《傳感器與檢測技術》全套教案

1、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動次數的測量。素質目標： 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、協作教學學時10教 學 內 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生是由于運動電荷在磁場作用下受到洛侖茲力作用的結果。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

2、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構簡單，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構簡單、體積小、動態(tài)特性好和壽命長的優(yōu)點，它

3、不僅用于磁感應強度、有功功率及電能參數的測量，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)霍爾式轉速傳感器圖1-8 所示的是幾種不同結構的霍爾式轉速傳感器。圖1-8 幾種霍爾式轉速傳感器的結構3)霍爾計數裝置圖1-9 所示的是對鋼球進行計數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20 mV 的脈沖電壓，該電壓經運算放大器(A741)放大后，驅動半導體三極管VT(2N5812)工作，輸出端便可接計數器進行計數，并由顯示器顯示檢測數值。圖1-9 霍爾計數裝置二、光電效應型接近開關1.光電效應光照射到某些物質上，引起物質的電性質發(fā)生變化，這類光致電

4、變的現象統稱為光電效應，如圖1-10所示。圖1-10 光電效應2.光電管光電管的典型結構如圖1-11 所示。圖1-11 光電管的典型結構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變成電信號且進行放大的器件，光電倍增管的典型結構和工作原理如圖1-14所示。圖1-14 光電倍增管的典型結構和工作原理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構與一般的二極管相似，其 PN 結對光敏感。將其 PN 結裝在管的

5、頂部，上面有一個透鏡制成的窗口，以便使光線集中在 PN 結上。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。光敏二極管的結構和工作原理如圖1-18所示。圖1-18 光敏二極管的結構和工作原理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，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

6、部分組成。振蕩器產生一個交變磁場，當金屬目標接近這一磁場，并達到感應距離時，在金屬目標內產生渦流，渦流反作用于接近開關，使接近開關振蕩能力衰減，內部電路的電磁感應參數發(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）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的沖擊電流。（2）輸入濾波器。其作用是過濾電網存在的雜波及阻礙本機產生的雜波反饋回電網。（3）整流與濾波。將電網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

7、分。（5）輸出整流與濾波。根據負載需要，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，根據測試電路提供的數據，經保護電路鑒別，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和各種儀表數據。4.輔助電源二、 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1.51.8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

8、高的性價比。任務三 接近開關的應用（二）一、 數顯表簡介數顯表輸入信號一般為開關量和模擬量，信號經過計數電路或者模/數轉換（A/D轉換），采用數碼發(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顯表其特點有以下幾點。（1）開關電源100240 V AC供電。（2）輸入多種標準信號，有050 mV、010 V、420 mA、可變電阻、TC/RTD等，并能使用軟件自動進行調節(jié)。（3）具有小數點設定、比率、量程及零點自由調整功能。（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；具有模塊化結構，功能組合、系統升級方便。三、數顯表的選用挑選一個適用、經濟和性價比最佳的數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

10、造的基礎。(2)若是研制新型產品，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 ；結構安裝尺寸，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；考慮傳感器情況；考慮工作電源；考慮通信接口等。實訓1. 接近開關的特性檢測2. 接近開關對不同材料的敏感性檢測3. 使用接近開關檢測轉動次數思考與練習1.設想一個使用光電接近開關測量轉速的方案。2.使用數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。3.上網查找一個接近開關的生產廠家，并介紹其生產接近

11、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。結合圖片講解電倍增管的典型結構和工作原理。結合圖片講解光電耦合器常見的組合形式。結合圖片講解感應接近開關原理。掌握開關電源的基礎知識。了解不同種類數顯表的規(guī)格及特點。能夠正確選用數顯表。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，使用無接觸超聲波位移傳感器實現基本一維定位素質

12、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教學手段理實一體實物講解小組討論、協作教學學時11教 學 內 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=lS(2-1)式中，R為電阻阻值（）；為電阻率（·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階躍特性。這種躍變限定了變阻器的靜態(tài)靈

13、敏度，而動態(tài)靈敏度則由電刷的質量或轉動慣量決定，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換成電信號的一種裝置。根據用途可將感應同步器分為直線式和旋轉式兩種，分別用于檢測線位移

14、和角位移。在高精度數字顯示系統或數控閉環(huán)系統中，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。在定尺上產生感生電動勢，經過放大整形后的信號同樣為方波信號，反饋至

15、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0.01 mm的間隙，由于裝配和調整不可能達到理想狀態(tài)，故實際上線型磁柵也

16、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軸，當旋轉軸旋轉時，經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就能反映編碼器軸的轉速或者加速度。光電編碼器系統結構如圖2-12所示。為判斷旋轉方向，碼盤提供相位差90°的兩組透光孔，組成辨向系統，通過電路判斷正轉還是反轉，在一般的光電編碼系統中，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，為了實現定位，增加了Z相作

17、為基準，由Z相發(fā)出零位脈沖，作為轉動的起始點，如圖213內圈虛線所示。圖2-12 光電編碼器系統結構圖2-13 A、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生莫爾條紋，通過光電傳感器的明暗變化次數實現檢測。圖2-17 透射光柵的光路1. 光柵

18、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=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，則將光信號轉換為如圖2-1

19、8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

20、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，使可逆計數器的加法母線為高電位。圖2-20 辨向系統流程3.細分技術簡介二、光柵檢測系統的幾個關鍵問題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量和指示光柵掃描的質量（柵線邊沿清晰至關重要），其次才是信號處理電路的質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量加

21、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（倍頻數）和檢測分辨力（檢測步距）。柵距的細分數和準確性也影響光柵檢測系統的準確度和檢測步距。對莫爾條紋信號質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。對讀數頭中的光電轉換電路和后續(xù)的數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按距離編碼的參考標記，每當經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

22、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。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。5光柵尺故障及處理三、光柵尺專用數顯表頭圖2-22所示為機床常用的光柵尺專用數顯表，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，據此可實現空間上三個坐標的定位。圖2-22 光柵尺數顯表任務三 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

23、，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300500 mm。波長大于5 mm的傳感器檢測范圍可達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

24、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，左側的燈亮則表示為模擬量輸出，右側的燈亮則表示為開關量輸出。圖2-33 超聲波傳感器引線圖2-3

25、4 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。3.超聲波位移傳感器的特性檢測。思考與練習1.從網上查找生產電阻尺的生產廠家，試述各廠家的技術優(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。了解電阻尺的產生過程。學生分組討論感應同步器的有點，教師總結。結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。結合圖2-20講解辨向系統流程。學生分組討論光柵尺在使用過程中經常出現

26、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、協作教學學時6教 學 內 容 與 教 學 過 程 設 計注 釋項目三 精密位移檢測系統理論學習任務一 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上是利用電容自身性質進行檢測的傳感器，如圖3-1所示。電容式傳感器原理基于以下公式C=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，如平行電容器兩個極板間覆蓋面積和極間介質不變，則其電容量C與極距呈現非線性關系。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構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，常常采用差動式結構，如圖3-4所示。圖3-4 差動型極距電容傳感器結構與特性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為并聯損耗電阻，它代表極板間的

28、泄漏電阻和介質損耗。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）調頻測量電路。圖3-6所示的是調頻式測量電路原理框圖。圖3-6 調頻電路的測量原理（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

29、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構圖。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，構成差動電容器。圖3-8 差動電容式壓力傳感器的結構圖二、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構方案。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構，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構，當鐵芯在線圈中移動時，磁阻改變，使得線圈

31、自感發(fā)生改變。這種傳感器結構簡單，制造容易，靈敏度稍低，適合相對位移較大的檢測（數個毫米）。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常采用。圖3-11 可變磁阻傳感器的結構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構原理如圖3-13所示。圖3-13 電渦流測量金屬板厚度電渦流式轉速傳感器工作原理如圖3-14所示。圖3-14 電渦流式轉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

32、所示，變壓器由初級線圈和兩個參數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），并將它們轉換成電信號，然后將其順序輸出的傳感器件。在構造上，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）電容器構成，具有光生電荷、積蓄和轉移電荷的功能。圖3-24所示為一維線性圖像傳感器（PSD）的結構原理，光敏元陣列與CCD之間有一層轉移控制柵，CCD作為移位寄存器。每個光敏元通常是一個MOS電容，

33、并正對著CCD上的電容。在光照射下，光生少數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，轉移控制柵打開，各光敏元所積蓄的電荷并行地轉移到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移并串行輸出。圖3-24 一維線性圖像傳感器結構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300 s，因

34、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分散或者收斂的現

35、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，經物體反射的激光通過接收器鏡頭，被內部的CCD線型相機接收，根據不同的距離，CCD線型相機可以在不同的角度下“看見”這個光點，根據這個

36、角度及已知的激光和相機之間的距離，數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，計算機等數字集成電路獲取并處理干涉儀所得數據的能力大大提升，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。電子技術的發(fā)展使人們不必再去觀察干涉儀產生的干涉條紋，而可以對相干光的相位差直接進行測量。三、光纖式傳

37、感器1.光導纖維的結構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n1n2，這樣可以保證入射到光纖內的光波集中在芯子內傳輸。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小于臨界入射角c 時，光線就不會透射出界面，而全部被反射。光在界面上經無數次反射，呈鋸齒形狀路線在芯內向前傳播，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(1)數值孔徑是光纖的

38、一個重要性能參數，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，出現明顯失真，這種現象稱為色散。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由光纖送入調制

39、器，在調制器內與外界被測參數的相互作用，使光的光學性質，如光的強度、波長、頻率、相位、偏振態(tài)等發(fā)生變化，成為被調制的光信號，再經過光纖送入光電器件、經解調器后獲得被測參數。整個過程中，光束經由光纖導入，通過調制器后再射出，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，是靠被測物理量調制或影響光纖的傳輸特性，把被測物理量的變化轉變?yōu)檎{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制后的信號，并使其轉變?yōu)殡娦盘?。此類傳感器的?yōu)點是結構緊湊、靈敏度高，

40、但是它需用特殊光纖和先進的檢測技術，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。”它是利用在光纖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，比較容易實現，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。實訓1.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

41、需要什么要求，可根據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的相對介電常數。結合圖片講解各種形式的傳感器及其特點。根據圖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。結合圖片講解可變磁阻式傳感器的構造原理。學

42、生分組討論不同結構的可變磁阻傳感器。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、協作教學學時7教 學

43、內 容 與 教 學 過 程 設 計注 釋項目四 速度和加速度檢測系統理論學習任務一 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)是一種檢測機械轉速的電磁裝置。它能把機械轉速變換成電壓信號，其輸出電壓與輸入的轉速成正比關系。自動控制系統對測速發(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）輸出電壓與轉速保持良好的線性關系。（2）剩余電壓（轉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，即轉速變化所引起的輸出電壓的變化要大。（6）摩擦轉矩和慣性要小。二、直

44、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，通電時產生磁場。目前，我國生產的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，具有結構簡單、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，負載電流流經電樞，產生電樞反應的去磁作用，使電機氣隙磁通減小。因此，在相同轉速下，負載時電

45、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值后，才可近似認為電刷接觸壓降是常數?？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

46、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)電機正反轉時輸出電壓不對稱，即在相同的轉速下，測速發(fā)電機正反向旋轉時，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向下起著去磁作用，而在另一種轉向下起著增磁作用。因此，在兩種不同的轉向下，盡管轉速相同，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

47、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構及加工誤差引起。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的元件數，可以減小紋波。

48、但由于工藝所限，電機的槽數、元件數及換向片數不可能無限增加，所以輸出電壓不可避免要產生脈動。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)電機按其結構可分為鼠籠轉子和空心杯轉子兩種。它的結構與交流伺服電動機相同。鼠籠轉子異步測速發(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中?？招谋D子異步測速發(fā)電機的精度較高，轉子轉動慣量也小，性能穩(wěn)定。空心杯轉子異步測速發(fā)電機的

49、工作原理如圖4-8所示?？招谋D子可以看成一個鼠籠導條數目很多的鼠籠轉子。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，并在內外定子間的氣隙中產生脈振磁場。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。當轉子靜止（n=0）時，轉子杯導條與脈振磁通d相匝鏈，并產生感應電動勢。這時勵磁繞組與轉子杯之間的電磁耦合情況和變壓器一次側和二次側的情況完全一樣。因此，脈振磁場在勵磁繞組和轉子杯中分別產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

50、小近似地等于感應電動勢的大小，即ff(42)又因為fd，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子以轉速n轉動時，轉子杯中除了上述變壓器電動勢外，轉子杯導條切割磁通d而產生切割電動勢r（或稱旋轉電動勢），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與轉子的轉速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，