《傳感器與檢測技術(shù)》全套教案

教學目標知識目標：掌握接近開關的基本工作原理，了解各種接近開關的環(huán)境特性及使用方法，掌握應用接近開關進行工業(yè)技術(shù)檢測的方法能力目標：對不同接近開關進行敏感性檢測，使用霍爾接近開關完成轉(zhuǎn)動次數(shù)的測量。素質(zhì)目標：教學重點接近開關的應用教學難點接近開關的基本工作原理教學手段理實一體實物講解小組討論、協(xié)作教學學時10教學內(nèi)容與教學過程設計注釋項目一開關量檢測〖理論學習〗任務一認識接近開關一、霍爾效應型接近開關1.霍爾效應霍爾效應的產(chǎn)生是由于運動電荷在磁場作用下受到洛侖茲力作用的結(jié)果。如圖1-2所示，把N型半導體薄片放在磁場中，通以固定方向的電流i圖1-2霍爾效應（從a點至b點），那么半導體中的載流子（電子）將沿著與電流方向相反的方向運動。圖1-2霍爾效應2.霍爾元件霍爾元件的結(jié)構(gòu)簡單，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)額定激勵電流2)靈敏度KH3)輸入電阻和輸出電阻4)不等位電動勢和不等位電阻5)寄生直流電動勢6)霍爾電動勢溫度系數(shù)4.霍爾開關霍爾開關是在霍爾效應原理的基礎上，利用集成封裝和組裝工藝制作而成，可把磁輸入信號轉(zhuǎn)換成實際應用中的電信號，同時具備工業(yè)場合實際應用易操作和可靠性的要求。圖1-6霍爾開關5.霍爾傳感器的應用1)霍爾式位移傳感器霍爾元件具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、動態(tài)特性好和壽命長的優(yōu)點，它不僅用于磁感應強度、有功功率及電能參數(shù)的測量，也在位移測量中得到廣泛應用。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)霍爾計數(shù)裝置圖1-9所示的是對鋼球進行計數(shù)的工作示意圖和電路圖。當鋼球通過霍爾開關傳感器時，傳感器可輸出峰值20mV的脈沖電壓，該電壓經(jīng)運算放大器(μA741)放大后，驅(qū)動半導體三極管VT(2N5812)工作，輸出端便可接計數(shù)器進行計數(shù)，并由顯示器顯示檢測數(shù)值。圖1-9霍爾計數(shù)裝置二、光電效應型接近開關1.光電效應光照射到某些物質(zhì)上，引起物質(zhì)的電性質(zhì)發(fā)生變化，這類光致電變的現(xiàn)象統(tǒng)稱為光電效應，如圖1-10所示。圖1-10光電效應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器，顧名思義是把微弱光信號轉(zhuǎn)變成電信號且進行放大的器件，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制成的光電器件，光敏電阻沒有極性，相當于一個電阻器件。光敏電阻的測量原理如圖1-16所示。圖1-16光敏電阻的測量原理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)對光敏感。將其PN結(jié)裝在管的頂部，上面有一個透鏡制成的窗口，以便使光線集中在PN結(jié)上。光敏二極管是基于半導體光生伏特效應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）光電開關光電開關（光電傳感器）是光電接近開關的簡稱，它是利用被檢測物對光束的遮擋或反射，由同步回路選通電路，從而檢測物體有無的。三、感應型接近開關感應式傳感器也稱為渦流式傳感器，由振蕩器、開關電路及放大輸出電路三部分組成。振蕩器產(chǎn)生一個交變磁場，當金屬目標接近這一磁場，并達到感應距離時，在金屬目標內(nèi)產(chǎn)生渦流，渦流反作用于接近開關，使接近開關振蕩能力衰減，內(nèi)部電路的電磁感應參數(shù)發(fā)生變化，由此識別出有無金屬物體接近，進而控制開關的通斷。圖1-24感應接近開關原理任務二接近開關的應用（一）開關電源的基礎知識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，這是高頻開關電源的核心部分。（5）輸出整流與濾波。根據(jù)負載需要，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，與設定值進行比較，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)測試電路提供的數(shù)據(jù)，經(jīng)保護電路鑒別，提供控制電路對電源進行各種保護措施。3.檢測電路檢測電路提供保護電路中正在運行中的各種參數(shù)和各種儀表數(shù)據(jù)。4.輔助電源開關電源的選擇與使用使用上，開關電源工作效率一般可達到80%以上，遠高于一般穩(wěn)壓器35%~60%的轉(zhuǎn)換效率，故在其輸出電流的選擇上，應準確檢測或計算用電設備的最大吸收電流，并且按照此電流的1.5~1.8倍選擇開關電源的額定電流或者功率，以使被選用的開關電源具有高的性價比。任務三接近開關的應用（二）數(shù)顯表簡介數(shù)顯表輸入信號一般為開關量和模擬量，信號經(jīng)過計數(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，作為檢測器件的顯示終端和人機界面。二、數(shù)顯表規(guī)格與應用1.東崎SV8智能傳感器和變送器控制專用數(shù)顯表其特點有以下幾點。（1）開關電源100~240VAC供電。（2）輸入多種標準信號，有0~50mV、0~10V、4~20mA、可變電阻、TC/RTD等，并能使用軟件自動進行調(diào)節(jié)。（3）具有小數(shù)點設定、比率、量程及零點自由調(diào)整功能。（4）帶隔離變送功能，隔離485通信功能。（5）帶24/12VDC輔助電源，兩路報警輸出。（6）精度等級為±0.3%FS。（7）應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的傳感器檢測設備。2.DTR600系列智能光柱調(diào)節(jié)儀其特點是：有萬能輸入功能，自動校準和人工校準功能；多重保護、隔離設計、抗干擾能力強；可靠性高；有良好的軟件平臺；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)升級方便。三、數(shù)顯表的選用挑選一個適用、經(jīng)濟和性價比最佳的數(shù)顯表與設備配套應從以下幾個方面考慮。(1)如果舊設備改造，需要充分了解原來設備的用途、型號、原來使用表頭的外形尺寸和型號、配合的傳感器等，這是進行設備改造的基礎。(2)若是研制新型產(chǎn)品，需要設定檢測需要達到的目標值。包括需要檢測控制的最小值和最大值；需要達到的控制精度，如果普通試驗室的烘箱為±1.0℃，而基準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?！紝嵱枴浇咏_關的特性檢測接近開關對不同材料的敏感性檢測使用接近開關檢測轉(zhuǎn)動次數(shù)〖思考與練習〗1.設想一個使用光電接近開關測量轉(zhuǎn)速的方案。2.使用數(shù)顯表配合接近開關設計一個方案，測量傳送帶上輸運物料的個數(shù)。3.上網(wǎng)查找一個接近開關的生產(chǎn)廠家，并介紹其生產(chǎn)接近開關的型號和應用場合。講解霍爾效應基本原理，及霍爾電動勢。了解霍爾傳感器的應用。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)合圖片講解感應接近開關原理。掌握開關電源的基礎知識。了解不同種類數(shù)顯表的規(guī)格及特點。能夠正確選用數(shù)顯表。教學目標知識目標：了解位移傳感器檢測的一般方法，掌握各種位移傳感器的量程、精度等檢測性能，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：認識各種位移傳感器及其檢測適應性，裝配使用光柵尺位移傳感器應用系統(tǒng)，使用無接觸超聲波位移傳感器實現(xiàn)基本一維定位素質(zhì)目標：教學重點各種位移傳感器及其檢測適應性教學難點光柵尺位移傳感器應用系統(tǒng)教學手段理實一體實物講解小組討論、協(xié)作教學學時11教學內(nèi)容與教學過程設計注釋項目二位移檢測〖理論學習〗任務一認識位移傳感器一、電阻尺將被測量轉(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。對于一般的導體電阻有如下公式R=ρlS(2-1)式中，R為電阻阻值（Ω）；ρ為電阻率（Ω·mm）；l為導體長度（mm）；S為導體截面積（mm2）。電刷滑動時，導線是一圈一圈被接入的，長度變化是不連續(xù)的，其與電刷滑動量之間呈現(xiàn)階躍特性。這種躍變限定了變阻器的靜態(tài)靈敏度，而動態(tài)靈敏度則由電刷的質(zhì)量或轉(zhuǎn)動慣量決定，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，使用滑線變阻器進行位移檢測時，電刷滑動時會產(chǎn)生動態(tài)接觸電阻，接觸電阻阻值一般不確定，這會對檢測精度產(chǎn)生難以忽略的影響。為改善以上兩個問題，工業(yè)中通常使用直線導電塑料作為變阻器材料，消除了階躍誤差效應，將變阻器和電刷施加一定的預緊力裝配成一個部件，外加金屬封裝，形成如圖2-2所示的電阻尺，又稱為導電塑料電位計或電壓分配計等。圖2-2電阻尺二、感應同步器感應同步器是利用電磁原理將位移轉(zhuǎn)換成電信號的一種裝置。根據(jù)用途可將感應同步器分為直線式和旋轉(zhuǎn)式兩種，分別用于檢測線位移和角位移。在高精度數(shù)字顯示系統(tǒng)或數(shù)控閉環(huán)系統(tǒng)中，圓盤式感應同步器用以檢測角位移信號，直線式感應同步器用以檢測線位移信號。圖2-5所示為感應同步器在機床定位中的應用示例。圖2-5感應同步器如圖2-6所示為感應同步器原理，感應同步器由兩個磁耦合部件組成，其工作原理類似于一個多極對的正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器。圖2-6感應同步器原理如圖2-8所示，脈沖發(fā)生器發(fā)出頻率一定的脈沖系列，輸出參考信號方波和指令信號方波，指令信號方波使勵磁供電線路產(chǎn)生振幅頻率相同而相位差為90°的正弦信號電壓和余弦信號電壓，供給感應同步器滑尺或者定尺繞組。在定尺上產(chǎn)生感生電動勢，經(jīng)過放大整形后的信號同樣為方波信號，反饋至鑒相器與參考信號進行比較。鑒相器輸出是感應電動勢與參考信號的相位差，即對應的位移值。圖2-8感應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）上錄制出間隔嚴格相等的磁波，稱為磁柵。磁柵的一個重要特點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0.01mm的間隙，由于裝配和調(diào)整不可能達到理想狀態(tài)，故實際上線型磁柵也處于準接觸式的工作狀態(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長方形孔。由于光電編碼盤自身有旋轉(zhuǎn)軸，當旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時，經(jīng)光電二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號，通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數(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，為了實現(xiàn)定位，增加了Z相作為基準，由Z相發(fā)出零位脈沖，作為轉(zhuǎn)動的起始點，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2-13A、B、Z三相光電編碼盤2.絕對式光電編碼器原理除了增量式光電編碼器之外，還有一種絕對式光電編碼器，其原理如圖2-14所示。圖2-14絕對式光電編碼器原理任務二直線型光柵位移傳感器的應用一、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元件，用于位移檢測的光柵稱為計量光柵。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)實現(xiàn)檢測。圖2-17透射光柵的光路光柵檢測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明暗條紋的影響相對降低，這樣可更容易制造光柵。（2）兩個光柵相對運動時（光柵條紋的垂直方向），莫爾條紋也在上下運動，移動一個柵距（兩個光柵條紋之間的距離），在光電傳感器上某一點的光強也變化一個周期。（3）莫爾條紋的間距與兩個光柵條紋夾角的關系為B=W2sinθ2≈Wθ(2-5)式中，B為莫爾條紋的間距（m）；W為光柵柵距（m）；θ為兩個光柵之間的夾角(°)。光電元件接收莫爾條紋移動時光強的變化，則將光信號轉(zhuǎn)換為如圖2-18所示的光強信號，圖2-18光柵位移明暗位置與光強之間的關系在光電傳感器件的固定位置上，光強弱的信號實際上是由明暗位置關系決定的（如圖2-18上部所示某一光電器件部位的光接收信號，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之間的關系2.辨向原理為了判斷方向，可以使用兩套光電轉(zhuǎn)換裝置。令它們在空間的相對位置有一定的關系，從而保證它們產(chǎn)生的信號在相位上相差1/4周期，如圖2-19所示，標尺光柵可分為上下兩個部分，兩個部分柵距相同，下光柵比上光柵錯后1/4柵距，即1/4周期。同樣，在接收光強的地方設置兩個光電傳感器，分別為光敏元件1和光敏元件2。圖2-19兩個相位差1/4周期的標尺光柵如圖2-20所示，當光柵正向移動時，光敏元件2比光敏元件1先感光，此時，與門Y1有輸出，它控制加減觸發(fā)裝置，使可逆計數(shù)器的加法母線為高電位。圖2-20辨向系統(tǒng)流程3.細分技術(shù)簡介二、光柵檢測系統(tǒng)的幾個關鍵問題1.檢測精度光柵線位移傳感器的檢測準確度，首先取決于標尺光柵刻線劃分度的質(zhì)量和指示光柵掃描的質(zhì)量（柵線邊沿清晰至關重要），其次才是信號處理電路的質(zhì)量和指示光柵沿標尺光柵導向的誤差。影響光柵尺檢測準確度的因素主要是在光柵整個檢測長度上的位置偏差和光柵一個信號周期內(nèi)的位置偏差。2.信號處理為了保證檢測的精度，除了對光柵的刻劃質(zhì)量和運動精度有要求外，還必須對光柵的莫爾條紋信號的質(zhì)量加以要求，因為這影響電子細分的精度，也就是影響光柵檢測信號的細分數(shù)（倍頻數(shù)）和檢測分辨力（檢測步距）。柵距的細分數(shù)和準確性也影響光柵檢測系統(tǒng)的準確度和檢測步距。對莫爾條紋信號質(zhì)量的要求主要是信號的正弦性和正交性要好，信號直流電平漂移要小。對讀數(shù)頭中的光電轉(zhuǎn)換電路和后續(xù)的數(shù)字化插補電路要求頻率特性好，才能保證檢測速度大。3.光柵的參考標記和絕對坐標1）光柵絕對位置的確立為了縮短回零位的距離，一般設計了在檢測全長內(nèi)按距離編碼的參考標記，每當經(jīng)過兩個參考標記后就可以確定光柵尺的絕對位置。2）絕對坐標傳感器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精度，在使用上，光柵尺的熱性能最好和檢測的對象的熱性能一致?？紤]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所示為機床常用的光柵尺專用數(shù)顯表，光柵尺指示光柵所處在標尺光柵的位置顯示到如圖所示的左上部分，分為x、y和z三個方向，據(jù)此可實現(xiàn)空間上三個坐標的定位。圖2-22光柵尺數(shù)顯表任務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，輸出模擬量，如圖2-29所示。超聲波傳感器的檢測范圍取決于其使用的波長和頻率。波長越長，頻率越小，檢測距離越大，如具有毫米級波長的緊湊型傳感器的檢測范圍為300~500mm。波長大于5mm的傳感器檢測范圍可達8m。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°的傳感器能夠檢測具有較大傾角的物體。圖2-29工業(yè)測距超聲波傳感器由于風、鼓風機、氣動設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別目標物體的正確位置。在某些情況下，可以加裝防風擋板以減小影響。還需要注意的是，一個垂直于聲波軸的平直的目標物體將把大部分的能量反射回傳感器。隨著角度的變大，傳感器接收到的能量將減少。在某一點上，傳感器將不能“看到”目標物體，如圖2-31所示。因此，在檢測過程中，需要注意調(diào)整超聲波傳感器檢測頭對檢測面的姿態(tài)。圖2-30氣流對超聲波檢測的影響圖2-31反射面角度對超聲波檢測的影響在檢測時，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線，其中藍線為共地線，檢測中，如果僅需要知道是否達到規(guī)定的距離，可以采用開關量檢測，即黑色引線和棕色引線；如果需要檢測具體的距離，則需要采用白色引線和藍色引線。具體的設置可在如圖2-34所示的傳感器中通過按鍵進行設置，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量輸出。 圖2-33超聲波傳感器引線圖2-34設置檢測輸出端口〖實訓〗1.認識電阻式位移傳感器。2.光柵尺精密位移檢測系統(tǒng)。3.超聲波位移傳感器的特性檢測?！妓伎寂c練習〗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。2.請設計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)超聲波傳感器的實訓過程，請設計超聲波傳感器的使用說明書。了解電阻尺的產(chǎn)生過程。學生分組討論感應同步器的有點，教師總結(jié)。結(jié)合圖片講解感應同步器原理。教師講解磁柵的工作原理，學生分析其特點。教師講解增量式光電編碼器和絕對式光電編碼器原理，學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。學生分組討論光柵尺在使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)的問題及解決方法。分組討論氣流對超聲波檢測的影響。教學目標知識目標：了解位移傳感器檢測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性能；能力目標：了解工業(yè)中常用的位移檢測特點及位移傳感器的基本選用原則，素質(zhì)目標：教學重點各種位移傳感器的量程和精度等檢測性能教學難點各種位移傳感器的量程和精度等檢測性能教學手段理實一體實物講解小組討論、協(xié)作教學學時6教學內(nèi)容與教學過程設計注釋項目三精密位移檢測系統(tǒng)〖理論學習〗任務一高精度位移傳感器的應用一、電容式傳感器電容式傳感器實質(zhì)上是利用電容自身性質(zhì)進行檢測的傳感器，如圖3-1所示。電容式傳感器原理基于以下公式C=εA/d。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)與特性在實際應用中，為了提高傳感器的靈敏度和穩(wěn)定性，常常采用差動式結(jié)構(gòu)，如圖3-4所示。圖3-4差動型極距電容傳感器結(jié)構(gòu)與特性2．電容式傳感器的測量電路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，Rp為并聯(lián)損耗電阻，它代表極板間的泄漏電阻和介質(zhì)損耗。這些損耗在低頻時影響較大，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）測量電路（1）調(diào)頻測量電路。圖3-6所示的是調(diào)頻式測量電路原理框圖。圖3-6調(diào)頻電路的測量原理（2）運算放大器式測量電路。運算放大器的放大倍數(shù)很大，輸入阻抗Zi很高，輸出電阻小，所以運算放大器作為電容式傳感器的測量電路是比較理想的。3.電容式傳感器的特點與用途電容式傳感器的特點如下。（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，具有較高的輸出阻抗。這種阻抗對后續(xù)電路影響很小，從而簡化了后續(xù)放大電路。（2）小的靜電引力和良好的動態(tài)特性。電容傳感器的極板間的引力極小，能量消耗少，其可動質(zhì)量小，具有較高的固有頻率和良好的動態(tài)性能。（3）自身發(fā)熱小。（4）可以進行非接觸檢測。電容式傳感器廣泛地應用在位移、振動、角度和加速度等機械量的精密檢測，而且目前檢測范圍已經(jīng)擴大到了壓力、液面和成分等方面的檢測。圖3-8所示為差動電容式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)圖。圖中所示膜片為動電極，兩個在凹形玻璃上的金屬鍍層為固定電極，構(gòu)成差動電容器。圖3-8差動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)造原理如圖3-10所示，由線圈、鐵芯和銜鐵組成，鐵芯和銜鐵由導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）所示是可變導磁面積型，其自感L與A0呈線性關系，但和電容式傳感器相類似，由于邊緣效應，這種傳感器的靈敏度比較低。圖3-11（b）所示是差動型位移傳感器結(jié)構(gòu)，銜鐵位移時，可以使兩個線圈的間隙一個變大而另一個相應減小。將兩個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)，當鐵芯在線圈中移動時，磁阻改變，使得線圈自感發(fā)生改變。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，靈敏度稍低，適合相對位移較大的檢測（數(shù)個毫米）。螺線管傳感器也可采用差動形式，以提高靈敏度和線性度，在實際檢測傳感器中經(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中的渦流效應。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際工作中，應用較多的是螺線管式差動變壓器傳感器，其工作原理如圖3-16所示，變壓器由初級線圈和兩個參數(shù)完全相同的次級線圈W1、W2組成。圖3-16差動變壓器傳感器差動變壓器式位移傳感器的使用具有的特點。任務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，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。每個光敏元通常是一個MOS電容，并正對著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間成正比，在光敏元接受光照一定時間后，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。隨后控制柵關閉，光敏元立即開始下一次的光電荷累積過程。與此同時，上一次的一串電荷信號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文字識別裝置的“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的光源可用鹵素燈，光源與透鏡間設置紅外濾光片以消除紅外光影響，每次掃描時間為300μs，因此可做到高速文字識別。把OCR的“讀取頭”傳感過來的信號放大后，經(jīng)A/D變換后的二進制信號通過特別濾光片后，文字更加清晰，然后把文字逐個斷切出來。以上處理稱為前置處理，前置處理后，以固定方式對各個文字進行特征抽取。最后將抽取所得特征與預先置入的諸文字特征相比較，以判斷與識別輸入的文字。二、激光傳感器激光的特點在于：（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“波列”；（3）激光是高度集中的，也就是說它要走很長的一段距離才會出現(xiàn)分散或者收斂的現(xiàn)象。激光器有很多種，尺寸大至幾個足球場，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；半導體激光器有激光二極管，像CD機、DVD機和CDROM。由于激光的種種特性，使得激光應用于傳感器領域優(yōu)勢極大。如激光光斑極小，可以用來測量很微小的位移，激光對物體沒有任何壓力，因而也不存在彈性變形問題，所示可以認為激光可以“真實”測量等。2.激光三角法測距基于三角檢測原理的激光位移傳感器采用激光作為光源投射一個亮點或者直線條紋到被測物體表面，經(jīng)物體反射的激光通過接收器鏡頭，被內(nèi)部的CCD線型相機接收，根據(jù)不同的距離，CCD線型相機可以在不同的角度下“看見”這個光點，根據(jù)這個角度及已知的激光和相機之間的距離，數(shù)字信號處理器就能計算出傳感器和被測物體之間的距離。3.干涉測量可見光的干涉測量是干涉測量術(shù)中最先發(fā)展同時也得到最廣泛應用的類別，早期的實際應用如邁克耳孫測星干涉儀對恒星角直徑的測量，但如何獲取穩(wěn)定的相干光源始終是限制光學測量發(fā)展的重要原因之一。直至二十世紀六十年代，光學干涉測量技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，這要歸功于激光這一高強度相干光源的發(fā)明，計算機等數(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，以及單模光纖的應用增長了實驗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，而可以對相干光的相位差直接進行測量。三、光纖式傳感器1.光導纖維的結(jié)構(gòu)和導光原理光導纖維是用比頭發(fā)絲還細的石英玻璃絲制成的，每一根光導纖維由一個圓柱形芯子、包層、保護套組成。光導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n1＞n2，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，光線在該處有一部分透射，一部分反射。但當光線在纖維端面中心的入射角θ小于臨界入射角θc時，光線就不會透射出界面，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，這就是光纖的導光原理。2.光導纖維的主要參數(shù)(1)數(shù)值孔徑是光纖的一個重要性能參數(shù)，它表示光纖的集光能力。光纖的集光能力越強，光纖與光源之間的耦合越容易。(2)光纖的第二個性能參數(shù)是色散。當一個光脈沖信號通過光纖時，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)光纖的另一個性能參數(shù)是傳輸損耗。當光從光纖的一端射入從另一端射出時，光強將減弱，光在光纖中傳播時產(chǎn)生了損耗。導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對象的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y的光信號傳感器。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)制器，在調(diào)制器內(nèi)與外界被測參數(shù)的相互作用，使光的光學性質(zhì)，如光的強度、波長、頻率、相位、偏振態(tài)等發(fā)生變化，成為被調(diào)制的光信號，再經(jīng)過光纖送入光電器件、經(jīng)解調(diào)器后獲得被測參數(shù)。整個過程中，光束經(jīng)由光纖導入，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，是靠被測物理量調(diào)制或影響光纖的傳輸特性，把被測物理量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)檎{(diào)制的光信號。因此，光纖具有“傳”和“感”的功能。光纖的輸出端采用光電器件，所接受的光信號便是被測量調(diào)制后的信號，并使其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?。此類傳感器的?yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高，但是它需用特殊光纖和先進的檢測技術(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，放置光學材料及機械式或光學式的敏感元件，感受被測物理量的變化。此類光纖傳感器無需特殊光纖及其他特殊技術(shù)，比較容易實現(xiàn)，成本低，但靈敏度也較低，應用于對靈敏度要求不太高的場合。目前，已實用化的光纖傳感器，大都是非功能型的?！紝嵱枴?.認識電感式高精度位移傳感器2.高精度激光位移傳感器檢測物體高度差〖思考與練習〗1.請設想一下如果將位移傳感器作為檢測物體表面粗糙度的儀器，使用電感式位移傳感器檢測物體表面，對于檢測頭需要什么要求，可根據(jù)表面粗糙度的國家標準進行檢測設計。2.高精度激光位移傳感器的檢測是非接觸的，請思考能否使用激光位移傳感器作為檢測物體表面粗糙度的傳感器。3.在工業(yè)批量生產(chǎn)中有很多項目需要連續(xù)檢測，要求檢測速度能跟得上流水線生產(chǎn)的速度。請思考并論述：在高速度檢測過程中，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)的相對介電常數(shù)。結(jié)合圖片講解各種形式的傳感器及其特點。根據(jù)圖3-3引導學生討論電容的變化量及靈敏度。教師講解等效電路，引導學生分組討論電容的實際相對變化量。學生分組討論電容式傳感器的特點，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。教師講解差動變壓器傳感器原理及輸出特性，學生分組討論其使用特點。學生分組討論圖形傳感器的用途。了解激光的特點。講解激光三角法檢測原理圖。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，學生分析其異同點。教學目標知識目標：了解速度傳感器檢測的一般原理和使用條件，掌握各種速度傳感器的量程、精度等檢測性能。能力目標：認識磁電式速度傳感器及其檢測適應性，了解工業(yè)中常用的速度檢測特點及位移傳感器的基本選用原則。素質(zhì)目標：教學重點各種速度傳感器的量程、精度等檢測性能教學難點各種速度傳感器的量程、精度等檢測性能教學手段理實一體實物講解小組討論、協(xié)作教學學時7教學內(nèi)容與教學過程設計注釋項目四速度和加速度檢測系統(tǒng)〖理論學習〗任務一認識速度傳感器一、測速發(fā)電機傳感器的要求測速發(fā)電機(tachogenerator)是一種檢測機械轉(zhuǎn)速的電磁裝置。它能把機械轉(zhuǎn)速變換成電壓信號，其輸出電壓與輸入的轉(zhuǎn)速成正比關系。自動控制系統(tǒng)對測速發(fā)電機的要求，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系。（2）剩余電壓（轉(zhuǎn)速為零時的輸出電壓）要小。（3）輸出電壓的極性和相位能反映被測對象的轉(zhuǎn)向。（4）溫度變化對輸出特性的影響小。（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、直流測速發(fā)電機直流測速發(fā)電機實際上是一種微型直流發(fā)電機，按勵磁方式可分為兩種類型。圖4-2所示為電磁式測速發(fā)電機原理，定子常為二極，勵磁繞組由外部直流電源供電，通電時產(chǎn)生磁場。目前，我國生產(chǎn)的CD系列直流測速發(fā)電機為電磁式。永磁式測速發(fā)電機原理如圖4-3所示。定子磁極由永久磁鋼做成。永磁式測速發(fā)電機由于沒有勵磁繞組，所以可省去勵磁電源，具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便等特點。 圖4-2電磁式測速發(fā)電機原理圖4-3永磁式測速發(fā)電機原理影響直流測速發(fā)電機誤差的因素有以下幾種。1．電樞反應的影響當直流測速發(fā)電機帶負載時，負載電流流經(jīng)電樞，產(chǎn)生電樞反應的去磁作用，使電機氣隙磁通減小。因此，在相同轉(zhuǎn)速下，負載時電樞繞組的感應電動勢比空載時電樞繞組的感應電動勢小。負載電阻越小或轉(zhuǎn)速越高，電樞電流就越大，電樞反應的去磁作用越強，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速發(fā)電機帶負載時，由于電刷與換向器之間存在接觸電阻，會產(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。當電樞電流較小時，接觸電阻大，接觸壓降也大；電樞電流較大時，接觸電阻小?？梢娊佑|電阻與電流成反比。只有電樞電流較大，電流密度達到一定數(shù)值后，才可近似認為電刷接觸壓降是常數(shù)?？紤]電刷接觸壓降的影響時，直流測速發(fā)電機的輸出特性如圖4-6所示。圖4-6考慮電刷接觸壓降后的輸出特性3．電刷位置的影響當直流測速發(fā)電機帶負載運行時，若電刷沒有嚴格地位于幾何中性線上，會造成測速發(fā)電機正反轉(zhuǎn)時輸出電壓不對稱，即在相同的轉(zhuǎn)速下，測速發(fā)電機正反向旋轉(zhuǎn)時，輸出電壓不完全相等。這是因為當電刷偏離幾何中性線一個不大的角度時，電樞反應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，但電樞繞組的感應電動勢不相等，其輸出電壓也不相等。4．溫度的影響電磁式直流測速發(fā)電機在實際工作時，由于周圍環(huán)境溫度的變化以及發(fā)電機本身發(fā)熱（由發(fā)電機各種損耗引起），都會引起發(fā)電機中勵磁繞組電阻的變化。當溫度升高時，勵磁繞組電阻增大。這時即使勵磁電壓保持不變，勵磁電流也將減小，磁通也隨之減小，導致電樞繞組的感應電動勢和輸出電壓降低。銅的電阻溫度系數(shù)約為0.004℃-1，即當溫度每升高25℃，其電阻值相應增加10%。所以，溫度的變化對電磁式直流測速發(fā)電機輸出特性的影響是很大的。5．紋波的影響實際上直流測速發(fā)電機，在Φ和n為定值時，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，通常把這種脈動稱為紋波。引起紋波的因素很多，主要由電機本身的固有結(jié)構(gòu)及加工誤差引起。電樞繞組的電動勢是每條支路中電樞元件電動勢的疊加。由于發(fā)電機中每個電樞元件的感應電動勢是變化的，所以電樞電動勢也不是恒定的，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。但由于工藝所限，電機的槽數(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。另外，由于電樞鐵芯有齒有槽，氣隙不均勻，鐵芯材料的導磁性能各向相異等，也會使輸出電壓中紋波幅值上升。三、交流異步測速發(fā)電機交流測速發(fā)電機分為同步測速發(fā)電機和異步測速發(fā)電機兩大類。同步測速發(fā)電機又分為永磁式、感應子式和脈沖式三種。異步測速發(fā)電機按其結(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)與交流伺服電動機相同。鼠籠轉(zhuǎn)子異步測速發(fā)電機輸出斜率大，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)子異步測速發(fā)電機的精度較高，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量也小，性能穩(wěn)定?？招谋D(zhuǎn)子異步測速發(fā)電機的工作原理如圖4-8所示。空心杯轉(zhuǎn)子可以看成一個鼠籠導條數(shù)目很多的鼠籠轉(zhuǎn)子。當電機的勵磁繞組加上頻率為f的交流電壓f，則在勵磁繞組中就會有電流f通過，并在內(nèi)外定子間的氣隙中產(chǎn)生脈振磁場。脈振的頻率與電源頻率f相同，脈振磁場的軸線與勵磁繞組Wf的軸線一致。當轉(zhuǎn)子靜止（n=0）時，轉(zhuǎn)子杯導條與脈振磁通d相匝鏈，并產(chǎn)生感應電動勢。這時勵磁繞組與轉(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，脈振磁場在勵磁繞組和轉(zhuǎn)子杯中分別產(chǎn)生的感應電動勢稱為變壓器電動勢。若忽略勵磁繞組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與勵磁繞組中的感應電動勢f相平衡，電源電壓的大小近似地等于感應電動勢的大小，即f≈f(42)又因為f∝d，所以電源電壓f一定時，磁通d也基本保持不變。由于輸出繞組的軸線與勵磁繞組的軸線相差90°電角度，因此，磁通d與輸出繞組無匝鏈，不會在輸出繞組中產(chǎn)生感應電動勢，輸出電壓2為0，如圖4-8（a）所示。圖4-8異步測速發(fā)電機的工作原理當轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)子杯中除了上述變壓器電動勢外，轉(zhuǎn)子杯導條切割磁通d而產(chǎn)生切割電動勢r（或稱旋轉(zhuǎn)電動勢），如圖4-8（b）所示。電于磁通d為脈振磁通，所以電動勢r亦為交變電動勢，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，則電動勢r與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n成正比關系。圖4-8異步測速發(fā)電機的工作原理在理想情況下，異步測速發(fā)電機的輸出特性應是直線，但實際上異步測速發(fā)電機輸出電壓與轉(zhuǎn)速之間并不是嚴格的線性關系，而是非線性的。異步測速發(fā)電機的輸出特性如圖4-9所示。圖4-9異步測速發(fā)電機的輸出特性為減少上述測速發(fā)電機的非線性，可采取以下措施。（1）常采用增大轉(zhuǎn)子電阻的辦法，來滿足輸出特性的線性要求。（2）異步測速發(fā)電機對勵磁電源電壓的幅值、頻率和波形要求都比較高。（3）電機溫度的變化會使勵磁繞組和空心杯轉(zhuǎn)子的電阻以及磁性材料的磁性能發(fā)生變化，從而使輸出特性發(fā)生改變。在理論上測速發(fā)電機的轉(zhuǎn)速為零時，輸出電壓也為零。但實際上異步測速發(fā)電機轉(zhuǎn)速為零時，輸出電壓并不為零，這就會使控制系統(tǒng)產(chǎn)生誤差。這種測速發(fā)電機在規(guī)定的交流電源勵磁下，電機的轉(zhuǎn)速為零時，輸出繞組所產(chǎn)生的電壓，稱為剩余電壓（或零速電壓）。它的數(shù)值一般只有幾十毫伏，但它的存在卻使輸出特性曲線不再從坐標的原點開始。它是引起異步測速發(fā)電機誤差的主要部分。減小剩余電壓的措施如下。（1）改進電機的制造材料及工藝。選用磁通密度較低的鐵芯，降低磁路的飽和度；采用可調(diào)鐵芯結(jié)構(gòu)或定子鐵芯旋轉(zhuǎn)疊裝法；采用具有補償繞組的結(jié)構(gòu)等都可減小剩余電壓。（2）外接補償裝置。在電機的外部采用適當?shù)木€路，產(chǎn)生一個校正電壓來抵消電機所產(chǎn)生的剩余電壓。四、無刷直流測速發(fā)電機有刷直流測速發(fā)電機存在很多的缺點，如可靠性差、無線電干擾大、引起摩擦轉(zhuǎn)矩、輸出電壓不穩(wěn)定等。因此應大力開展對無刷直流測速發(fā)電圖410霍爾無刷直流測速發(fā)電機原理圖機的研制，如霍爾無刷直流測速發(fā)電機、電子換向式無刷直流測速發(fā)電機、兩極管式測速發(fā)電機等。下面介紹霍爾無刷直流測速發(fā)電機。圖4-10所示為霍爾無刷直流測速發(fā)電機的原理圖。圖4-10霍爾無刷直流測速發(fā)電機的原理圖任務二壓電傳感器的應用一、壓電式傳感器壓電式傳感器是一種可逆式換能器，既可以將機械能轉(zhuǎn)換為電能，也可以將電能轉(zhuǎn)換為機械能。圖4-13壓電材料壓電傳感器的工作原理基于壓電效應。某些物質(zhì)，如石英、鋯鈦酸鉛等，當受到外力作用時，不僅幾何形狀發(fā)生變化，而且內(nèi)部產(chǎn)生極化，表面出現(xiàn)電荷，形成電場；當外力消失時，材料重新回復到原來狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱作壓電效應。圖4-13壓電材料壓電效應可看作一個當量的電容器，如果施加在晶片上的外力不變，積聚在極板上的電荷無內(nèi)部泄露，外電路負載無窮大。在外力作用期間，電荷量始終保持不變，直到外力的作用終止時，電荷才隨之消失。如果負載不是無窮大，電路將會按照指數(shù)規(guī)律放電，極板上的電荷無法保持不變，從而造成檢測誤差。因此，利用壓電式傳感器檢測靜態(tài)或準靜態(tài)量時，必須要采用極高阻抗的負載。在動態(tài)檢測時，變化快，漏電相對小，所以壓電傳感器適宜于動態(tài)檢測。由于壓電傳感器輸出信號很小，本身的內(nèi)阻抗很大，輸出阻抗很高，因此，給它的后續(xù)測量電路提出了很高的要求。為了解決這一矛盾，通常需要將傳感器的輸出接入一個高輸入阻抗的前置放大器。經(jīng)過阻抗變換后再送入普通的放大器進行放大、檢波等處理。前置放大器的作用是：一方面把傳感器的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗，另一方面是放大傳感器輸出的微弱信號。壓電傳感器的輸出可以是電壓信號，也可以是電荷信號，因此，前置放大器也有兩種形式：電壓放大器和電荷放大器。使用電壓放大器會給測量帶來不穩(wěn)定因素，影響傳感器的靈敏度。因此，現(xiàn)在通常采用性能穩(wěn)定的電荷放大器。電荷放大器常作為壓電傳感器的輸入電路，它由一個帶有反饋電容Cf的高增益運算放大器構(gòu)成。由于傳感器的漏電阻Ra和電荷放大器的輸入電阻Ri很大，可以看作開路，而運算放大器輸入阻抗極高，在其輸入端幾乎沒有分流，故可略去Ra和Ri并聯(lián)電阻。二、加速度計簡介與選型現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展使得加速度計日趨小型化，微機械加速度計的外形比硬幣要小，并且已經(jīng)集成到芯片上，而檢測精度也普遍顯著提高，如市場上流行的智能手機中也應用了類似的加速度計，作為重力下控制顯示方向的開關。這種集成化是現(xiàn)代加速度計的重要發(fā)展方向。外形與硬幣工業(yè)中應用的加速度計一般多為壓電晶體傳感器，除了壓電式以外，還有電容式或電感式加速度計。某些測試現(xiàn)場的環(huán)境較為惡劣，考慮的因素較多，如防水、高溫、安裝位置、強磁電場及地電回路等，均會給檢測帶來很大的影響。具體考慮環(huán)境因素如下。（1）防水。防水有兩個概念，淺層防水和深層防水，尤以深層防水為難，如三峽工程永久船閘閘門的振動監(jiān)測，水深近百米，它涉及地回路干擾、高壓滲水、導線防護、長期可靠性等諸多問題。（2）高溫。多數(shù)廠商給出的傳感器溫度范圍為可用值，而不是高溫狀況的靈敏度，實際上，高溫時靈敏度偏差較大，特殊用戶應向廠商索取專用的高溫時的靈敏度指標，靈敏度指標是保證測試準確的關鍵。（3）位置限制。加速度傳感器永久安裝在現(xiàn)場會受到人為碰撞，應選擇工業(yè)型長期監(jiān)測加速度傳感器，它采用外加防護罩，三角法蘭安裝，具有對地絕緣、防塵的作用。對出線方向有要求的可向制造商提出。對于不能觸及的部位，可使用手持式加速度傳感器（帶長探針）。（4）絕緣、地電回路及磁電場。對磁電場較強的測試現(xiàn)場，應選擇特殊外殼材料的加速度傳感器和專用導線，此類研究國內(nèi)罕見。對于兩點接地、潮濕等現(xiàn)場，可采用浮地型加速度傳感器或絕緣型加速度傳感器，同時要考慮導線接頭的防護。沒有特殊要求且干擾不大的工況，可用絕緣型加速度傳感器，而永久型監(jiān)測或干擾大的工況則應采用浮地型加速度傳感器。這兩種類型傳感器的區(qū)別在于絕緣型產(chǎn)品的外殼為信號地，浮地型產(chǎn)品的外殼為屏蔽層。附加質(zhì)量在振動結(jié)構(gòu)上安裝的加速度傳感器的質(zhì)量要小于被測點的自身動態(tài)質(zhì)量的1/10即可，認為此時對被測信號的影響可以忽略?！紝嵱枴绞褂脺y速發(fā)電機檢測轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動速度2.使用加速度傳感器〖思考與練習〗1.檢測振動的速度傳感器還有一種動圈式傳感器，如圖4-22所示。圖中線圈環(huán)繞一個磁鐵，當磁鐵上下運動時，在電路回路中的電阻R會產(chǎn)生電流。請思考這個電流和哪些因素相關，所檢測的結(jié)果為什么是振動的速度檢測值。圖4-22動圈式傳感器原理2.任務二中的振動檢測，加速度測量頭安置在鐵板中哪一部分數(shù)顯表顯示值最大？為什么？了解對測速發(fā)電機傳感器的要求。結(jié)合圖片講解電磁式測速發(fā)電機及永磁式測速發(fā)電機原理。教師講解影響直流測速發(fā)電機誤差的因素，學生分組討論解決辦法。教師結(jié)合圖片講解異步測速發(fā)電機的工作原理。同學分組討論減少測速發(fā)電機的非線性的措施，教師總結(jié)。結(jié)合圖片講解霍爾無刷直流測速發(fā)電機的原理。講解壓電元件等效電路及電荷放大器等效電路。了解加速度計基本情況，清楚影響測量的因素。教學目標知識目標：熟悉電阻應變片式傳感器的使用，了解力檢測的一般原理和使用條件，掌握力傳感器的一般分類、原理和使用方法，能力目標：認識電阻應變片傳感器及其檢測適應性素質(zhì)目標：教學重點壓阻式傳感器的檢測原理和檢測方法教學難點壓阻式傳感器的檢測原理教學手段理實一體實物講解小組討論、協(xié)作教學學時7教學內(nèi)容與教學過程設計注釋項目五力和壓力檢測系統(tǒng)〖理論學習〗任務一認識力傳感器一、電阻應變片式測力傳感器電阻應變片式測力傳感器多應用于工程檢測上，如水壩、橋梁、涵洞等結(jié)構(gòu)件的應力監(jiān)測，也應用于變形測試和振動檢測等行業(yè)中，在稱重檢測中也得到了廣泛的應用。常見的電阻應變片檢測力原理如圖5-1所示。在一個圓柱形彈性體的圓柱面上按照徑向和軸向表面的對稱位置上粘貼電阻應變片，根據(jù)彈性力學和材料力學的知識可以推斷由于彈性體受力變形，在徑向和軸向會產(chǎn)生相應的應變，使得兩個方向上產(chǎn)生伸長和縮短的效應，這時電阻應變片也和彈性體表面一起產(chǎn)生相應的變形，從而使得電阻發(fā)生變化。圖5-1電阻應變式測力傳感器電阻絲應變片結(jié)構(gòu)如圖5-3所示，將直徑為0.01~0.05mm的高電阻系數(shù)的金屬絲彎曲成柵形，用粘結(jié)劑粘貼在絕緣基體上，金屬絲的兩端焊接有引線，表面粘接絕緣保護片。金屬絲的作用是感受試樣表面的應變變化，被稱為敏感柵。圖5-3電阻絲應變片結(jié)構(gòu)敏感柵應具有以下幾個特點。（1）較高的電阻系數(shù)，即單位長度的電阻較大。（2）較大的應變靈敏度系數(shù)，且電阻應變靈敏度系數(shù)在盡可能大的應變范圍內(nèi)保持常數(shù)，即線性度較好。（3）較小的溫度系數(shù)。（4）較高的彈性極限，有較寬的應變檢測范圍。（5）良好的加工性能和焊接性。一般在200℃~300℃以下工作時可選用康銅絲應變片，在300℃以上工作時可選用鎳鉻合金應變片、鉑銥合金應變片等。有金屬絲應變片、箔式應變片和半導體應變片，如圖5-4所示。圖5-4應變片形式影響應變式傳感器精度的主要因素有理論設計誤差，如傳感器電路、彈性元件、應變片、殼體、保護層等因素的影響；工藝制造和使用誤差，如應變片制造誤差、補償回路（包括蠕變補償）、彈性體材料熱處理、機械加工、殘余應力與應變的影響等。這些因素制約高精度長壽命應變傳感器的質(zhì)量和應用，國內(nèi)生產(chǎn)的應變片在精度與壽命上與先進國家相比仍有差距。二、壓磁式力傳感器某些鐵磁材料（磁致伸縮材料）受到壓縮時，導磁率沿應力方向下降，而沿與應力垂直方向增加，稱為壓磁效應。材料受拉時，導磁率變化則相反。無外力作用下，載流導線通過這種材料中的孔，材料中的磁力線呈以導線為中心的同心圓分布。在外力作用下，磁力線呈橢圓分布，橢圓長軸與外力方向一致（拉力）。若該鐵磁材料開有四個對稱的通孔，如圖5-6所示，交叉繞兩組相互垂直的線圈，激勵線圈所產(chǎn)生的磁力線在繞組兩側(cè)對稱布置，合成磁場強度與檢測繞組平面平行，磁力線不和檢測繞組交聯(lián)，從而使得后者不產(chǎn)生感應電動勢。一旦受到外力作用，磁力線發(fā)生變化，部分磁力線和檢測繞組交聯(lián)，在該繞組中產(chǎn)生感應電動勢。作用力越大，感應電動勢越大。這類力傳感器的輸出電動勢較大，一般不需經(jīng)過放大，但需要經(jīng)過濾波和整流處理。圖5-6壓磁效應傳感器在使用上需要考慮受力點的位置，壓磁式傳感器如果受力點不同，即使受力值相同，檢測結(jié)果也有可能不同。所以，一般傳感器敏感元件作為核心部件，周圍布置有彈性框架傳遞力引起的變形，避免檢測中的不確定性。壓磁式傳感器的典型結(jié)構(gòu)形式如圖5-7所示。其中主要的區(qū)別是壓磁元件的結(jié)構(gòu)形式。圖5-7壓磁式傳感器結(jié)構(gòu)形式三、振弦式力傳感器利用不同的受力機構(gòu)可做成檢測力、扭矩或加速度等的各種振弦式傳感器，檢測原理如圖5-8所示。圖5-8振弦傳感器檢測原理四、檢測電橋1.按功能分類1）平衡電橋平衡電橋主要應用于靜態(tài)檢測或在反饋系統(tǒng)中起到比較器的作用。由被測量變化引起作為橋臂的傳感器阻抗變化。橋路失去平衡，產(chǎn)生輸出，以此輸出作為反饋，使橋路中作為恢復平衡用的橋臂阻抗隨之調(diào)整，在橋路恢復平衡時，此調(diào)整的橋臂阻抗可反映被測量。2）不平衡電橋不平衡電橋是直接利用電橋平衡被破壞后產(chǎn)生的輸出（電壓或者電流）反映被測量。橋路失去平衡是由于作為橋臂的傳感器阻抗隨其輸入（被測非電量）變化而變化所致，由于不平衡電橋無反饋和恢復平衡的過程，因此對被測量的變化反應快、結(jié)構(gòu)簡單，但準確度不如平衡電橋。2.按電橋電源分類1）直流電橋從電橋輸出的線性度以及電橋臂阻抗受溫度等干擾而變化時造成對橋輸出的影響看，恒流源電橋明顯優(yōu)于恒壓源電橋，因此適用于以半導體電阻為敏感元件的傳感器。如圖5-9所示，有四個電阻組成一四邊形電路，其中一組對角線中接激勵源（電壓或電流），另一組對角線接到電橋放大器上。R1~R4稱為電橋的橋臂。圖5-9直流電橋常用電橋形式如圖5-10所示。圖5-10常用電橋形式2）交流電橋交流電橋電源為正弦交流或?qū)ΨQ矩形波，它雖調(diào)節(jié)平衡比直流電橋麻煩，但輸出交流信號易于放大，抗干擾能力強，且電橋的靈敏度通常比直流電橋高。因此它不僅用于電感和電容參數(shù)的變換，也經(jīng)常用于電阻參數(shù)的變換。這類電橋通?？色@得更為優(yōu)良的性能。任務二壓阻式壓力傳感器的應用一、壓阻式壓力傳感器當力作用于某些硅晶體時，晶體的晶格產(chǎn)生變形，使載流子從一個能谷向另一個能谷散射，引起載流子的遷移率發(fā)生變化，擾動了載流子縱向和橫向的平均量，從而使硅的電阻率發(fā)生變化。這種變化隨晶體的取向不同而異，因此硅的壓阻效應與晶體的取向有關。硅的壓阻效應不同于電阻應變片，前者電阻隨壓力的變化主要取決于電阻率的變化，后者電阻的變化則主要取決于幾何尺寸的變化（應變），而且前者的靈敏度比后者大50～100倍。如圖5-15所示，利用腔體內(nèi)流體壓力不同，使得硅膜片受力后產(chǎn)生電阻變化，從而得到壓力數(shù)值，是一般通用壓力傳感器的基本轉(zhuǎn)換原理。圖5-15壓阻式傳感器原理壓阻式壓力傳感器廣泛地應用于航空航天、航海、石油化工、動力機械、生物醫(yī)學工程、氣象、地質(zhì)、地震檢測等各個領域。二、壓力傳感器檢測常識1.負壓和絕壓檢測圖5-17所示為負壓檢測壓力圖，負壓傳感器也稱為表壓傳感器，傳感器兩端均連接至大氣，兩端大氣壓力相同時相互抵消。未加壓情況下為調(diào)整零點，并且零點輸出始終一致。所以，負壓檢測的是一種相對壓力，即當前大氣相對于大氣壓的壓力。顯然，如果將大氣環(huán)境換為特定的參考氣壓，負壓傳感器就成了差壓傳感器。圖5-17負壓檢測壓力圖5-18所示為絕壓檢測壓力圖，絕壓傳感器的背面完全密封且抽為真空。因此，絕壓傳感器可以檢測大氣壓的變化，通常檢測沒有參考氣壓值的氣體環(huán)境。圖5-18絕壓檢測壓力2.漂移及影響傳感器漂移的因素壓力傳感器中的漂移產(chǎn)生的根本原因在于所有的壓力傳感器均基于一種材料的彈性變形，不論其材質(zhì)彈性如何良好，每次彈性回復后，總會產(chǎn)生一定的彈性疲勞和殘余形變。在傳感器使用過程中，由彈性材料引起的漂移根據(jù)材質(zhì)不同各不相同。除了材料引起的漂移外，還有一種更為顯著的漂移，即溫度漂移。溫度漂移是因為溫度變化而引起的壓力傳感器輸出的變化，這種漂移也是由材料的多重特性決定的。因為一種材料對壓力敏感的同時也對溫度敏感。通常壓力傳感器都要進行溫度補償，利用另外一種溫度特性相反的材料抵消溫度引起的變化。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代傳感器也采用數(shù)字補償方法。3.精度壓力傳感器的精度表示方法是以誤差值的大小來量度的，一般為±%FS，即誤差相當于滿量程的百分比。通常精度包含了非線性誤差、重復性誤差和遲滯（回復）誤差。例如，壓力傳感器標示精度為±0.5%FS，量程為100kPa，則最大誤差不會大于±0.5kPa。三、壓力傳感器性能指標壓力傳感器的種類繁多，其性能也有較大的差異，如何選擇較為適用的傳感器，做到經(jīng)濟、合理的使用，主要依靠以下指標。1.額定壓力范圍額定壓力范圍是滿足標準規(guī)定值的壓力范圍，也就是在最高和最低溫度之間，傳感器輸出符合規(guī)定工作特性的壓力范圍。在實際應用時傳感器所測壓力在該范圍之內(nèi)。2.最大壓力范圍最大壓力范圍是指傳感器能長時間承受的最大壓力，且不引起輸出特性永久性改變，特別是半導體壓力傳感器，為提高線性和溫度特性，一般都大幅度減小額定壓力范圍。因此，即使在額定壓力以上連續(xù)使用也不會被損壞。一般最大壓力是額定壓力最高值的2~3倍。3.損壞壓力損壞壓力是指能夠加工在傳感器上，且不使傳感器元件或傳感器外殼損壞的最大壓力。4.線性度線性度是指在工作壓力范圍內(nèi)，傳感器輸出與壓力之間直線關系的最大偏離。5.壓力遲滯為在室溫下及工作壓力范圍內(nèi)，從最小工作壓力和最大工作壓力趨近某一壓力時，傳感器輸出之差。6.溫度范圍壓力傳感器的溫度范圍分為補償溫度范圍和工作溫度范圍。補償溫度范圍是由于施加了溫度補償，精度進入額定范圍內(nèi)的溫度范圍。工作溫度范圍是保證壓力傳感器能正常工作的溫度范圍?！紝嵱枴?.認識電阻應變片及其使用方法2.使用壓阻式壓力傳感器檢測氣壓〖思考與練習〗1.通過電阻應變片檢測應變計算出所受到的力。請上網(wǎng)找一家生產(chǎn)電阻應變片的企業(yè)，并仔細閱讀其產(chǎn)品說明書，說明其產(chǎn)品都適應于什么行業(yè)的檢測。2.總結(jié)壓阻式傳感器的檢測原理和一般檢測方法。講解電阻應變片檢測力原理。熟悉敏感柵具備的幾個特點。學生分組討論影響應變式傳感器精度的主要因素，教師總結(jié)。教師講解振弦傳感器檢測原理，與電傳感器或者變壓器式傳感器作比較。掌握檢測電橋的分類。講解壓阻式傳感器原理。舉例說明壓阻式壓力傳感器在各個領域的應用。學生對比分析負壓檢測壓力和絕壓檢測壓力。期惡劣環(huán)境下的檢測，應盡可能選擇壓電式壓力傳感器。掌握壓力傳感器性能指標。教學目標知識目標：了解溫度檢測的一般原理和使用條件，掌握溫度傳感器的一般分類、原理和使用方法。能力目標：認識熱電阻式傳感器及其檢測適應性素質(zhì)目標：教學重點溫度傳感器的應用教學難點溫度傳感器的原理教學手段理實一體實物講解小組討論、協(xié)作教學學時7教學內(nèi)容與教學過程設計注釋項目六溫度檢測系統(tǒng)〖理論學習〗任務認識溫度傳感器一、熱電阻式溫度傳感器熱電阻是利用導體的電阻隨溫度變化而變化的特性檢測溫度的。因此要求作為檢測用的熱電阻材料必須具備以下特點：電阻溫度系數(shù)要盡可能大和穩(wěn)定，電阻率高，電阻與溫度之間關系最好呈線性，并且在較寬的檢測范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的物理和化學性質(zhì)。目前應用得較多的熱電阻材料有鉑和銅等。熱電阻由電阻體、保護套和接線盒等部件組成。其結(jié)構(gòu)形式可根據(jù)實際使用制作成各種形狀，通常都是將雙線電阻絲繞在用石英、云母、陶瓷和塑料等材料制成的骨架上，可以檢測-200℃～500℃的溫度。熱電阻種類主要包括以下幾種。1.鉑電阻工業(yè)用鉑熱電阻體的結(jié)構(gòu)如圖6-1所示，一般由直徑為0.03～0.07mm的純鉑絲繞在平板形支架上，用銀導線作引出線。圖6-1工業(yè)用鉑熱電阻體的結(jié)構(gòu)2．銅電阻銅電阻的缺點是電阻率較低，電阻體的體積較大，熱慣性也較大，在100℃以上易氧化，因此只能用于低溫以及無侵蝕性的介質(zhì)中。銅熱電阻體的結(jié)構(gòu)如圖6-2所示。通常用直徑為0.1mm的漆包線或絲包線雙線繞制，而后浸以酚醛樹脂成為一個銅電阻體，再用鍍銀銅線作引出線，穿過絕緣套管便制作成銅電阻。同鉑熱電阻一樣，我國以R0值在100Ω或50Ω條件下制成相應分度表作為標準，供使用者查閱。圖6-2銅熱電阻體結(jié)構(gòu)3．其他熱電阻上述兩種熱電阻對于低溫和超低溫檢測性能不理想，而銦、錳、碳等熱電阻材料卻是檢測低溫和超低溫的理想材料。因此，一般采用上述材料制作低溫熱電阻傳感器。銦電阻用99.999%高純度的銦絲繞成電阻，可在室溫至4.2K溫度范圍內(nèi)使用。試驗證明，在4.2K～15K溫度范圍內(nèi)，銦電阻靈敏度比鉑電阻高10倍。其缺點是材料軟，復制性差。錳電阻在2K～63K溫度范圍內(nèi)，電阻隨溫度變化大，靈敏度高；缺點是材料脆，難拉成絲。碳電阻適合于液氦溫域的溫度檢測，價廉，對磁場不敏感；但熱穩(wěn)定性較差。二、熱電偶式溫度傳感器1.熱電效應及熱電偶將兩種不同成分的導體組成一個閉合回路，如圖6-5所示，當閉合回路的兩個接點分別置于不同的溫度場中，回路中產(chǎn)生一個方向和大小與導體的材料及兩接點的溫度有關的電動勢，這種效應稱為熱電效應。若兩端的溫差越大，產(chǎn)生的電動勢也越大。兩種導體組成的回路稱為熱電偶，這兩種導體稱為熱電極，產(chǎn)生的電動勢稱為熱電動勢。圖6-5熱電偶回路常用的熱電偶由兩根不同的導線組成，它們的一端焊接在一起，為工作端（或稱為熱端）T，測溫時將它置于溫度場中；不連接的兩個稱為自由端（或稱為冷端）T0，與檢測儀表引出的導線相連接。當熱端與冷端有溫差時檢測儀表便能測出被測溫度。根據(jù)金屬的熱電效應，任意兩種不同的金屬導體都可以作為熱電偶回路的電極，但在實際應用中，不是所有的金屬都可以作為熱電偶的。作為熱電偶回路電極的金屬導體應具備以下幾個特點。（1）配對的熱電偶應有較大的熱電動勢，并且熱電動勢與溫度盡可能有良好的線性關系。（2）能在較寬的溫度范圍內(nèi)應用，并且在長時間工作后，不會發(fā)生明顯的化學及物理性質(zhì)的變化。（3）溫度系數(shù)小，電導率高。（4）易于復制，工藝性與互換性好，便于制定統(tǒng)一的分度表，材料要有一定的韌性，焊接性能好，以利于制作。滿足上述條件的金屬材料不是很多，目前我國大量使用的是銅康銅、鎳鉻銅、鎳鉻鎳硅、鎳鉻鎳鋁、鉑銠10鉑、鉑銠30鉑銠6。2.工業(yè)熱電偶的結(jié)構(gòu)形式1）普通型熱電偶工業(yè)用普通熱電偶的結(jié)構(gòu)一般由熱電極、絕緣管、保護套管和接線盒四部分組成，如圖6-6所示。圖6-6熱電偶的結(jié)構(gòu)其特點如下。（1）絕緣管是為防止兩根熱電極之間以及熱電極與保護套之間短路而設置，形狀一般為圓形、橢圓形，中間開有單孔、雙孔、四孔、六孔，材料視其使用的熱電偶類型而定。（2）保護套管的作用是保護熱電偶的感溫元件免受被測介質(zhì)化學腐蝕、機械損傷，避免火焰和氣流直接沖擊以及提高熱電偶的強度。保護套管應具有耐高溫、耐腐蝕的性能，要求其導熱性能好，氣密性好。其材料主要有不銹鋼、碳鋼、銅合金、鋁、陶瓷和石英等。（3）接線盒是用來固定接線座和提供熱電偶補償導線連接用的，它的出線孔和蓋子都用墊圈加以密封，以防污物落入而影響接線的可靠性。根據(jù)被測溫度的對象及現(xiàn)場環(huán)境條件，設計有普通式、防濺式、防水式和接插座式。這種熱電偶主要用于檢測氣體、蒸氣和流體等介質(zhì)的溫度。安裝時可采用螺紋或法蘭方式，如圖6-7所示。 圖6-7普通熱電偶安裝形式2）鎧裝熱電偶鎧裝熱電偶又稱為纜式熱電偶，是由熱電極、絕緣材料（通常為電熔氧化鎂）和金屬保護管三者經(jīng)拉伸結(jié)合而成的。鎧裝熱電偶有單支（雙芯）和雙支（四芯）之分，其檢測端有碰底型、不碰底型、露頭型和帽型等幾種形式，如圖6-8所示。圖6-8鎧裝熱電偶檢測端的結(jié)構(gòu)形式3）薄膜熱電偶薄膜熱電偶是用真空蒸鍍的方法，把兩種熱電極材料分別沉積在絕緣基片上形成的一種快速感溫元件。采用蒸鍍工藝，熱電偶可以做得很薄，圖6-9薄膜熱電偶結(jié)構(gòu)尺寸可做得很小。它的特點是熱容量小，響應速度快，特別適用于檢測瞬變的表面溫度和微小面積上的溫度。圖6-9所示為薄膜熱電偶結(jié)構(gòu)圖。我國現(xiàn)使用的主要有鐵鎳、鐵康銅和銅康銅三種薄膜熱電偶。應用時將薄膜狀熱電偶用膠黏劑緊緊粘貼在被測物體表面上，由于受粘結(jié)劑和絕緣基片材料限制，測溫范圍一般為-200℃～+300℃。圖6-9薄膜熱電偶結(jié)構(gòu)3.熱電偶冷端的溫度補償1）0℃恒溫法將熱電偶的冷端置于裝有冰水混合物的恒溫器內(nèi)，使冷端溫度保持0℃不變，它消除了熱端不等于0℃而引入的誤差，通常用于試驗室或精密的溫度檢測。2）冷端溫度修正法在冷端溫度不等于0℃時，對測量溫度使用經(jīng)測定的修正值，避免了由于環(huán)境溫度的波動而引入的誤差。3）補償導線法在使用熱電偶測溫時，必須使熱電偶的冷端溫度保持恒定，否則在測溫時引入的檢測誤差將是個變量，影響測溫的準確性。所以必須使冷端遠離溫度對象，采用補償導線就可以做到這一點。補償導線實際上是一對化學成分不同的導線，在0℃～150℃溫度范圍內(nèi)與配接的熱電偶有一致的熱電特性，起著延長熱電偶的作用，這樣就將熱電偶的冷端延伸到溫度恒定的場所，其實質(zhì)是相當于將熱電極延長。根據(jù)理論計算，只要使熱電偶和補償導線的兩個接點溫度一致，就不會影響熱電動勢的輸出。補償導線一般采用多股廉價金屬制造，不同的熱電偶采用不同的補償導線。廉價金屬制成的熱電偶，可用本身材料做補償導線。各種補償導線只能與相應型號的熱電偶配用，而且必須在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)用。補償導線與熱電極連接時，正極應當接正極，負極接負極，極性不能接反，否則會造成更大的誤差。補償導線與熱電偶連接的兩個接點，其溫度必須相同。4）儀表機械零點調(diào)整法對于具有零位調(diào)整的顯示儀表而言，如果熱電偶冷端溫度t0較為恒定時，可在測溫系統(tǒng)未工作前，預先將顯示儀表的機械零點調(diào)整到t0上。這相當于把熱電勢修正值E(t0,0)預先加到了顯示儀表上。當此檢測系統(tǒng)投入工作后，顯示儀表的示值就是實際的被測溫度值。5）補償電橋法當熱電偶冷端溫度波動較大時，一般采用補償電橋法。補償電橋法是利用不平衡電橋（又稱冷端補償器）產(chǎn)生不平衡電壓來自動補償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢變化。采用補償電橋法必須注意下列幾點。（1）補償器接入檢測系統(tǒng)時正負極性不可接反。（2）顯示儀表的機械零位應調(diào)整到冷端溫度補償器設計時的平衡溫度，如補償器是按t0=20℃時電橋平衡設計的，則儀表機械零位應調(diào)整到20℃處。（3）因熱電偶的熱電動勢和補償電橋輸出電壓兩者隨溫度變化的特性不完全一致，故冷端補償器在補償溫度范圍內(nèi)得不到完全補償，但誤差很小，能滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要。三、紅外傳感器1.熱釋電效應熱釋電效應是指當某些電介物質(zhì)的表面溫度發(fā)生變化時，在這些電介物質(zhì)的表面上就會產(chǎn)生電荷的變化。用具有這種效應的電介質(zhì)制成的元件稱為熱釋電元件。熱釋電元件常用材料有單晶、壓電陶瓷及高分子薄膜等。2.熱釋電紅外傳感器熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)及內(nèi)部電路如圖6-11所示。熱釋電紅外傳感器主要由外殼濾光片、光敏元件PZT、結(jié)型場效應管FET、電阻、二極管等組成。熱釋電紅外傳感器的工作原理是入射的紅外線首先照射在濾光片上，濾光片為6μm多層膜干涉濾光片，它對5μm以下短波長光有高反射率，而對6μm以上人體發(fā)射出來的紅外線熱源(10μm)有高穿透性。圖6-11熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)及內(nèi)部電路3.量子型紅外傳感器PbS紅外光敏元件的結(jié)構(gòu)如圖6-12所示。其主要是由PbS光敏元件、電極、玻璃基極、引腳等組成。先在玻璃基極上制成金電極，然后蒸鍍PbS薄膜，再引出電極線。為了防止PbS光敏元件被氧化，將PbS光敏元件封入真空容器中，并用玻璃或藍寶石做光窗口。當光照射在PbS光敏元件上時，電極兩端產(chǎn)生光生電動勢，此電動勢的大小與光照強度成比例。圖6-12PbS紅外光敏元件的結(jié)構(gòu)4.紅外傳感器的應用1)紅外測溫儀紅外測溫儀的結(jié)構(gòu)原理如圖6-13所示。其由光學系統(tǒng)、調(diào)制器、紅外傳感器、放大器、顯示器等部分組成。光學系統(tǒng)是采用透射式的，是根據(jù)紅外波長的范圍而選擇的光學材料制成的。調(diào)制器是由調(diào)制盤、微電機等組成。圖6-13紅外測溫儀的結(jié)構(gòu)原理2)紅外熱像儀通過紅外測溫儀，可以知道物體表面的平均溫度，但要了解物體的溫度分部情況，探測物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)等情況，就需要把物體的溫度分布以圖像的形式直觀地顯示出來，即紅外成像。目前，主要采用了紅外變像管、紅外攝像管、集成紅外電荷耦合器件三種成像器件，顯示物體紅外輻射的熱像圖。其中，集成紅外電荷耦合器件(紅外CCD)是最理想，最有發(fā)展前途的固態(tài)成像器件。紅外熱像儀原理如圖6-14所示。其主要由紅外掃描系統(tǒng)、紅外攝像頭、控制電路、顯示器、直流穩(wěn)壓電源等組成。熱像儀的光學系統(tǒng)為全折射式，物鏡材料為單晶硅。光學系統(tǒng)中的垂直掃描和水平掃描采用具有高折射率的多面平行棱鏡，掃描棱鏡由電動機帶動旋轉(zhuǎn)，掃描速度，相位由掃描觸發(fā)器、脈沖發(fā)生器和有關控制電路來控制。紅外傳感器首先將物體的輻射轉(zhuǎn)換成電信號，然后把輸出的微弱信號送入前置放大器放大輸出，然后經(jīng)視頻放大器放大，再去控制顯像管屏幕上射線的強弱。與紅外傳感器所接收的輻射度成比例變化。那么在顯像系統(tǒng)的屏幕上便可見到與物體紅外輻射相對應的熱像圖。圖6-14紅外熱像儀原理〖實訓〗1.認識熱電阻傳感器。2.使用熱電阻溫度傳感器檢測水的溫升曲線。3.使用熱電阻溫度傳感器檢測火焰中心溫度〖思考與練習〗1.熱電阻傳感器的接線方式有二線制、三線制和四線制，請從網(wǎng)絡上查詢這幾種接線形式的電路，并試從電路中檢測電壓，分析產(chǎn)生的誤差。2.在使用熱電阻檢測水的溫升曲線時，有可能產(chǎn)生檢測誤差的原因有哪些？3.在熱處理工藝中，需要保持爐內(nèi)溫度基本恒定，一般采用多點溫度檢測，對于多路熱電偶檢測，如何選用數(shù)顯表？（請上網(wǎng)查找有關多路巡檢儀的資料）教師講解鉑熱電阻體結(jié)構(gòu)及銅熱電阻體結(jié)構(gòu)，學生分析各自的優(yōu)缺點。教師講解熱電偶回路。學生分組討論熱電偶回路電極的金屬導體應具備的特點，教師總結(jié)。掌握熱電偶的結(jié)構(gòu)及其特點。掌握熱電偶安裝形式。掌握常用的熱電偶冷端的溫度補償方法。掌握熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)及內(nèi)部電路。結(jié)合原理，思考紅外測溫儀及紅外熱像儀在現(xiàn)實生活中的應用。教學目標知識目標：了解RS232信號的一般功能和使用條件，掌握串口信號處理的使用方法與軟件程序的簡單編寫，了解模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的一般功能和使用條件，掌握使用數(shù)據(jù)采集模塊或者數(shù)據(jù)采集卡進行信號處理的一般原理和方法能力目標：認識由模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的過程，了解工業(yè)中常用的信號轉(zhuǎn)換器的使用方法和一般規(guī)程，掌握LabVIEW語言中有關串行口獲取信息的程序編寫流程素質(zhì)目標：教學重點使用數(shù)據(jù)采集模塊或者數(shù)據(jù)采集卡進行信號處理的一般原理和方法教學難點LabVIEW語言中有關串行口獲取信息的程序編寫流程教學手段理實一體實物講解小組討論、協(xié)作教學學時8教學內(nèi)容與教學過程設計注釋項目七信號處理〖理論學習〗任務一認識RS232信號接口一、虛擬儀器和LabVIEW語言1.虛擬儀器虛擬儀器（virt