傳感器與檢測技術（第3版）高職全套教學課件

緒論全套可編輯PPT課件緒論開關量檢測位移檢測精密位移檢測系統(tǒng)速度和加速度檢測系統(tǒng)力和壓力檢測系統(tǒng)溫度檢測系統(tǒng)信號處理圖像傳感與處理傳感器是能感受被檢測量并按照一定規(guī)律將其轉換成可用輸出信號的器件或裝置。檢測的基本任務是利用傳感器獲得有用的信息,這些信息主要反映被測對象中的被測量。傳感器和檢測技術是機電行業(yè)中的支撐技術之一。檢測裝置往往是控制系統(tǒng)的前端,因此,檢測技術已經成為控制系統(tǒng)的重要組成部分,各種儀器儀表作為控制系統(tǒng)的感覺器發(fā)揮著關鍵作用。緒論目錄/Contents01檢測技術基礎02誤差分析03信號描述04檢測裝置的基本特性第一部分檢測技術基礎檢測技術基礎信息總是蘊涵在某些物理量之中,并依靠它們來傳輸。這些物理量就是信號,就具體物理性質而言,有電信號、光信號和力信號等。其中,電信號在轉換、處理、傳輸和運用等方面都有明顯的優(yōu)點,因而其已成為目前應用最廣泛的信號。傳感器的作用一般是將非電信號轉換為電信號,是檢測中的轉換器件。傳感器另外一個定義是“從一個系統(tǒng)接受功率,通常以另一種形式將功率送到第二個系統(tǒng)中的器件”。根據(jù)這個定義,傳感器的作用是將一種形式的能量轉換成另一種形式的能量,所以可認為“換能器”即“傳感器”?！こＳ脗鞲衅饕话阋詡鞲性砗凸ぷ饔猛久?如電容式壓力傳感器,其傳感原理是通過壓力變化引起電容的極板距離變化,在后續(xù)電路中經過電學信號的調制形成電壓電流信號,或者通過模擬量變換為數(shù)字量形成數(shù)字信號,它的工作用途是測量壓力。傳感器以傳感原理分類見表0-1所示有關傳感器還有以下幾個概念·當傳感器輸出為規(guī)定的標準信號時,稱為變送器?！だ梦⒓毤庸すに?尤其是硅微加工工藝制作的傳感器稱為微傳感器?！⒚舾性?、信號處理電路、處理單元和通信單元等集合成一體的傳感器稱為智能傳感器。·測量是指用特定的工具或儀器直接獲得被測對象的特性數(shù)據(jù),本書中使用檢測作為上述三種名詞的統(tǒng)稱。1)檢測技術是產品檢驗和質量控制的重要手段。2)檢測技術在設備安全經濟運行監(jiān)測中得到廣泛應用。3)檢測技術和檢測裝置是自動化系統(tǒng)中不可缺少的組成部分。4)檢測技術的完善和發(fā)展推動著現(xiàn)代科學技術的進步。檢測技術的重要性與發(fā)展趨勢1.檢測技術的重要性2.檢測技術的發(fā)展趨勢1)檢測范圍不斷拓展,檢測精度和可靠性不斷提高。隨著科學技術。2)傳感器逐漸向集成化、組合式和數(shù)字化方向發(fā)展。3)重視非接觸式檢測技術的研究4)檢測系統(tǒng)智能化一般來說,檢測工作的全過程所包含的環(huán)節(jié)有以適當?shù)姆绞郊畋粶y對象、信號的檢測和轉換、信號的調理、分析與處理、顯示與記錄,以及必要時以電量形式輸出檢測結果。檢測系統(tǒng)可采用如圖0-1所示的方式來表示。檢測系統(tǒng)的組成第二部分誤差分析由于儀器、試驗條件、環(huán)境等因素的限制,檢測不可能無限精確,物理量的檢測值與客觀存在的真實值之間總會存在著一定的差異,這種差異稱為測量誤差。誤差不同于錯誤,錯誤是應該而且可以避免的,而誤差是不可能避免的。2.歸類1.誤差檢測值與真實值之差稱為誤差。誤差來源及減小誤差的一般方法導致誤差的原因可歸納為四大類：誤差的概念

(1)方法誤差。

(2)設備誤差。

(3)環(huán)境誤差。(4)人為誤差。第三部分信號描述1.信號的分類

信號分為確定信號和不規(guī)則信號兩類確定信號是可用適當?shù)姆椒A測其波形的信號。相反,不規(guī)則信號的波形無論用什么樣的方法都不能完全預測。信號描述

傳感器信號在工程上還有一種分類方法,即以信號特征為基礎,將其分為以下三種形式的信號(1)開關信號開關信號又稱為邏輯信號。(2)模擬信號。模擬信號是指在一定范圍內連續(xù)變化的量。(3)數(shù)字信號。數(shù)字信號是分立量,而不是連續(xù)變化量,只能取二進制數(shù)字變量,其大多由模擬信號經過A/D轉換器轉換為數(shù)字信號。直接觀測或記錄到的信號一般是以時間為獨立變量的,稱為時域描述信號。為了研究信號的頻率結構和各頻率成分的幅值、相位關系,應對信號進行頻譜分析,把信號的時域描述通過適當方法變成信號的頻域描述。信號的時域描述直觀地反映信號瞬時值隨時間的變化關系,頻域描述則反映信號的頻率組成及幅值、相位關系。信號時域和頻域描述第四部分檢測裝置的基本特性

1)線性度線性度反映了檢測中輸入和輸出變化的均勻性,是衡量檢測系統(tǒng)的重要指標。線性度如圖0-2所示,圖中曲線代表真實的輸入和輸出,直線代表其擬合后的關系。圖0-22)靈敏度靈敏度表示單位輸入量的變化所引起傳感器輸出量的變化,顯然,靈敏度越大,表示傳感器越靈敏,如圖0-3(a)所示通常情況下傳感器系統(tǒng)的輸入和輸出關系為非線性,其靈敏度為工作點處的切線斜率,如圖0-3(b)所示。圖0-3系統(tǒng)靈敏度1.檢測裝置的靜態(tài)特性

3)分辨力分辨力是指系統(tǒng)能檢測到被測量的最小變化的能力,也稱為閾值。4)回程誤差回程誤差是指當被測量由小變大或由大變小時,具有兩條不重合的輸入輸出曲線,其中最大差值稱為回程誤差,回程誤差又稱為遲滯,如圖0-4所示。穩(wěn)定度是指檢測裝置在規(guī)定條件下保持其檢測特性恒定不變的能力。檢測裝置的檢測特性隨時間的緩慢變化稱為漂移。5)穩(wěn)定度和漂移圖0-4

1)采用線性化技術要保證傳感器的輸出能夠不失真地復現(xiàn)被測量,要求傳感器的輸出與輸入必須具有線性關系,而實際的傳感器特性或多或少都具有不同程度的非線性,這就要求在設計和制造傳感器時對其輸出輸入特性進行必要的線性化處理,以提高和改善傳感器的性能。2)采用閉環(huán)技術利用電子技術和自動控制理論中的閉環(huán)反饋控制理論,采用傳感器、放大電路等組成閉環(huán)反饋測量控制系統(tǒng),可以有效地改善測量精度和控制系統(tǒng)的性能。3)采用補償和校正技術在傳感器產生誤差的規(guī)律比較復雜時,可以設法找出產生誤差的特點,從而進行補償。例如,進行溫度補償、應用計算機軟件實行誤差修正等。4)采用差動技術用兩個相同的傳感器,使其輸入信號大小相等而方向相反,并且使兩個傳感器的輸出相減,則差值中的非線性項將只存在奇次項,差值輸出曲線關于坐標原點對稱,并且在坐標原點附近的一定范圍內近似為直線。2.檢測裝置的動態(tài)特性

利用某種標準器具產生已知的輸入,確定傳感器輸出量和輸入量之間關系的過程,稱為標定(定度)。傳感器在使用前或使用一段時間后必須對其性能參數(shù)進行復測或做必要的調整和修正,以確保傳感器的檢測精度。這個復測調整過程稱為校準。為確保各種量值準確一致,應按國家有關計量部門規(guī)定的標準、檢定規(guī)程和管理辦法對檢測裝置進行標定。如圖0-5所示力值傳遞系統(tǒng),只能按此系統(tǒng),用上一級標準裝置檢定下一級傳感器及配套儀表,如果待標定傳感器精度高,也可跨級使用更高一級的標準裝置。圖0-5力值傳遞系統(tǒng)3.傳感器的標定與校準謝謝觀看THANKS項目一開關量檢測

任務一認識接近開關霍爾效應霍爾效應是霍爾(Hall)

24歲時在美國霍普金斯大學研究生期間，研究關于載流導體在磁場中的受力性質時發(fā)現(xiàn)的一種現(xiàn)象。

在長方形導體薄板.上通以電流，沿電流的垂直方向施加磁場，就會在與電流和磁場兩者垂直的方向上產生電勢差，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應，所產生的電勢差稱為霍爾電壓。

知識拓展——背景介紹長時期以來，霍爾效應是在室溫和中等強度磁場條件下進行實驗的。在霍爾效應發(fā)現(xiàn)100年后，1980年，德國物理學家克利青(KlausvonKlitzing)在研究極低溫和強磁場中的半導體時，發(fā)現(xiàn)在低溫條件下半導體硅的霍爾效應不是常規(guī)的那種直線，而是隨著磁場強度呈跳躍性的變化，這種跳躍的階梯大小由被整數(shù)除的基本物理常數(shù)所決定。這是當代凝聚態(tài)物理學令人驚異的進展之一，這在后來被稱為整數(shù)量子霍爾效應。由于這個發(fā)現(xiàn)，克利青在1985年獲得了諾貝爾物理獎。知識拓展——背景介紹霍爾效應應被發(fā)現(xiàn)100多年以來，它的應用發(fā)展經歷了三個階段:第一階段:從霍爾效應的發(fā)現(xiàn)到20世紀40年代前期。最初由于金屬材料中的電子濃度很大而霍爾效應十分微弱所以沒有引起人們的重視。這段時期也有人利用霍爾效應霍爾效制成磁場傳感器，但實用價值不大,到了1910年有人用金屬鉍制成霍爾元件，作為磁場傳感器。但是，由于當時未找到更合適的材料，研究處于停頓狀態(tài)。知識拓展——背景介紹第二階段:從20世紀40年代中期半導體技術出現(xiàn)之后，隨著半導體材料、制造工藝和技術的應用，出現(xiàn)了各種半導體霍爾元件，特別是鍺的采用推動了霍爾元件的發(fā)展，相繼出現(xiàn)了采用分立霍爾元件制造的各種磁場傳感器。知識拓展——背景介紹第三階段;自20世紀60年代開始，,隨著集成電路技術的發(fā)展，出現(xiàn)了將霍爾半導體元件和相關的信號調節(jié)電路集成在一起的霍爾傳感器。進入20世紀80年代，隨著大規(guī)模超大規(guī)模集成電路和微機械加工技術的進展，:霍爾元件從平面向三維方向發(fā)展，出現(xiàn)了三端口或四端口固態(tài)霍爾傳感器，實現(xiàn)了產品的系列化、加工的批量化、體積的微型化?；魻柤呻娐烦霈F(xiàn)以后，很快便得到了廣泛應用。知識拓展——背景介紹一、霍爾效應型接近開關霍爾效應型接近開關是將檢測磁性物體的霍爾效應元器件集成至一個傳感器繼電器中。由于普通情況下磁場很難自然生成,所以這種傳感器檢測靈敏且很少產生誤報現(xiàn)象。但是,霍爾效應型接近開關只能檢測磁性物體。霍爾效應型接近開關具有無觸點、無磨損、無火花、低功耗、壽命長敏度高、工作頻率高等特點,能在各種惡劣環(huán)境下可靠穩(wěn)定地工作?；魻栃漠a生是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(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。從物理學上講,任何帶電質點在磁場中沿磁力線垂直方向運動時,均受到磁場力的作用,這個力又稱為洛倫茲力。1.霍爾效應由于洛倫茲力,電子向一邊偏移,并形成電子積累,而另一圖1-2霍爾效應邊則積累正電荷,于是形成了電場。該電場將阻止運動電子繼續(xù)偏移,當電場力與洛倫茲力相等時,電子的積累便達到了動態(tài)平衡。這時元件c、d兩端之間建立的電場稱為霍爾電場,相應的電動勢稱為霍爾電動勢。1.霍爾效應1.霍爾效應霍爾常數(shù)等于霍爾片材料的電阻率與電子遷移率的乘積。若要霍爾效應強,則希望有較大的霍爾常數(shù),因此要求霍爾片材料有較大的電阻率和載流子遷移率。一般金屬材料載流子遷移率很高,但電阻率很小;而絕緣材料電阻率極高,但載流子遷移率極低,故只有半導體材料才適于制造霍爾片。目前常用的霍爾元件材料有鍺、硅、砷化銦、銻化銦等半導體材料。其中N型鍺容易加工制造,其霍爾常數(shù)、溫度性能和線性度都較好。N型硅的線性度最好,其霍爾常數(shù)、溫度性能同N型鍺。銻化銦對溫度最敏感,尤其在低溫范圍內溫度系數(shù)大,但在室溫時其霍爾常數(shù)較大。砷化銦的霍爾常數(shù)較小,溫度系數(shù)也較小,輸出特性線性度好。教學視頻——霍爾效應霍爾元件是根據(jù)霍爾效應,用半導體材料制成的元件,一般具有對磁場敏感、結構簡單、輸出電壓變化較大及壽命長等優(yōu)點。其可分為線性霍爾元件和開關型霍爾元件兩種霍爾元件的結構簡單,由霍爾片、四根引線和殼體組成,其結構示意如圖1-3(a)所示。在電路中,霍爾元件一般可用兩種符號表示,如圖1-3(b)所示?；魻柶且粔K矩形半導體單晶薄片,引出四根引線:1、1'兩根引線加激勵電壓或電流,稱為激勵電極(或控制電極);2、2'引線為霍爾輸出引線,稱為霍爾電極。霍爾元件的殼體是用非導磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝的。圖1-3霍爾元件2.霍爾元件通常,霍爾電動勢的轉換效率比較低,為了獲得更大的霍爾電動勢輸出,可以將若干個霍爾元件串聯(lián)起來使用。而在霍爾元件輸出信號不夠大的情況下,可以采用運算放大器對霍爾電動勢進行放大,如圖1-4所示。當然,最好還是采用集成霍爾傳感器。圖1-4霍爾電動勢的放大2.霍爾元件2.霍爾元件如圖1-5所示為一種微型的霍爾集成傳感器,正面為敏感面,導線由金屬薄片制成,各個金屬薄片上均附有半導體結晶片(通常為硅芯片),而在結晶片中利用集成電路技術形成霍爾組件及信號處理電路。為防止整個組件性能的劣化,通常利用樹脂加以封閉;為了方便施加磁場,其厚度也盡量減薄。這種霍爾元件可置于傳感模塊中,實現(xiàn)各種無接觸傳感器功能。只要磁感應強度與霍爾元件正面的夾角小于90°,當磁場接近霍爾元件時,磁場信號轉換成電氣信號。此信號經在同一元件中的信號處理電路放大后,取出信號電壓,。需要注意的是,由于半導體材料的溫度特性有較大的非線性如果需要較高精度的檢測,可采用差動檢測法,選用兩個霍爾元件串聯(lián)使用的結晶片作為傳感器。3.霍爾元件的性能參數(shù)1）

額定激勵電流使霍爾元件溫升10℃時所施加的激勵電流稱為額定激勵電流。以元件允許最大溫升為限制所對應的激勵電流稱為最大允許激勵電流。因霍爾電動勢隨激勵電流增加而線性增加,所以使用中希望選用盡可能大的激勵電流以獲得較高的霍爾電動勢輸出。但是由于受到最大允許溫升的限制,可以通過改善霍爾元件的散熱條件,使激勵電流增加。2）靈敏度KH霍爾元件在單位磁感應強度和單位激勵電流作用下的空載霍爾電動勢值,稱為霍爾元件的靈敏度(即霍爾常數(shù))。3）輸入電阻和輸出電阻霍爾元件激勵電極間的電阻值稱為輸入電阻?；魻栯姌O輸出電動勢對電路外部來說相當于一個電壓源,其電源內阻即為輸出電阻。以上電阻值是在磁感應強度為零,且環(huán)境溫度在20℃±5℃時所確定的。4）不等位電動勢當磁感應強度為零,霍爾元件的激勵電流為額定值時,則其輸出的霍爾電動勢應該為零,但實際不為零,用直流電位差計可以測得空載霍爾電動勢,這時測得的空載霍爾電動勢稱為不等位電動勢。產生不等位電動勢的主要原因如下。(1)霍爾電極安裝位置不對稱或不在同一等電位面上。（2）半導體材料不均勻造成了電阻率不均勻或是幾何尺寸不均勻(3)激勵電極接觸不良造成激勵電流不均勻分布等。3.霍爾元件的性能參數(shù)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的,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。霍爾開關的輸入端是以磁感應強度B來表征的,當磁感應強度達到一定值后,霍爾開關內部的觸發(fā)器翻轉,霍爾開關的輸出電平狀態(tài)也隨之翻轉。霍爾開關的外形如圖1-6所示,當有磁性物體或者電磁場與圖1-6中左下方的敏感端接近至一定距離時,信號燈亮,輸出電平發(fā)生翻轉?；魻栭_關輸出端采用晶體管輸出,主要類型有NPN型、PNP型、常開型、常閉型、鎖存型(雙極性)和雙信號輸出型等。NPN型與PNP型傳感器的接線方式如圖1-7所示,有三條引出線,即電源線VCC、0V線和OUT信號輸出線(標識黑的引出端口)。OUT線斷開。圖1-6霍爾開關圖1-7NPN型和PNP型傳感器的接線方式4.霍爾開關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。如圖1-8所示為一些霍爾式位移傳感器的工作原理。如圖1-8(a)所示為磁感應強度相同的兩塊永久磁鐵,同極性相對地放置,霍爾元件處在兩塊磁鐵的中間。由于磁鐵中間的磁感應強度B=0,因此霍爾元件輸出的霍爾電動勢UH也等于零,此時位移Δx=05.霍爾傳感器的應用圖1-8(b)所示的是一種結構簡單的霍爾位移傳感器,是由一塊永久磁鐵組成磁路的傳感器,在霍爾元件處于初始位置Δx=0時,霍爾電動勢UH不等于零。

圖1-8(c)所示的是一個由兩個結構相同的磁路組成的霍爾式位移傳感器,為了獲得較好的線性分布,在磁極端面裝有極靴,霍爾元件調整好初始位置時,可以使霍爾電動勢UH=0。2)霍爾式轉速傳感器圖1-9所示的是幾種霍爾式轉速傳感器的結構。轉盤的輸入軸與被測轉軸相連,當被測轉軸轉動時,轉盤隨之轉動,固定在轉盤附近的霍爾傳感器便可在每一個小磁鐵通過時產生一個相應的脈沖,檢測出單位時間的脈沖數(shù),便可知被測轉速。根據(jù)磁性轉盤上小磁鐵的數(shù)目就可確定傳感器測量轉速的分辨率。1—輸入軸;2—轉盤;3—小磁鐵;4—霍爾傳感器。圖1-9幾種霍爾式轉速傳感器的結構5.霍爾傳感器的應用3)霍爾計數(shù)裝置霍爾開關傳感器SL3501是具有較高靈敏度的集成霍爾元件,能感受到很小的磁場變化,因而可對黑色金屬零件進行計數(shù)檢測。如圖1-10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,該電壓運算放大,器(μA741)放大后,驅動半。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。5.霍爾傳感器的應用光電效應開關屬于光電式傳感器的一種。光電式傳感器就是將光信號轉換成電信號的一種器件,簡稱光電器件。要將光信號轉換成電信號,必須經過兩個步驟:一是先將非電量的變化轉換成光量的變化;二是通過光電器件的作用,將光量的變化轉換成電量的變化。這樣就實現(xiàn)了將非電量的變化轉換成電量的變化。光電效應型接近開關是利用光電效應原理將光學量轉換為電量的一種檢測控制器件,是利用被檢測物對光束的遮擋或反射,由光敏元件控制電路通斷,從而檢測物體有無。被檢測物體不限于金屬,所有能反射光線的物體均可被檢測。但是光電效應型接近開關對于環(huán)境的依賴性較強,在不良光學環(huán)境下容易產生錯誤信號。光電效應型接近開關

教學視頻——光電式傳感器工作原理光照射到某些物質上,引起物質的電性質發(fā)生變化,這類光致電變的現(xiàn)象統(tǒng)稱為光電效應,如圖1-11所示。更確切地講,光電效應是指金屬表面在光輻射作用下發(fā)射電子的效應,發(fā)射出來的電子稱為光電子。光電效應分為光電子發(fā)射、光電導效應和光生伏打效應三種。第一種現(xiàn)象發(fā)生在物體表面,稱為外光電效應;后兩種現(xiàn)象發(fā)生在物體內部,稱為內光電效應。光電現(xiàn)象是1887年赫茲在試驗研究麥克斯韋電磁理論時偶然發(fā)現(xiàn)的。1888年,德國物理學家霍爾瓦克斯證實光電效應是由于在放電間隙內有電荷出現(xiàn)的緣故。圖1-11光電效應1.光電效應光電管的典型結構如圖1-12所示。它由玻璃殼、兩個電極(光電陰極K和陽極A)、引出插腳等組成。光電管將球形玻璃殼抽成真空,在內半球面上涂上一層光電材料作為陰極K,球心放置小球形或小環(huán)形金屬作為陽極A。陰極K受到光線照射時便發(fā)射電子,電子被帶正電位的陽極A吸引,朝陽極A方向移動,這樣就在光電管內產生了電子流,從而在外電路中產生了電流。2.光電管如圖1-13所示為真空光電管的伏安特性曲線,如圖1-14所示為充氣光電管的伏安特性曲線。通過觀察這兩種伏安特性曲線,在陽極電壓的一段范圍內,陽極電流不隨陽極電壓的變化而變化,達到了比較穩(wěn)定的飽和區(qū)。這就是光電管的工作靜態(tài)點。選擇光電管的工作參數(shù)點時,就應選在光電流與陽極電壓無關的區(qū)域內。圖1-13真空光電管的伏安特性曲線圖1-14充氣光電管的伏安特性曲線2.光電管圖1-15光電倍增管的典型結構和工作原理光電倍增管是一種常用的靈敏度很高的光探測器,它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1-15所示。光電倍增管主要由光陰極K、陽極A、倍增極D、引出插腳等組成,并根據(jù)要求采用不同性能的玻璃殼進行真空封裝。依據(jù)封裝方法,可分成端窗式和側窗式兩大類。端窗式光電倍增管的陰極通常為透射式陰極,通過管殼的端面接收入射光,如圖1-15(a)所示。側窗式陰極則是通過管殼的側面接收入射光,它的陰極通常為反射式陰極,其工作原理如圖1-15(b)所示。3.光電倍增管光電倍增管的測量原理如圖1-16所示。標準光源發(fā)出的光經過聚光系統(tǒng)被聚焦在單色儀的入射狹縫S1上,通過單色儀的色散作用,在其出射狹縫處可以獲得單色光。此單色光功率被光電倍增管所接收放大后,在陽極A上產生相應的電信號,可以由數(shù)字電壓表直接讀出。調整單色儀的色散系統(tǒng)(鼓輪),可以改變單色儀輸出光的波長,就可以得到光電倍增管在不同波長的光照射下產生的陽極電信號。圖1-16光電倍增管的測量原理3.光電倍增管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1-17所示。在光敏電阻的兩端加直流或交流工作電壓的條件下,當無光照射時,光敏電阻電阻率變大,從而使光敏電阻值RG很大,在電路中電流很小;當有光照射時,由于光敏材料吸收了光能,光敏電阻率變小,光敏電阻RG呈低阻狀態(tài),在電路中電流很大。光照越強,阻值越圖1-17光敏電阻的測量原理小,電流越大。當光照停止時,光敏電阻RG又逐漸恢復高電阻狀態(tài),電路中只有微弱的電流。光敏電阻的外型與結構如圖1-18所示,由一塊兩邊帶有金屬電極的光電半導體組成,電極和半導體之間組成歐姆接觸。由于半導體吸收光子而產生的光電效應,僅僅照射在光敏電阻表面層,因此光電導體一般都做成薄層。4.光敏電阻1—光電導層;2—玻璃;3—金屬殼;4—電極;5—絕緣襯底;6—黑色絕緣玻璃;7—引線。圖1-18光敏電阻的外型與結構4.光敏電阻教學視頻——光敏電阻光敏二極管和光敏三極管是電子電路中廣泛采用的光敏器件。光敏二極管具有單向導電性質,某些材料經過處理后對光線敏感,當光線照射時,二極管處于導通狀態(tài),否則其電阻值極大,接近于斷路狀態(tài)。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原理制成的光電器件。光敏二極管工作時外加反向電壓,在沒有光照射時,反向電阻很大,反向電流很小,此時光敏二極管處于截止狀態(tài)。當有光照射時,在PN結附近產生光生電子和空穴對,從而形成由N區(qū)指向P區(qū)的光電流,此時光敏二極管處于導通狀態(tài)。當入射光的強度發(fā)生變化時,光生電子和空穴對的濃度也相應發(fā)生變化,因而通過光敏二極管的電流也隨之發(fā)生變化,光敏二極管就實現(xiàn)了將光信號轉變?yōu)殡娦盘柕妮敵?。在家用電器、照相機中,光敏二極管用來做自動測光器件。5.光敏二極管和光敏三極管光敏二極管是在反向電壓作用下工作的,沒有光照時,反向電流極其微弱,稱為暗電流;有光照時,反向電流迅速增大到幾十微安,稱為光電流。光的強度越大,反向電流也越大。光敏三極管有NPN型和PNP型兩種,是一種相當于在基極和集電極之間接有光敏二極管的普通晶體三極管,外形與光敏二極管相似。5.光敏二極管和光敏三極管光敏二極管是在反向電壓作用下工作的,沒有光照時,反向電流極其微弱,稱為暗電流;有光照時,反向電流迅速增大到幾十微安,稱為光電流。光的強度越大,反向電流也越大。光敏三極管有NPN型和PNP型兩種,是一種相當于在基極和集電極之間接有光敏二極管的普通晶體三極管,外形與光敏二極管相似。5.光敏二極管和光敏三極管光電耦合器是由發(fā)光元件(如發(fā)光二極管)和光電接收元件合并使用,以光作為媒介傳遞信號的光電器件。光電耦合器中的發(fā)光元件通常是半導體的發(fā)光二極管,光電接收元件有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管或光敏復合管等。根據(jù)其結構和用途不同,光電耦合器又可分為用于實現(xiàn)電隔離的光電耦合器和用于檢測有無物體的光電開關。6.光電耦合器光電開關(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。物體不限于金屬,所有能反射光線的物體均可被檢測。光電開關將輸入電流在發(fā)射器上轉換為光信號射出,接收器再根據(jù)接收到的光線的強弱或有無對目標物體進行探測。用光電開關檢測物體時,大部分只要求其輸出信號有高、低電平(1、0)之分即可.7.光電開關置于變化磁場中的塊狀金屬導體或在磁場中做切割磁力線運動的塊狀金屬導體,則在此塊狀金屬導體內會產生旋渦狀的感應電流的現(xiàn)象稱為電渦流效應,該旋渦狀的感應電流稱為電渦流,簡稱渦流。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(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。三、感應型接近開關如圖1-25所示,將一個通以正弦交變電流?I1,頻率為f的扁平線圈置于金屬導體附近,則線圈周圍空間將產生一個正弦交變磁場?H1,使金屬導體中感應電渦流?I2,?I2又產生一個與?H1方向相反的交變磁場?H2。根據(jù)楞次定律,?H2的反作用必然削弱線圈的磁場?H1。由于磁場?H2的作用,渦流要消耗一部分能量,導致傳感器線圈的等效阻抗發(fā)生變化。線圈阻抗的變化取決于被測金屬導體的電渦流效應。而電渦流效應既與被測體的電阻率、磁導率及幾何形狀有關,還與線圈的幾何參數(shù)、線圈中激磁電流頻率f有關,同時與線圈與導體間的距離有關。三、感應型接近開關實訓一接近開關的特性檢測一、實訓目標探索和熟悉接近開關的性A能特征,包括檢測敏感距離和回程誤差,了解光電型接近開關的一般使用方法,掌握普通三線制接近開關的接線規(guī)則。二、實訓內容

以三線制NPN型光電常開型接近開關為實訓認識對象,如圖1-26所示,圖中方框為接近開關,方框中左邊符號為接近開關敏感元件符號,右邊為接近開關輸出狀態(tài)。圖中為常開型接近開關,即當傳感器敏感面沒有信號時,負載處為斷開狀態(tài),否則為接通狀態(tài)。接近開關接24V直流電源,電源正極連接于圖1-26中的“+”極符號,電源負極連接于“-”極符號,正負極符號對應的接線為棕色和藍色電纜線,黑色電纜線為信號線,與正極共同構成了輸出信號。一般接近開關的標示銘文均有類似于圖1-26的使用方法和電路,使用時需要仔細閱讀。二、實訓內容

按照圖1-26連接24V直流電源進行接線,在信號線和電源正極(若為其他形式的傳感器,按銘文圖例為準)之間的負載處連接萬用表的電壓擋。按照圖1-27所示的結構裝配接三、需用器材四、操作步驟(1)將滑臺安放于一平面上并加以固定。把接近開關安裝于裝夾支架的孔中,使敏感面朝向滑臺方向,擰緊接近開關的安裝螺釘。將木塊固定在滑臺的移動滑塊上。調整裝夾支架使得接近開關的敏感面對準木塊。轉動手輪使得滑塊和接近開關敏感面的距離為15~25mm。(2)按圖1-26進行接線,將接近開關的棕色、黑色和藍色引出線分別接至端子上,棕色和藍色端子相對應端接至電源的24V正極和負極端口,藍色和黑色端子引線使用鱷魚夾接至萬用表的“V”端和“COM”端,調節(jié)萬用表擋位至直流電壓檢測范圍0~30V。檢查電路連接正確后通電。四、操作步驟(3)搖動手輪使滑臺上的木塊緩慢接近接近開關的敏感面,同時觀察萬用表示值,當示值出現(xiàn)很大的躍升變化時停止手輪移動,使用游標卡尺檢測圖1-27(a)所示的值并記錄;然后反向搖動手輪使木塊返回起始位置,再次重復以上過程5次。對比5次檢測結果的二次均方根誤差,用于表示接近開關檢測的穩(wěn)定性。衡量接近開關是否符合敏感距離的標識值,用于反映接近開關在特定環(huán)境下的敏感距離變化。(4)將滑臺搖動至起始位置,重復以上步驟檢測值并記錄。然后反向搖動滑臺,并觀察萬用表中的示值變化,當出現(xiàn)電壓突然大幅降低時,檢測值并記錄,將兩次記錄之差取絕對值,即為此接近開關的回程誤差。重復以上步驟4次,驗證回程誤差的穩(wěn)定性程度。五、注意事項(1)安裝接線時,需要注意電源正負極不能接反,接線時應避免與滑臺產生干涉。(2)接近開關敏感面應正對木塊,應選擇木塊較為光滑的面作為檢測面,檢測面應垂直于位移方向。(3)試驗中滑臺應盡可能緩慢移動,否則會產生慣性誤差,影響檢測結果的準確性。任務二接近開關的應用(一)開關電源一般由主電路、控制電路、檢測電路和輔助電源四大部分組成。1.主電路

主電路實現(xiàn)交流電到直流電的變換,其過程是:交流電壓經整流電路及濾波電路整流濾波后,變成含有一定脈動成分的直流電壓,該電壓進入高頻變換器被轉換成所需電壓值的方波,最后將這個方波電壓經整流濾波變?yōu)樗枰闹绷麟妷?。一、開關電源的基礎知識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)。一、開關電源的基礎知識4.輔助電源輔助電源實現(xiàn)電源的軟件(遠程)啟動,為保護電路和控制電路(PWM等芯片)工作供電。一般工業(yè)使用的開關電源如圖1-28所示,通常有一個220V電源接口,一個或多個電壓輸出接口。在接線中應注意電源接口和輸出接口不能有短接現(xiàn)象,否則會出現(xiàn)事故。一、開關電源的基礎知識使用上,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1.5~1.8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較高的性價比。開關電源比線性電源產生更多的干擾,對共模干擾敏感的用電設備,應采取接地和屏蔽措施。按ICE1000、EN61000、FCC等EMC限制,開關電源均采取EMC電磁兼容措施。因此開關電源一般應帶有EMC電磁兼容濾波器,將其中FG端子接地或接用戶機殼,方能滿足上述電磁兼容的要求。二、開關電源的選擇與使用實訓二接近開關對不同材料的敏感性檢測一、實訓目標探索多種接近開關對不同材料的敏感性,檢測其敏感距離,了解不同接近開關的一般使用特點,掌握工業(yè)實踐中檢測系統(tǒng)組裝的初步方法。二、實訓內容

以實訓一中圖1-27為檢測基礎,更換不同的接近開關及被測材料,檢測各接近開關對不同材料的敏感距離。具體檢測方法如圖1-29所示,使用開關電源的24V接口連接接近開關的電源線,信號線和電源正極分別接入萬用表,萬用表撥至0~30V擋位,連接中需注意萬用表的正負極。二、實訓內容

將被測材料和接近開關按照圖1-27的形式配置。緩慢搖動手輪,使被測材料逐步靠近接近開關。當萬用表電壓值出現(xiàn)突變時,停止被測材料的運動并使用游標卡尺檢測接近開關到被測物體的距離,此距離即為敏感距離。如果萬用表電壓值不發(fā)生改變,則說明被測材料對本類接近開關沒有敏感作用,即此種傳感器不適于檢測被測材料。分別檢測不同的接近開關與不同材料之間的相互敏感性,填入表1-2。二、實訓內容

三、需用器材四、操作步驟(1)按照實訓一步驟,裝配滑臺和被測材料,將開關電源放置在裝夾支架附近,以便能減少導線使用量。首先使用霍爾開關和鋼作為傳感器和被測材料。(2)按圖1-29進行接線,將接近開關的棕色、黑色和藍色引出線分別接至端子上,棕色和藍色端子相對應端接至開關電源的24V正極和負極端口,藍色和黑色端子引線使用鱷魚夾接至萬用表的“VDC”端和“COM”端。調節(jié)萬用表擋位至直流電壓量程0~30V。開關電源使用220V供電,檢查電路連接正確后通電。四、操作步驟(3)搖動手輪,使得鋼塊緩慢接近霍爾開關的敏感面,同時觀察萬用表示值變化,直到示值發(fā)生明顯變化,使用游標卡尺測量敏感面到鋼塊相對面的距離,此距離即為敏感距離,填入表1-2中的相應位置。如果直到鋼塊接觸霍爾開關的敏感面而萬用表示值無明顯變化,在表1-2相應位置畫“×”。然后分別更換被測材料,重復以上過程。最后按照表1-2所示更換接近開關,重復以上過程,直到將表1-2填滿。五、注意事項(1)接線時,需要注意開關電源中的動力線和輸出線不能混接。(2)接近開關敏感面應正對被測材料的對應面,檢測面應垂直于位移方向,否則會產生檢測誤差。更換被測材料時,長方體和接近開關對應面應保持不變。(3)試驗中,滑臺應盡可能緩慢移動,否則會產生慣性誤差,影響檢測結果的準確性。任務三接近開關的應用(二)數(shù)字或字母顯示的儀表稱為數(shù)顯表(或數(shù)顯表頭),是工業(yè)中常用的顯示器件。數(shù)顯表輸入信號一般為開關量和模擬量,信號經過計數(shù)電路或者模/數(shù)轉換(A/D轉換),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。由于LED數(shù)碼管顯示穩(wěn)定可靠、成本低廉、靈活多樣,其在工業(yè)領域中被廣泛采用。如圖1-30所示為常用數(shù)顯表的外形,在顯示面板后面是連接端子,包括數(shù)顯表本身需要的電源以及信號輸入和輸出端子。一、數(shù)顯表簡介一、數(shù)顯表簡介1.東崎SV8系列智能傳感器和變送器控制專用數(shù)顯表圖1-31所示為東崎SV8系列智能傳感器和變送器控制專用數(shù)顯表。其特點如下。(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節(jié)。(3)具有小數(shù)點設定、比率、量程及零點自由調整功能。二、數(shù)顯表的規(guī)格與應用(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。圖1-32所示為智能傳感器型號說明。二、數(shù)顯表的規(guī)格與應用數(shù)顯表的前端面板如圖1-33所示。在前端面板上有4個鍵的鍵盤可以對數(shù)顯表進行操作。在顯示方式下,按“SET”鍵可進入報警方式設定菜單,按“?”鍵移位至修改位,數(shù)碼管閃動,按“▼”或“▲”鍵進行修改,然后按“SET”鍵確認。在修改設定時,如25s內無任何操作,則自動返回至檢測狀態(tài)。二、數(shù)顯表的規(guī)格與應用2.DTR-600系列智能光柱調節(jié)儀圖1-34所示為DTR-600系列智能光柱調節(jié)儀,其主要與各類傳感器、變送器配合使用,可對溫度、壓力、液位、流量、質量等工業(yè)過程參數(shù)進行檢測、顯示、報警控制、變送輸出、數(shù)據(jù)采集及通信。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(tǒng)升級方便。二、數(shù)顯表的規(guī)格與應用DTR-600系列智能光柱調節(jié)儀的端子接線圖如圖1-35所示。二、數(shù)顯表的規(guī)格與應用挑選一個適用、經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)如果進行舊設備改造,需要充分了解舊設備的用途、型號、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(shù);考慮傳感器情況;考慮工作電源;考慮通信接口;等等。三、數(shù)顯表的選用實訓三使用接近開關檢測轉動次數(shù)一、實訓目標在直流電動機轉軸上設置小磁體,使用霍爾開關檢測轉動周數(shù),將其信號接入數(shù)顯表,通過數(shù)顯表顯示在一定時間內的轉動次數(shù)。二、實訓內容測量轉動次數(shù)的霍爾接近開關計數(shù)系統(tǒng)如圖1-36所示,直流電動機(80~120r/min)驅動轉軸轉動,調節(jié)驅動電壓值調整轉軸轉速,轉軸孔與直流電動機輸出軸配合安裝在電動機上,使用膠水將小磁體粘到轉軸外圈上,霍爾開關正對小磁體時,輸出高電平信號,否則輸出低電平信號?；魻栭_關輸出為一系列方波信號,此信號作為霍爾開關測量的轉動周數(shù)信號。三、需用器材四、操作步驟(1)在一個平面上安放直流電動機,電動機輸出軸上使用膠水粘接一個小磁體。連接電動機引線到控制器輸出端并接入220V交流電源。檢查接線,確保動力線和輸出線沒有接混,然后通電試驗電動機旋轉,調節(jié)控制器使電動機轉速約60r/min。(2)將霍爾開關裝夾在支架上,調節(jié)支架位置和姿態(tài),使霍爾開關敏感面正對轉動徑向,并使得霍爾開關敏感面接近磁體對應面為5~8mm。(3)按實訓二所述的接線方法連接霍爾開關電路,霍爾開關電源采用開關電源,將霍爾開關兩根輸出線連接至數(shù)顯表的輸入接口上,數(shù)顯表動力線連接至220V交流電源中。四、操作步驟（4)初步調節(jié)系統(tǒng),觀察當電動機轉動時數(shù)顯表示值的變化情況,如果出現(xiàn)示值無變化或不穩(wěn)定,則按第(2)步調節(jié)霍爾開關敏感面與磁體對應面的位置距離,直至數(shù)顯表示值變化穩(wěn)定可靠。(5)將數(shù)顯表示值調整為0,起動直流電動機,同時開始計時,計時60s后停止計數(shù),記錄數(shù)顯表示值。重復以上過程,分別記錄100s和200s后數(shù)顯表的示值。五、注意事項(1)數(shù)顯表、開關電源和直流電動機控制器的電源相和輸出(入)相嚴禁混接,在接線完畢后應進行檢查。(2)電動機輸出軸粘接小磁體時,以輸出軸上的鍵表面作為基準。調整霍爾開關敏感面與小磁體對應面的位置和姿態(tài)時,應遵循由遠至近的原則,防止電動機輸出軸和霍爾開關產生碰撞的現(xiàn)象。(3)一般多功能數(shù)顯表擁有多種不同模式,對應于不同的測量方式。在計數(shù)測量時,需要調整模式代碼,設定專用的計數(shù)模式,才能在測量中正確地顯示數(shù)值。謝謝觀看THANKS項目二

位移檢測目錄/Contents01認識位移傳感器02直線型光柵位移傳感器的應用03超聲波位移傳感器的工作特性任務一認識位移傳感器知識目標通過熟悉各種位移傳感器,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。技能目標通過實踐操作和訓練理解,初步認識各種位移傳感器及其檢測適應性,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。認識位移傳感器

位移傳感器又稱為線性傳感器,是將位移量轉換為電量(如電壓或電流)的傳感器。位移檢測時應根據(jù)不同的檢測對象,選擇合適的檢測點和檢測系統(tǒng)。其中,位移傳感器選擇是否恰當對檢測精度影響很大。依據(jù)中間轉換原理不同,位移傳感器的分類見表2-1。位移檢測系統(tǒng)的輸入量為位移,輸出量一般是電壓、電流或者脈沖計數(shù),輸出量可通過專門的電路變化在數(shù)顯表中表現(xiàn)為數(shù)字量。知識鏈接

知識鏈接

將被測量轉換為電阻變化是電阻傳感器的基本思路電阻的原理如圖2-1(a)所示。對于一般的導體,其電阻有,如電下阻公式式位。式中,R為電阻,Ω;ρ為電阻率,Ω·mm;l為導體長度,mm;S為導體截面積,mm2。一、電阻尺電刷滑動時,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)躍變特性,如圖2-1(b)所示。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量或轉動慣量決定。

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。電阻尺主要應用于測量位移和電阻為某種特定函數(shù)的場合。圖2-2(b)所示為拉繩式電阻尺,由于繩子是柔性體,測量量程較大,甚至達到幾十米,可以將其作為“能夠發(fā)出信號的鋼卷尺”。為了擴大電阻尺的應用范圍,出現(xiàn)了其他形式的電阻尺,如圖2-3所示。圖2-3(a)所示是圓環(huán)式電阻尺,當接觸指針旋轉時,A、B之間形成一個可變電阻,對應于指針的旋轉角度,這種方法可以測量角位移。如果采用柔性的導電塑料卷制成圓形,也可通過測量電阻值的大小反映角度,這種方法的精度隨圓形半徑增大而無限增加,所以,也可作為特定場合下(如大型轉臺測量)角度的檢測方案。圖2-3(b)所示為一種非線性電阻尺,一般采用定制形式,主要應用于位移和電阻為某種特定函數(shù)的場合。圖2-5所示為感應同步器在機床定位中的應用示例,滑尺與機床滑臺一同運動,定尺固定在機床基礎部分,滑尺由滑臺帶動在定尺上移動,使用時感應同步器需要配合專用數(shù)顯表,數(shù)顯表提供電源,并顯示滑尺在定尺上的位置。其測長精度可達3μm/m。

二、感應同步器感應同步器具有如下優(yōu)點。(1)精度高。(2)檢測長度不受限制。(3)較高的環(huán)境適應能力。(4)維護簡單,壽命長。(5)抗干擾能力強,工藝性好,成本較低,便于復制和成批生產。旋轉式感應同步器由定子和轉子兩部分組成,它們呈圓片形狀,用直線式感應同步器的制造工藝制作兩繞組,如圖2-7所示。

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。圖2-9所示的磁柵尺在使用時,需要將磁柵尺帶粘接到設備表面。磁柵尺上為移動的讀數(shù)頭,可以連接于專用的數(shù)顯表或者數(shù)據(jù)采集卡中。除圖中顯示的磁柵尺結構外,還有和前述電阻尺類似的封裝為一體的磁柵尺結構。三、磁柵尺球柵尺如圖2-10所示,是20世紀90年代出現(xiàn)的產品,原產地為英國。它是利用導磁介質的變化實現(xiàn)電磁/磁電轉換的。球柵尺的尺身由高等級無縫鋼管和若干個精密鋼球密閉組合而成。由感應器產生的電磁切割鋼管中的精密球,把它分割成2450份,每份5μm。由于球柵尺是密閉結構,所以其最大的優(yōu)點是不怕油、水和灰塵;整體尺身長度可達8m,拼接可達30m;而且使用壽命長,安裝簡單,對使用環(huán)境要求低。擴展知識:球柵尺

擴展知識:球柵尺

球柵尺應用實例如圖2-11所示,只需要配合數(shù)顯表就可使用,信號與其他機床信號相同,互換性很強。擴展知識:球柵尺1.增量式光電編碼器光電編碼器是一種通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數(shù)字量的傳感器,是目前角位移檢測中應用最多的傳感器。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,經光敏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速或者加速度。四、光電編碼器光電編碼器系統(tǒng)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(tǒng),通過電路判斷正轉還是反轉。在一般的光電編碼系統(tǒng)中,這兩組編碼稱為A、由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,Z相發(fā)出零位脈沖,作為轉動的起始點,如圖2-13內圈虛線所示。圖2-12光電編碼器系統(tǒng)結構圖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。絕對式編碼器是直接輸出數(shù)字量的傳感器,在它的圓形碼盤上沿徑向有若干同心碼道,每條碼道上由透光和不透光的扇形區(qū)相間組成。外圈碼道的扇區(qū)將相鄰內圈扇區(qū)分為兩倍,碼盤上的道數(shù)就是它的二進制數(shù)碼的位數(shù),在碼盤的一側是光源,另一側對應每一碼道有一光敏元件。教學視頻——絕對式光電編碼器當碼盤處于不同位置時,各光敏元件根據(jù)受光照與否轉換出相應的電平信號,形成二進制數(shù)。這種編碼器的特點是不要計數(shù)器,在轉軸的任意位置都可讀出一個固定的與位置相對應的數(shù)字碼。顯然,碼道越多,分辨率就越高。對于一個具有N位二進制分辨率的編碼器,其碼盤必須有N條碼道。目前國內已有16位的絕對式編碼器產品。圖2-15所示為編碼器實物圖。顯然,絕對式編碼器與增量式編碼器的不同之處在于圓盤上有無透光、不透光的線條圖形,絕對式編碼器可有若干編碼,根據(jù)讀出碼盤上的編碼,檢測絕對位置(見圖2-14)。編碼的設計可采用二進制碼、循環(huán)碼、二進制補碼和格雷碼等。不同編碼的共同特點是可以直接讀出角度坐標的絕對值;沒有累積誤差;電源切除后位置信息不會丟失。但是絕對式編碼器的分辨率是由二進制的位數(shù)決定的,也就是說精度取決于位數(shù),目前有10位、14位等多種。絕對式光電編碼器的優(yōu)點是允許轉速高,精度和碼道數(shù)量相關;缺點是結構復雜,價格高。實訓一認識電阻式位移傳感器、實訓目標

使用等強度懸臂梁的中部粘接一個電阻應變片,初步掌握常用電阻應變片的粘貼技術及其質量檢查方法,掌握半橋接線方法,根據(jù)電橋和差特性掌握正確的組橋方法。實訓一

認識電阻式位移傳感器二、實訓內容按照圖2-4所示的連接方法,使用24V開關電源供電。在電源的負極和信號輸出端接至數(shù)顯表的對應信號輸入端,調整數(shù)顯表為電壓模擬量0~10V輸入模式。在接線過程中,需要注意電源線和信號線不能混接在一起,信號線分別對應于電阻尺和數(shù)顯表信號正負端。連線完畢后,通電檢查數(shù)顯表顯示數(shù)字狀態(tài),移動電阻尺拉桿,觀察數(shù)字變化的情況。將220V的電源線移到靠近信號線的地方,觀察數(shù)顯表有無變化,試驗交流電磁場對電阻尺信號的擾動。移動電阻尺拉桿并使用游標卡尺測量拉桿不同的伸出長度,觀察拉桿不同伸出長度下數(shù)顯表的顯示數(shù)字,在表2-2進行記錄。表中位移為以拉桿最短伸出長度為基準,數(shù)字差為不同拉桿伸出長度數(shù)顯表相應的差值。實訓一認識電阻式位移傳感器三、需用器材四、操作步驟(1)分別測量電阻尺引出線之間的電阻值,并在測量時移動拉桿,觀察電阻變化在萬用表中的反應。根據(jù)變化選擇2個觸點作為檢測點,并將電阻尺輸出端和數(shù)顯表頭輸入端連接。(2)調整數(shù)顯表為電壓測量模式,并根據(jù)電阻尺中的最大電阻值和開關電源的電壓確定測量范圍。接線結束后可通電檢測電阻尺拉桿移動時數(shù)顯表頭讀數(shù)值的變化,如果讀數(shù)不正常,則檢查連接線的可靠程度、電路電流的大小等,必要時可采用差動法測量以提高檢測精度。四、操作步驟(3)將電阻尺通過連接件(如彎形板)用安裝螺釘分別固定于小滑臺的移動臺面上和固定端面上,通過手柄轉動移動小滑臺臺面,注意觀察電阻尺拉桿移動是否順暢,如不順暢則調整螺釘。(4)使用游標卡尺檢測電阻尺拉桿伸出長度,并在表2-2中記錄不同長度下數(shù)顯表讀數(shù)。試驗完畢后斷電,拆卸數(shù)顯表頭和電阻尺。使用坐標紙分別繪制游標卡尺檢測值與數(shù)顯表讀數(shù)之間的線性關系,并求得直線度誤差值。五、注意事項(1)連接電阻尺時,需要限制通過電阻尺的電流。電流越大,電阻的熱效應也越大,會使得電阻傳感器的溫度漂移現(xiàn)象急劇增加,帶來較大誤差;電流越小,則測量量越不敏感,使得測量難于進行,同時如強電磁場等影響因素的敏感性增高,測量的穩(wěn)定性降低。因此,一般的電阻尺均有一定的限制電流的說明,在連線時需要計算電路電流,必要時電路可增加電阻以減小電流。(2)安裝時需要注意傳感器移動軸和模塊定位需要依據(jù)安裝基準,使用螺紋進行準確安裝。(3)檢測傳感器性能時,需要旋轉手輪緩慢連續(xù)移動滑臺臺面。(4)在安裝時,需要注意導線不能過短,以免不能完成滿量程測量;導線也不能處于自由狀態(tài),以免和導軌發(fā)生擠壓、摩擦而產生短路現(xiàn)象,進而損壞設備。任務二直線型光柵位移傳感器的應用知識目標針對直線型光柵尺的一般應用,掌握直線型位移傳感器的使用方法,確保檢測的精度和穩(wěn)定性。技能目標練習裝配使用光柵尺位移傳感器應用系統(tǒng),學習光柵尺檢測的一般方法,使用高精密位移傳感器實現(xiàn)精密定位。02直線型光柵位移傳感器的應用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,由移動部分和不動部分組成。移動部分帶有輸出信號端和電源引線,可通過專用的數(shù)顯表顯示目前的位置。圖2-16所示的光柵類型也稱為厚尺,通過金屬外殼將光柵尺中的檢測器件封閉起來;也有外露型的光柵尺,也稱為薄尺,大多應用在試驗室等干凈的環(huán)境中。一、光柵尺光柵傳感器主要由標尺光柵、指示光柵、光路系統(tǒng)和光電元件組成。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(shù)實現(xiàn)檢測。1.光柵檢測原理當指示光柵和標尺光柵的條紋相交一個微小的夾角時,由于擋光效應或光的衍射效應,在與光柵條紋大致垂直的方向上產生明暗相間的條紋,這種條紋稱為莫爾條紋。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,則將光信號轉換為如圖2-18圖2-18光柵位移明暗位置與光強之間的關系所示的光強信號。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),也即由標尺光柵和指示光柵的相對位置決定。所以,明暗位置關系可以由光強信號間接顯示。進一步由光電傳感器轉換為電壓或者電流信號,將此電壓或者電流信號經過放大、整形變?yōu)榉讲?經過微分電路轉換成脈沖信號,再經過辨向電路和可逆計數(shù)器計數(shù),則可在顯示元件上以數(shù)字形式實時地顯示出位移量的大小。莫爾條紋教學視頻——莫爾條紋2.辨向原理

在實際應用中,被測物體的移動方向往往是不固定的。無論標尺光柵還是指示光柵向前或是向后移動,在光電傳感器中觀察的結果均是莫爾條紋做明暗交替變化。因此,只根據(jù)一條莫爾條紋信號無法判別光柵的移動方向。這時,需要用兩個有相位差的莫爾條紋進行辨向。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。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。同時Y1上的輸出脈腫又經或門送到可逆計數(shù)器的計數(shù)輸入端,計數(shù)器進行加法計數(shù)。反轉時,光敏元件1比光敏元件2先感光,計數(shù)器進行減法計數(shù)。以光敏元件1輸出信號為A,光敏元件2輸出信號為B,則如圖2-21所示,A相位在B相位前1/4周期,光柵正向移動,反之則反向移動。這樣根據(jù)加減法計數(shù)既能區(qū)別方向,又能自動進行加法或減法計數(shù),每次反映的都是相對于上次的柵距增量,所以這種檢測屬于增量式檢測。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。光柵尺精度用準確度等級表示。二、光柵檢測系統(tǒng)的幾個關鍵問題玻璃透射光柵和金屬反射光柵的柵距只采用20μm和40μm,對衍射光柵柵距采用4μm和8μm(1nm光柵除外),光學二倍頻后信號周期為2μm和4μm。高級光柵尺要求開式光柵一個信號周期的位置偏差僅為±1%,閉式光柵僅為±2%。光柵信號周期及位置偏差見表2-4。2.信號處理光柵檢測是將一個周期內的絕對式檢測和周期外的增量式檢測結合在一起,也就是說,在柵距的一個周期內將柵距細分后進行絕對的檢測,超過周期的量程則用連續(xù)的增量式檢測。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。在機床使用中,有專門為光柵傳感器和CNC相連接設計的光柵倍頻器,也就是將光柵傳感器輸出的正弦信號(一個周期是一個柵距)進行插補和數(shù)字化處理后給出相位差為90°的方波,其細分數(shù)有5、10、25、50、100、200和400,再考慮到數(shù)控系統(tǒng)的4倍頻后對柵距的細分數(shù)有20、40、100、200、400、800和1600,能實現(xiàn)檢測步距從1nm到5μm。倍頻數(shù)取決于光柵信號一個柵距周期的質量。隨著倍頻數(shù)的增加,光柵傳感器的輸出頻率要下降。倍頻器的倍頻細分數(shù)和輸入頻率的關系見表2-5。選擇不同的倍頻數(shù)可以得到不同的檢測步距。在數(shù)顯表中可以設置15種倍頻數(shù),最高頻數(shù)可達1024,而在計算機上用的數(shù)據(jù)采集卡中最高倍頻數(shù)可達4096。3.光柵的參考標記和絕對坐標1)光柵絕對位置的確立光柵檢測是增量檢測,光柵尺的絕對位置是利用參考標記(零位)確定的。參考標記信號的寬度和光柵一個柵距的信號周期一致,經后續(xù)電路處理后,參考信號的脈沖寬度和系統(tǒng)一個檢測步距一致。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,如柵距為4μm和20μm的光柵尺掃描單元相對于標尺移動20mm后就可確定絕對位置,柵距為40μm的光柵尺要移動80mm才能確定絕對位置。。2)絕對坐標傳感器為了在任何時刻檢測到絕對位置,如Heidenhain公司設計制造了類似于編碼器的LC系列絕對光柵尺。它是用7個增量碼道得到絕對位置,每個碼道是不同的,刻線最細碼道的柵距有兩種,一種是16μm,另一種是20μm,其分辨力都可為0.1μm,準確度為±3μm,檢測長度可達3m,最大速度為120m/min。它所采用的光電掃描原理和常用的透射光柵原理一樣,是具有四場掃描的影像檢測原理。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)。現(xiàn)用的材料有玻璃、鋼和零膨脹的玻璃陶瓷。普通玻璃的膨脹系數(shù)為8ppm/K,鋼為10ppm/K,現(xiàn)在已出現(xiàn)了具有和鋼膨脹系數(shù)一樣的玻璃。這些材料對振動、沖擊不敏感,具有確定的熱特性,并對氣壓和濕度的變化也不會有影響。對檢測長度在3m以下的光柵尺,載體材料采用玻璃、玻璃陶瓷和鋼,超過3m以上的則用鋼帶。通過對標尺載體所用材料和相應結構的選擇,可使光柵尺與被測對象的熱性能達到最佳的匹配。5.光柵尺故障及處理光柵尺在使用過程中,經常出現(xiàn)的故障和解決方法見表2-61.柵式檢測系統(tǒng)概述從20世紀50年代到70年代,柵式檢測系統(tǒng)從感應同步器發(fā)展到光柵、磁柵、容柵和球柵檢測系統(tǒng),這5種檢測系統(tǒng)都是將一個柵距周期內的絕對式檢測和周期外的增量式檢測結合起來,檢測單位不是像激光一樣的是光波波長,而是通用的米制(或英制)標尺。擴展知識:柵式檢測技術簡介

它們有各自的優(yōu)勢,相互補充,在競爭中都得到了發(fā)展。由于光柵檢測系統(tǒng)的綜合技術性能優(yōu)于其他4種,而且制造費用又比感應同步器、磁柵、球柵低,因此光柵檢測系統(tǒng)發(fā)展得最快,技術性能最高,市場占有率最大。光柵在柵式檢測系統(tǒng)中的占有率已超過80%,光柵長度檢測系統(tǒng)的分辨力已覆蓋微米級、亞微米級和納米級,檢測速度從60m/min達到480m/min,檢測長度從1m、3m達到30m和100m。擴展知識:柵式檢測技術簡介

2.光柵檢測技術發(fā)展回顧計量光柵技術的基礎是莫爾條紋,1874年由英國物理學家瑞利首先提出這種圖案的工藝價值,直到20世紀50年代人們才開始利用光柵的莫爾條紋進行精密檢測。1950年,德國Heidenhain公司首創(chuàng)“DIADUR”復制工藝,也就是在玻璃基板上蒸發(fā)鍍鉻的光刻復制工藝,這才能制造高精度、價廉的光柵刻度尺,使得光柵計量儀器為用戶所接受,進入商品市場。擴展知識:柵式檢測技術簡介

3.當今采用的光電掃描原理及其產品系列光柵根據(jù)形成莫爾條紋的原理不同分為幾何光柵(幅值光柵)和衍射光柵(相位光柵),又可根據(jù)光路的不同分為透射光柵和反射光柵。微米級和亞微米級的光柵檢測是采用幾何光柵,光柵柵距為100μm至20μm,遠于光源光波波長,衍射現(xiàn)象可以忽略。當兩塊光柵相對移動時產生低頻拍現(xiàn)象形成莫爾條紋,其檢測依據(jù)影像原理。納米級的光柵檢測是采用衍射光柵,光柵柵距是8μm或4μm,柵線的寬度與光的波長很接近,則產生衍射和干涉現(xiàn)象形成莫爾條紋,其檢測原理稱干涉原理?，F(xiàn)以較為先進的3種檢測原理介紹如下。擴展知識:柵式檢測技術簡介

1)四場掃描的影像檢測原理采用垂直入射光學系統(tǒng)均為4相信號系統(tǒng),是將指示光柵(掃描掩膜)開4個窗口分為4相,每相柵線依次錯位1/4柵距,在接收的4個光電元件上可得到理想的4相信號,這稱為具有四場掃描的影像檢測原理(透射法)。Heidenhain公司的LS系列產品均采用此原理,其柵距為20μm,檢測步距為0.5μm,準確度為±10μm、±5μm、±3μm三種,最大檢測長度為3m,載體為玻璃。擴展知識:柵式檢測技術簡介

2)準單場掃描的影像檢測原理反射標尺光柵是采用40μm柵距的鋼帶,指示光柵(掃描掩膜)由2個相互交錯并有不同衍射性能的相位光柵組成,這樣一個掃描場就可以產生相移為1/4柵距的4個圖像,稱此原理為準單場掃描的影像檢測原理(反射法)。由于只用一個掃描場,標尺光柵局部的污染使光場強度的變化是均勻的,并對4個光電接收元件的影響是相同的,因此不會影響光柵信號的質量。擴展知識:柵式檢測技術簡介

3)單場掃描的干涉檢測原理對于柵距很小的光柵,指示光柵是一個透明的相位光柵,標尺光柵是自身反射的相位光柵。光束通過雙光柵的衍射,在每一級的諸光束相互干涉,就形成了莫爾條紋,其中+1和-1級組干涉條紋是基波條紋,基波條紋變化的周期與光柵的柵距是同步對應的。光調制產生3個相位相差120°的檢測信號,由3個光電元件接收,隨后又轉換成通用的相位差90°的正弦信號。海德漢公司的LF、LIP、LIF系列光柵尺是按干涉原理工作的,其載體有鋼板、鋼帶、玻璃和玻璃陶瓷,這些系列產品都是亞微米和納米級的,其中最小分辨力達到1nm。擴展知識:柵式檢測技術簡介光柵尺的使用方法很多,如采用普通數(shù)顯表或數(shù)據(jù)采集卡等,其中使用專用數(shù)顯表頭配合光柵尺進行位移或者位置檢測應用最為廣泛,應用領域包括數(shù)控機床、專用加工設備和自動生產線等。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。三、光柵尺專用數(shù)顯表頭實訓二

光柵尺精密位移檢測系統(tǒng)實訓目標通過光柵尺位移傳感器和導軌定位裝置共同組成系統(tǒng),通過進一步裝配調試和使用,深入了解光柵尺傳感器的傳感特性和一般使用方法,并結合前述光柵尺使用注意事項,總結光柵尺使用時的安全措施,達到能夠使用光柵尺實現(xiàn)精密檢測的結果。二、實訓內容應用光柵尺,使用機械滑臺搭建一個檢測平臺,用于精確定位在一維軸線上的位置。機械滑臺可采用圖2-23所示的手動平移滑臺,滑臺驅動主要依靠中部滾動絲杠,兩端使用線性導軌確定位移方向,中間手輪起到動力作用,其行程一般在300~400mm。采用位移行程250mm的光柵尺在手動平移滑臺上搭建一個檢測系統(tǒng),并能夠在數(shù)顯表中進行顯示。實訓二

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