(yīng)同步器的有點(diǎn)，教師總結(jié)。結(jié)合圖片講解感應(yīng)同步器原理。教師講解磁柵的工作原理，學(xué)生分析其特點(diǎn)。教師講解增量式光電編碼器和絕對(duì)式光電編碼器原理，學(xué)生分組討論兩者的不同。掌握光柵傳感器的組成及原理。結(jié)合圖2-20講解辨向系統(tǒng)流程。學(xué)生分組討論光柵尺在使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)

26、的問題及解決方法。分組討論氣流對(duì)超聲波檢測(cè)的影響。教學(xué)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)：了解位移傳感器檢測(cè)的一般原理和使用條件，掌握各種位移傳感器的量程和精度等檢測(cè)性能； 能力目標(biāo)：了解工業(yè)中常用的位移檢測(cè)特點(diǎn)及位移傳感器的基本選用原則，素質(zhì)目標(biāo)： 教學(xué)重點(diǎn)各種位移傳感器的量程和精度等檢測(cè)性能教學(xué)難點(diǎn)各種位移傳感器的量程和精度等檢測(cè)性能教學(xué)手段理實(shí)一體實(shí)物講解小組討論、協(xié)作教學(xué)學(xué)時(shí)6教 學(xué) 內(nèi) 容 與 教 學(xué) 過 程 設(shè) 計(jì)注 釋項(xiàng)目三 精密位移檢測(cè)系統(tǒng)理論學(xué)習(xí)任務(wù)一 高精度位移傳感器的應(yīng)用一、電容式傳感器電容式傳感器實(shí)質(zhì)上是利用電容自身性質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)的傳感器，如圖3-1所示。電容式傳感器原理基于以下公式C=A/d

27、。圖3-1 電容式傳感器1.電容式傳感器的分類1）變面積型電容傳感器圖3-2 電容傳感器的形式2）極距變化型電容傳感器如圖3-3（a）所示，如平行電容器兩個(gè)極板間覆蓋面積和極間介質(zhì)不變，則其電容量C與極距呈現(xiàn)非線性關(guān)系。靈敏度與極距二次方成反比，極距越小則靈敏度越高，如圖3-3（b）所示。圖3-3 極距變化型電容傳感器結(jié)構(gòu)與特性在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高傳感器的靈敏度和穩(wěn)定性，常常采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)，如圖3-4所示。圖3-4 差動(dòng)型極距電容傳感器結(jié)構(gòu)與特性2電容式傳感器的測(cè)量電路1）等效電路電路電容式傳感器的等效電路如圖3-5 所示。圖中考慮了電容器的損耗和電感效應(yīng)，Rp為并聯(lián)損耗電阻，它代表極板間的

28、泄漏電阻和介質(zhì)損耗。這些損耗在低頻時(shí)影響較大，隨著工作頻率增高，容抗減小，其影響就減弱。Rs 代表串聯(lián)損耗，即代表引線電阻、電容器支架和極板電阻的損耗。電感L 由電容器本身的電感和外部引線電感組成。圖3-5 電容式傳感器的等效2）測(cè)量電路（1）調(diào)頻測(cè)量電路。圖3-6所示的是調(diào)頻式測(cè)量電路原理框圖。圖3-6 調(diào)頻電路的測(cè)量原理（2）運(yùn)算放大器式測(cè)量電路。運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)很大，輸入阻抗Zi 很高，輸出電阻小，所以運(yùn)算放大器作為電容式傳感器的測(cè)量電路是比較理想的。3.電容式傳感器的特點(diǎn)與用途電容式傳感器的特點(diǎn)如下。（1）小功率、高阻抗。電容傳感器的電容量很小，一般為幾十到幾百皮法，具有較高的輸出

29、阻抗。這種阻抗對(duì)后續(xù)電路影響很小，從而簡(jiǎn)化了后續(xù)放大電路。（2）小的靜電引力和良好的動(dòng)態(tài)特性。電容傳感器的極板間的引力極小，能量消耗少，其可動(dòng)質(zhì)量小，具有較高的固有頻率和良好的動(dòng)態(tài)性能。（3）自身發(fā)熱小。（4）可以進(jìn)行非接觸檢測(cè)。電容式傳感器廣泛地應(yīng)用在位移、振動(dòng)、角度和加速度等機(jī)械量的精密檢測(cè)，而且目前檢測(cè)范圍已經(jīng)擴(kuò)大到了壓力、液面和成分等方面的檢測(cè)。圖3-8 所示為差動(dòng)電容式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)圖。圖中所示膜片為動(dòng)電極，兩個(gè)在凹形玻璃上的金屬鍍層為固定電極，構(gòu)成差動(dòng)電容器。圖3-8 差動(dòng)電容式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)圖二、電感式傳感器1.自感型電感傳感器1）可變磁阻式傳感器可變磁阻式傳感器的構(gòu)造原理如

30、圖3-10所示，由線圈、鐵芯和銜鐵組成，鐵芯和銜鐵由導(dǎo)磁材料如硅鋼片或坡莫合金制成，在鐵芯和銜鐵之間有氣隙存在。圖3-10 可變磁阻式傳感器的構(gòu)造原理圖3-11列出了幾種常用可變磁阻位移傳感器的典型結(jié)構(gòu)方案。圖3-11（a）所示是可變導(dǎo)磁面積型，其自感L與A0呈線性關(guān)系，但和電容式傳感器相類似，由于邊緣效應(yīng)，這種傳感器的靈敏度比較低。圖3-11（b）所示是差動(dòng)型位移傳感器結(jié)構(gòu)，銜鐵位移時(shí)，可以使兩個(gè)線圈的間隙一個(gè)變大而另一個(gè)相應(yīng)減小。將兩個(gè)線圈接入相鄰交流電橋橋臂，輸出靈敏度將提高一倍，線性度得到改善。圖3-11（c）所示是單螺線管線圈型位移傳感器結(jié)構(gòu)，當(dāng)鐵芯在線圈中移動(dòng)時(shí)，磁阻改變，使得線圈

31、自感發(fā)生改變。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，靈敏度稍低，適合相對(duì)位移較大的檢測(cè)（數(shù)個(gè)毫米）。螺線管傳感器也可采用差動(dòng)形式，以提高靈敏度和線性度，在實(shí)際檢測(cè)傳感器中經(jīng)常采用。圖3-11 可變磁阻傳感器的結(jié)構(gòu)2）渦流式傳感器渦流式傳感器的變換原理是利用金屬體在交變磁場(chǎng)中的渦流效應(yīng)。圖3-12所示為渦流傳感器的工作原理。圖3-12渦流傳感器工作原理透射式渦流厚度傳感器的結(jié)構(gòu)原理如圖3-13所示。圖3-13 電渦流測(cè)量金屬板厚度電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器工作原理如圖3-14所示。圖3-14 電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器工作原理圖2.互感型電感傳感器實(shí)際工作中，應(yīng)用較多的是螺線管式差動(dòng)變壓器傳感器，其工作原理如圖3-16

32、所示，變壓器由初級(jí)線圈和兩個(gè)參數(shù)完全相同的次級(jí)線圈W1、W2組成。圖3-16 差動(dòng)變壓器傳感器差動(dòng)變壓器式位移傳感器的使用具有的特點(diǎn)。任務(wù)二 高精度激光位移傳感器一、圖像傳感器圖像傳感器從功能上講，是一個(gè)能把受光面的光像分成許多小單元（像元），并將它們轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后將其順序輸出的傳感器件。在構(gòu)造上，圖像傳感器是一種小型固態(tài)集成元件，它的核心是CCD。CCD由陣列排列在襯底的金屬氧化物硅（MOS）電容器構(gòu)成，具有光生電荷、積蓄和轉(zhuǎn)移電荷的功能。圖3-24所示為一維線性圖像傳感器（PSD）的結(jié)構(gòu)原理，光敏元陣列與CCD之間有一層轉(zhuǎn)移控制柵，CCD作為移位寄存器。每個(gè)光敏元通常是一個(gè)MOS電容，

33、并正對(duì)著CCD上的電容。在光照射下，光生少數(shù)載流子在光敏元中積聚，每個(gè)單元所積蓄的電荷量與該單元所收到的光照度和電荷積蓄時(shí)間成正比，在光敏元接受光照一定時(shí)間后，轉(zhuǎn)移控制柵打開，各光敏元所積蓄的電荷并行地轉(zhuǎn)移到CCD讀取寄存器上。隨后控制柵關(guān)閉，光敏元立即開始下一次的光電荷累積過程。與此同時(shí)，上一次的一串電荷信號(hào)沿移位寄存器順序地轉(zhuǎn)移并串行輸出。圖3-24 一維線性圖像傳感器結(jié)構(gòu)原理圖像傳感器還可用作光學(xué)文字識(shí)別裝置的“讀取頭”。其主要由光源、紅外濾光片、透鏡、圖像傳感器、后向處理電路等組成。其中，OCR 的光源可用鹵素?zé)?，光源與透鏡間設(shè)置紅外濾光片以消除紅外光影響，每次掃描時(shí)間為300 s，因

34、此可做到高速文字識(shí)別。把OCR 的“讀取頭”傳感過來的信號(hào)放大后，經(jīng)A/D 變換后的二進(jìn)制信號(hào)通過特別濾光片后，文字更加清晰，然后把文字逐個(gè)斷切出來。以上處理稱為前置處理，前置處理后，以固定方式對(duì)各個(gè)文字進(jìn)行特征抽取。最后將抽取所得特征與預(yù)先置入的諸文字特征相比較，以判斷與識(shí)別輸入的文字。二、激光傳感器激光的特點(diǎn)在于：（1）激光是單色的，或者說是單頻的，有一些激光器可以同時(shí)產(chǎn)生不同頻率的激光，但是這些激光是互相隔離的，使用時(shí)也是分開的；（2）激光是相干光，相干光的特征是其所有的光波都是同步的，整束光就好像一個(gè)“波列”；（3）激光是高度集中的，也就是說它要走很長(zhǎng)的一段距離才會(huì)出現(xiàn)分散或者收斂的現(xiàn)

35、象。激光器有很多種，尺寸大至幾個(gè)足球場(chǎng)，小至一粒稻谷或鹽粒。氣體激光器有氦氖激光器和氬激光器；固體激光器有紅寶石激光器；半導(dǎo)體激光器有激光二極管，像CD機(jī)、DVD機(jī)和CDROM。由于激光的種種特性，使得激光應(yīng)用于傳感器領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)極大。如激光光斑極小，可以用來測(cè)量很微小的位移，激光對(duì)物體沒有任何壓力，因而也不存在彈性變形問題，所示可以認(rèn)為激光可以“真實(shí)”測(cè)量等。2.激光三角法測(cè)距基于三角檢測(cè)原理的激光位移傳感器采用激光作為光源投射一個(gè)亮點(diǎn)或者直線條紋到被測(cè)物體表面，經(jīng)物體反射的激光通過接收器鏡頭，被內(nèi)部的CCD線型相機(jī)接收，根據(jù)不同的距離，CCD線型相機(jī)可以在不同的角度下“看見”這個(gè)光點(diǎn)，根據(jù)這個(gè)

36、角度及已知的激光和相機(jī)之間的距離，數(shù)字信號(hào)處理器就能計(jì)算出傳感器和被測(cè)物體之間的距離。3.干涉測(cè)量可見光的干涉測(cè)量是干涉測(cè)量術(shù)中最先發(fā)展同時(shí)也得到最廣泛應(yīng)用的類別，早期的實(shí)際應(yīng)用如邁克耳孫測(cè)星干涉儀對(duì)恒星角直徑的測(cè)量，但如何獲取穩(wěn)定的相干光源始終是限制光學(xué)測(cè)量發(fā)展的重要原因之一。直至二十世紀(jì)六十年代，光學(xué)干涉測(cè)量技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，這要?dú)w功于激光這一高強(qiáng)度相干光源的發(fā)明，計(jì)算機(jī)等數(shù)字集成電路獲取并處理干涉儀所得數(shù)據(jù)的能力大大提升，以及單模光纖的應(yīng)用增長(zhǎng)了實(shí)驗(yàn)中的有效光程并仍能保持很低的噪聲。電子技術(shù)的發(fā)展使人們不必再去觀察干涉儀產(chǎn)生的干涉條紋，而可以對(duì)相干光的相位差直接進(jìn)行測(cè)量。三、光纖式傳

37、感器1.光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)光原理光導(dǎo)纖維是用比頭發(fā)絲還細(xì)的石英玻璃絲制成的，每一根光導(dǎo)纖維由一個(gè)圓柱形芯子、包層、保護(hù)套組成。光導(dǎo)纖維的芯子是用玻璃材料制成的，折射率為n1；包層是用玻璃或塑料制成的，折射率為n2；且n1n2，這樣可以保證入射到光纖內(nèi)的光波集中在芯子內(nèi)傳輸。當(dāng)光線以各種不同角度入射到芯子并射至芯子與包層的交界面時(shí)，光線在該處有一部分透射，一部分反射。但當(dāng)光線在纖維端面中心的入射角小于臨界入射角c 時(shí)，光線就不會(huì)透射出界面，而全部被反射。光在界面上經(jīng)無數(shù)次反射，呈鋸齒形狀路線在芯內(nèi)向前傳播，最后從光纖的另一端傳出，這就是光纖的導(dǎo)光原理。2.光導(dǎo)纖維的主要參數(shù)(1)數(shù)值孔徑是光纖的

38、一個(gè)重要性能參數(shù)，它表示光纖的集光能力。光纖的集光能力越強(qiáng)，光纖與光源之間的耦合越容易。(2)光纖的第二個(gè)性能參數(shù)是色散。當(dāng)一個(gè)光脈沖信號(hào)通過光纖時(shí)，由于光纖的色散，在輸出端的光脈沖被展寬，出現(xiàn)明顯失真，這種現(xiàn)象稱為色散。色散影響著光纖傳輸信息的容量。由于光纖的信息容量很大，用其制作傳感器，色散不是主要問題。(3)光纖的另一個(gè)性能參數(shù)是傳輸損耗。當(dāng)光從光纖的一端射入從另一端射出時(shí)，光強(qiáng)將減弱，光在光纖中傳播時(shí)產(chǎn)生了損耗。導(dǎo)致傳輸損耗的原因主要是光吸收和光散射。3.光纖傳感器的工作原理光纖傳感器是一種將被測(cè)對(duì)象的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)的光信號(hào)傳感器。光纖傳感器的工作原理是將光源入射的光束經(jīng)由光纖送入調(diào)制

39、器，在調(diào)制器內(nèi)與外界被測(cè)參數(shù)的相互作用，使光的光學(xué)性質(zhì)，如光的強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位、偏振態(tài)等發(fā)生變化，成為被調(diào)制的光信號(hào)，再經(jīng)過光纖送入光電器件、經(jīng)解調(diào)器后獲得被測(cè)參數(shù)。整個(gè)過程中，光束經(jīng)由光纖導(dǎo)入，通過調(diào)制器后再射出，其中光纖的作用首先是傳輸光束，其次是起到光調(diào)制器的作用。4.光纖傳感器的分類1)功能型光纖傳感器光纖一方面起傳輸光的作用，另一方面是敏感元件，是靠被測(cè)物理量調(diào)制或影響光纖的傳輸特性，把被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)檎{(diào)制的光信號(hào)。因此，光纖具有“傳”和“感”的功能。光纖的輸出端采用光電器件，所接受的光信號(hào)便是被測(cè)量調(diào)制后的信號(hào)，并使其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。此類傳感器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高，

40、但是它需用特殊光纖和先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)，因此，成本高。如光纖陀螺、光纖水聽器等。2)非功能型光纖傳感器在非功能型傳感器中，光纖不是敏感元件，即只“傳”不“感?！彼抢迷诠饫w的端面或在兩根光纖中間，放置光學(xué)材料及機(jī)械式或光學(xué)式的敏感元件，感受被測(cè)物理量的變化。此類光纖傳感器無需特殊光纖及其他特殊技術(shù)，比較容易實(shí)現(xiàn)，成本低，但靈敏度也較低，應(yīng)用于對(duì)靈敏度要求不太高的場(chǎng)合。目前，已實(shí)用化的光纖傳感器，大都是非功能型的。實(shí)訓(xùn)1.認(rèn)識(shí)電感式高精度位移傳感器2.高精度激光位移傳感器檢測(cè)物體高度差思考與練習(xí)1.請(qǐng)?jiān)O(shè)想一下如果將位移傳感器作為檢測(cè)物體表面粗糙度的儀器，使用電感式位移傳感器檢測(cè)物體表面，對(duì)于檢測(cè)頭

41、需要什么要求，可根據(jù)表面粗糙度的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)設(shè)計(jì)。2.高精度激光位移傳感器的檢測(cè)是非接觸的，請(qǐng)思考能否使用激光位移傳感器作為檢測(cè)物體表面粗糙度的傳感器。3.在工業(yè)批量生產(chǎn)中有很多項(xiàng)目需要連續(xù)檢測(cè)，要求檢測(cè)速度能跟得上流水線生產(chǎn)的速度。請(qǐng)思考并論述：在高速度檢測(cè)過程中，使用激光位移傳感器和電感高精度位移傳感器在原理上是否可行。講解電容式傳感器原理及常見介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。結(jié)合圖片講解各種形式的傳感器及其特點(diǎn)。根據(jù)圖3-3引導(dǎo)學(xué)生討論電容的變化量及靈敏度。教師講解等效電路，引導(dǎo)學(xué)生分組討論電容的實(shí)際相對(duì)變化量。學(xué)生分組討論電容式傳感器的特點(diǎn)，教師總結(jié)。結(jié)合圖片講解可變磁阻式傳感器的構(gòu)造原理。學(xué)

42、生分組討論不同結(jié)構(gòu)的可變磁阻傳感器。教師講解差動(dòng)變壓器傳感器原理及輸出特性，學(xué)生分組討論其使用特點(diǎn)。學(xué)生分組討論圖形傳感器的用途。了解激光的特點(diǎn)。講解激光三角法檢測(cè)原理圖。教師講解功能型光纖傳感器及非功能型光纖傳感器的原理，學(xué)生分析其異同點(diǎn)。教學(xué)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)：了解速度傳感器檢測(cè)的一般原理和使用條件，掌握各種速度傳感器的量程、精度等檢測(cè)性能。能力目標(biāo)：認(rèn)識(shí)磁電式速度傳感器及其檢測(cè)適應(yīng)性，了解工業(yè)中常用的速度檢測(cè)特點(diǎn)及位移傳感器的基本選用原則。素質(zhì)目標(biāo)： 教學(xué)重點(diǎn)各種速度傳感器的量程、精度等檢測(cè)性能教學(xué)難點(diǎn)各種速度傳感器的量程、精度等檢測(cè)性能教學(xué)手段理實(shí)一體實(shí)物講解小組討論、協(xié)作教學(xué)學(xué)時(shí)7教 學(xué)

43、內(nèi) 容 與 教 學(xué) 過 程 設(shè) 計(jì)注 釋項(xiàng)目四 速度和加速度檢測(cè)系統(tǒng)理論學(xué)習(xí)任務(wù)一 認(rèn)識(shí)速度傳感器一、測(cè)速發(fā)電機(jī)傳感器的要求測(cè)速發(fā)電機(jī)(tachogenerator)是一種檢測(cè)機(jī)械轉(zhuǎn)速的電磁裝置。它能把機(jī)械轉(zhuǎn)速變換成電壓信號(hào)，其輸出電壓與輸入的轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)測(cè)速發(fā)電機(jī)的要求，主要是精確度高、靈敏度高、可靠性好等，具體如下。（1）輸出電壓與轉(zhuǎn)速保持良好的線性關(guān)系。（2）剩余電壓（轉(zhuǎn)速為零時(shí)的輸出電壓）要小。（3）輸出電壓的極性和相位能反映被測(cè)對(duì)象的轉(zhuǎn)向。（4）溫度變化對(duì)輸出特性的影響小。（5）輸出電壓的斜率大，即轉(zhuǎn)速變化所引起的輸出電壓的變化要大。（6）摩擦轉(zhuǎn)矩和慣性要小。二、直

44、流測(cè)速發(fā)電機(jī)直流測(cè)速發(fā)電機(jī)實(shí)際上是一種微型直流發(fā)電機(jī)，按勵(lì)磁方式可分為兩種類型。圖4-2所示為電磁式測(cè)速發(fā)電機(jī)原理，定子常為二極，勵(lì)磁繞組由外部直流電源供電，通電時(shí)產(chǎn)生磁場(chǎng)。目前，我國(guó)生產(chǎn)的CD 系列直流測(cè)速發(fā)電機(jī)為電磁式。永磁式測(cè)速發(fā)電機(jī)原理如圖4-3所示。定子磁極由永久磁鋼做成。永磁式測(cè)速發(fā)電機(jī)由于沒有勵(lì)磁繞組，所以可省去勵(lì)磁電源，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便等特點(diǎn)。圖4-2 電磁式測(cè)速發(fā)電機(jī)原理圖4-3 永磁式測(cè)速發(fā)電機(jī)原理影響直流測(cè)速發(fā)電機(jī)誤差的因素有以下幾種。1電樞反應(yīng)的影響當(dāng)直流測(cè)速發(fā)電機(jī)帶負(fù)載時(shí)，負(fù)載電流流經(jīng)電樞，產(chǎn)生電樞反應(yīng)的去磁作用，使電機(jī)氣隙磁通減小。因此，在相同轉(zhuǎn)速下，負(fù)載時(shí)電

45、樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)比空載時(shí)電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)小。負(fù)載電阻越小或轉(zhuǎn)速越高，電樞電流就越大，電樞反應(yīng)的去磁作用越強(qiáng)，氣隙磁通減小的越多，輸出電壓下降越顯著，致使輸出特性向下彎曲。2電刷接觸電阻的影響測(cè)速發(fā)電機(jī)帶負(fù)載時(shí)，由于電刷與換向器之間存在接觸電阻，會(huì)產(chǎn)生電刷的接觸壓降，使輸出電壓降低。電刷接觸電阻是非線性的，它與流過的電流密度有關(guān)。當(dāng)電樞電流較小時(shí)，接觸電阻大，接觸壓降也大；電樞電流較大時(shí)，接觸電阻小?？梢娊佑|電阻與電流成反比。只有電樞電流較大，電流密度達(dá)到一定數(shù)值后，才可近似認(rèn)為電刷接觸壓降是常數(shù)?？紤]電刷接觸壓降的影響時(shí)，直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出特性如圖4-6所示。圖4-6 考慮電刷接觸壓降

46、后的輸出特性3電刷位置的影響當(dāng)直流測(cè)速發(fā)電機(jī)帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)，若電刷沒有嚴(yán)格地位于幾何中性線上，會(huì)造成測(cè)速發(fā)電機(jī)正反轉(zhuǎn)時(shí)輸出電壓不對(duì)稱，即在相同的轉(zhuǎn)速下，測(cè)速發(fā)電機(jī)正反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，輸出電壓不完全相等。這是因?yàn)楫?dāng)電刷偏離幾何中性線一個(gè)不大的角度時(shí)，電樞反應(yīng)的直軸分量磁通在一種轉(zhuǎn)向下起著去磁作用，而在另一種轉(zhuǎn)向下起著增磁作用。因此，在兩種不同的轉(zhuǎn)向下，盡管轉(zhuǎn)速相同，但電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不相等，其輸出電壓也不相等。4溫度的影響電磁式直流測(cè)速發(fā)電機(jī)在實(shí)際工作時(shí)，由于周圍環(huán)境溫度的變化以及發(fā)電機(jī)本身發(fā)熱（由發(fā)電機(jī)各種損耗引起），都會(huì)引起發(fā)電機(jī)中勵(lì)磁繞組電阻的變化。當(dāng)溫度升高時(shí)，勵(lì)磁繞組電阻增大。這時(shí)即使勵(lì)磁

47、電壓保持不變，勵(lì)磁電流也將減小，磁通也隨之減小，導(dǎo)致電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和輸出電壓降低。銅的電阻溫度系數(shù)約為0.004 -1，即當(dāng)溫度每升高25 ，其電阻值相應(yīng)增加10%。所以，溫度的變化對(duì)電磁式直流測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出特性的影響是很大的。5紋波的影響實(shí)際上直流測(cè)速發(fā)電機(jī)，在和n為定值時(shí)，其輸出電壓并不是穩(wěn)定的直流電壓，而總是帶有微弱的脈動(dòng)，通常把這種脈動(dòng)稱為紋波。引起紋波的因素很多，主要由電機(jī)本身的固有結(jié)構(gòu)及加工誤差引起。電樞繞組的電動(dòng)勢(shì)是每條支路中電樞元件電動(dòng)勢(shì)的疊加。由于發(fā)電機(jī)中每個(gè)電樞元件的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是變化的，所以電樞電動(dòng)勢(shì)也不是恒定的，即存在紋波。增加每條支路中串聯(lián)的元件數(shù)，可以減小紋波。

48、但由于工藝所限，電機(jī)的槽數(shù)、元件數(shù)及換向片數(shù)不可能無限增加，所以輸出電壓不可避免要產(chǎn)生脈動(dòng)。另外，由于電樞鐵芯有齒有槽，氣隙不均勻，鐵芯材料的導(dǎo)磁性能各向相異等，也會(huì)使輸出電壓中紋波幅值上升。三、交流異步測(cè)速發(fā)電機(jī)交流測(cè)速發(fā)電機(jī)分為同步測(cè)速發(fā)電機(jī)和異步測(cè)速發(fā)電機(jī)兩大類。同步測(cè)速發(fā)電機(jī)又分為永磁式、感應(yīng)子式和脈沖式三種。異步測(cè)速發(fā)電機(jī)按其結(jié)構(gòu)可分為鼠籠轉(zhuǎn)子和空心杯轉(zhuǎn)子兩種。它的結(jié)構(gòu)與交流伺服電動(dòng)機(jī)相同。鼠籠轉(zhuǎn)子異步測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出斜率大，但線性度差，相位誤差大，剩余電壓高，一般只用在精度要求不高的控制系統(tǒng)中?？招谋D(zhuǎn)子異步測(cè)速發(fā)電機(jī)的精度較高，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也小，性能穩(wěn)定?？招谋D(zhuǎn)子異步測(cè)速發(fā)電機(jī)的

49、工作原理如圖4-8所示?？招谋D(zhuǎn)子可以看成一個(gè)鼠籠導(dǎo)條數(shù)目很多的鼠籠轉(zhuǎn)子。當(dāng)電機(jī)的勵(lì)磁繞組加上頻率為f的交流電壓f，則在勵(lì)磁繞組中就會(huì)有電流f通過，并在內(nèi)外定子間的氣隙中產(chǎn)生脈振磁場(chǎng)。脈振的頻率與電源頻率f相同，脈振磁場(chǎng)的軸線與勵(lì)磁繞組Wf的軸線一致。當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止（n=0）時(shí)，轉(zhuǎn)子杯導(dǎo)條與脈振磁通d相匝鏈，并產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。這時(shí)勵(lì)磁繞組與轉(zhuǎn)子杯之間的電磁耦合情況和變壓器一次側(cè)和二次側(cè)的情況完全一樣。因此，脈振磁場(chǎng)在勵(lì)磁繞組和轉(zhuǎn)子杯中分別產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)稱為變壓器電動(dòng)勢(shì)。若忽略勵(lì)磁繞組Wf的電阻R1及漏阻抗X1，則根據(jù)變壓器的電壓平衡方程式，電源電壓f與勵(lì)磁繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)f相平衡，電源電壓的大

50、小近似地等于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小，即ff(42)又因?yàn)閒d，所以電源電壓f一定時(shí)，磁通d也基本保持不變。由于輸出繞組的軸線與勵(lì)磁繞組的軸線相差90°電角度，因此，磁通d與輸出繞組無匝鏈，不會(huì)在輸出繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，輸出電壓2為0，如圖4-8（a）所示。圖4-8異步測(cè)速發(fā)電機(jī)的工作原理當(dāng)轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子杯中除了上述變壓器電動(dòng)勢(shì)外，轉(zhuǎn)子杯導(dǎo)條切割磁通d而產(chǎn)生切割電動(dòng)勢(shì)r（或稱旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)），如圖4-8（b）所示。電于磁通d為脈振磁通，所以電動(dòng)勢(shì)r亦為交變電動(dòng)勢(shì)，其交變頻率為磁通d的脈振頻率f。若磁通d的幅值為恒定時(shí)，則電動(dòng)勢(shì)r與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n成正比關(guān)系。圖4-8 異步測(cè)速發(fā)電機(jī)的工作原理在理想情況下，異步測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出特性應(yīng)是直線，但實(shí)際上異步測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出電壓與轉(zhuǎn)速之間并不是嚴(yán)格的線性關(guān)系，而是非線性的。異步測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出特性如圖4-9所示。圖4-9 異步測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出特性為減少上述測(cè)速發(fā)電機(jī)的非線性，