《傳感器與檢測技術》課件匯 廣教版 項目5-8 位移檢測-現(xiàn)代智能式傳感器及應用

項目5位移監(jiān)測任務5.1基于電感傳感器的軸承滾柱直徑分選裝置的設計

任務5.2基于電渦流傳感器的汽輪機脹差及軸向位移測量

任務5.3基于光柵傳感器的數(shù)控機床工作臺位移檢測項目5位移監(jiān)測

位移——表征物體位置變化的物理量。根據(jù)位移量的形式，可分為直線位移和角位移。

直線位移——指運動的物體自初位置到末位置的有向線段。它的大小是運動物體初位置到末位置的直線距離；方向是從初位置指向末位置。直線位移只與物體運動的始末位置有關，而與運動的軌跡無關。直線位移的單位為米、毫米、千米等。

角位移——轉動的物體自初位置到末位置轉過的角度。單位為弧度、度、轉數(shù)等。

按被測變量變換的形式不同，位移檢測可分為模擬式和數(shù)字式兩種。

按位移量的大小不同，位移傳感器還可分為小位移監(jiān)測和大位移監(jiān)測。小位移檢測的范圍小于200mm，大位移檢測的范圍可達100m。在實際生產過程中，除了檢測機械位移外，經常將工件的長度、厚度、高度、距離、角度等物體量的測量轉化為位移的測量。位移傳感器種類繁多，應用領域不斷擴大，同時有越來越多的創(chuàng)新技術被運用到傳感器中，如LVDT技術、超聲波技術、磁致伸縮技術、光纖技術、時柵技術等，位移傳感器技術已取得了突破性進展。由于技術的進步，使得各種傳感器性能大幅度提高，成本大幅度降低，從而極大地擴展了應用范圍，形成了一個高速增長的產業(yè)。任務5.1基于電感傳感器的軸承滾柱直徑分選裝置的設計

任務導入

某軸承廠生產汽車所用圓柱滾動體。按汽車廠商的要求，一個軸承中的滾柱直徑必須均勻，標稱直徑為10.000mm，允許公差范圍為±0.5μm，并與軸承的內外套的公差匹配，否則將造成汽車運行噪聲和振動超標。該軸承廠原采用人工測量和分選不同直徑滾柱，效率低，且易造成誤測、誤分組，需要的人力成本越來越高?，F(xiàn)希望能夠自動篩選合格的滾柱，最高速度為60轉/分鐘，提高整體檢測速度、質量和成本。相關知識5.1.1自感式傳感器的基本原理電感式傳感器可分為自感式和互感式兩大類。實際上，人們習慣上講的電感傳感器通常是指自感式傳感器，而互感式傳感器是利用變壓器原理，通常做成差動式，故稱為差動變壓器式傳感器。5.1.1自感式傳感器的基本原理

如圖5-1所示，我們將一只380V交流接觸器的線圈接上安培表后通以36V的交流電，毫安表的初始值約為幾十毫安。若將接觸器的活動鐵芯慢慢往下按時，會發(fā)現(xiàn)毫安表的讀數(shù)逐漸減小。當銜鐵向下移動碰到固定鐵芯時，毫安表的讀數(shù)只剩下十幾毫安。為什么會出現(xiàn)這種情況呢？首先，380V的交流接觸器接36V交流電，因為交流電壓不夠，線圈電流較小，難以產生讓接觸器吸合的磁力，所以交流接觸器不動作。當慢慢往下按時，銜鐵向下移動，氣隙的厚度δ發(fā)生改變，導致線圈的阻抗變大，電流慢慢降低。

5.1.1自感式傳感器的基本原理

根據(jù)電感的定義，我們知道，線圈的電感量L為：由電路知識可知，當忽略繞組的直流電阻時，流過繞組的交流電流i為：式中：N——線圈的匝數(shù)；

A——氣隙的有效截面積；

μ0——真空磁導率；

δ——氣隙的厚度。式中：u——線圈兩端的交流電壓；Z——線圈的阻抗；

XL——線圈的感抗；

f——交流電壓的工作頻率。5.1.1自感式傳感器的基本原理

由式5-1、5-2可知：當鐵心的氣隙較大時，線圈的電感L較小，電流i較大。當鐵心閉合時，氣隙δ變小，電感L變大，電流i減小。

由式5-1可知，線圈的電感受三個因素影響，分別為線圈的匝數(shù)N、氣隙的有效截面積A以及氣隙的厚度δ。如果保持上述三個參數(shù)中的兩個參數(shù)不變，改變另外一個參數(shù)，就可以將該參數(shù)的變化轉換成電感量的變化，再通過測量電路將電感量的變化轉換為電壓、電流或者頻率輸出并顯示，這就是自感式傳感器的工作原理（行業(yè)習慣稱為電感式傳感器）。電感器傳感器具有如下優(yōu)點：

1、分辨率高，可達到0.1μm；

2、靈敏度及精度高；3、可實現(xiàn)信息的遠距離傳輸、記錄、顯示和控制。5.1.2電感式傳感器的分類及特性

電感式傳感器按結構來分，有三種常見形式，分別為變氣隙式、變面積式、螺線管式電感傳感器。如圖5-2所示。5.1.2電感式傳感器的分類及特性1、變氣隙式電感傳感器變氣隙式電感傳感器是傳感器氣隙截面積及線圈匝數(shù)保持不變，使氣隙隨被測非電量而變化，從而引起電感的變化，如圖5-3（a）所示。由式5-1可知，變氣隙式電感傳感器的電感值與氣隙為反比例函數(shù)關系，其曲線圖如圖5-3（a）所示。假設傳感器的初始氣隙為δ0，初始截面積為A0，則起始時電感值L0為：當銜鐵隨外力作用向上移動Δδ時，氣隙減小為δ0-Δδ，則此時的電感L的值為：5.1.2電感式傳感器的分類及特性由式5-8可知：靈敏度與空氣隙的厚度平方成反比，所以為了保證一定的線性度，變隙式電感傳感器只能在較小的范圍內工作，只能用于微小位移的測量，一般為0.001~1mm。5.1.2電感式傳感器的分類及特性2、變面積式電感傳感器

變面積式電感傳感器如圖5-2（b）所示，其線圈匝數(shù)與氣隙為常數(shù)，則電感僅與氣隙的有效投影面積有關。由式5-1可知，變面積式電感傳感器的電感值與投影面積是線性關系。

其靈敏度S1為常數(shù)：變面積式電感傳感器的電感-面積特性曲線如圖5-3（b）所示，從圖中可以看出由于漏感等原因，變面積型傳感器在A=0時存在一定的電感，影響線性范圍，且靈敏度較小。3、螺線管式電感傳感器

螺線管是具有多重卷繞的導線，卷繞內部可以是空心的，或者有一個磁芯。當有電流通過導線時，螺線管中間部位會產生比較均勻的磁場。

螺線管式電感傳感器如圖5-2（c）所示，螺線管電感傳感器的主要元器件是一只螺線管和一根可移動的圓柱形銜鐵。銜鐵插入繞組后，將引起螺線管內部的磁阻的減小，電感隨插入的深度而增大。

對于長螺線管（l>>r），當銜鐵工作在螺線管接近中部位置時，可以認為繞組內磁場強度是均勻的，此時繞組的電感量L與銜鐵插入深度成正比。螺線管越長，線性區(qū)就越大。螺線管式電感傳感器的線性區(qū)約為螺線管長度的1/10。5.1.2電感式傳感器的分類及特性例5.1：采用螺線管電感傳感器測量直徑為100mm的工件是否合格，被測工件的最大允許誤差為±2.5mm，求：應選長度大于多少毫米的螺線管？

解：ΔD=2×2.5mm=5mm，則螺線管長度為：

l>5mm×10倍=50mm（不包括外殼）.

通過以上三種形式的單線圈電感式傳感器的分析，可得到：

（1）變氣隙型電感式傳感器：靈敏度最高，非線性誤差較大，量程必須限制在較小的范圍內，通常為氣隙厚度δ的1/5以下，同時，制作裝配比較困難。

（2）變面積型電感式傳感器：靈敏度較變氣隙型電感式傳感器低，線性較好，量程較大，制造裝配比較方便。（3）螺管型電感式傳感器：靈敏度較變面積型電感式傳感器還低，量程大，線性較好，結構簡單，易于制作和批量生產。5.1.2電感式傳感器的分類及特性4、差動式電感傳感器

上述三種電感式傳感器均是單線圈傳感器，使用時，由于線圈電流的存在，它們的銜鐵受單向電磁力作用，易受電源電壓和頻率的波動與溫度變化等外界干擾的影響，且變氣隙型和螺管型電感式傳感器都存在著不同程度的非線性，因此不適合精密測量。目前，多采用差動式結構來改善其性能，即由兩個單線圈式結構對稱組合，共用一個活動銜鐵，構成差動自感式傳感器。

差動電感式位移傳感器如圖5-4所示。兩個完全相同、單個線圈的電感式傳感器共用一根活動銜鐵就構成了差動電感式傳感器。差動電感式傳感器的結構要求是兩個鐵磁體的幾何尺寸、材料、性能完全相同。兩個線圈的電氣參數(shù)(如匝數(shù)、直流電阻、電感、分布電容等)和幾何尺寸也完全相同。由于兩個線圈一樣，則外界對測量的影響對兩個線圈一樣，當兩個線圈的相減后可以知道得，外界影響，如溫度的變化、電源頻率的變化等基本上可以互相抵消，銜鐵承受的電磁吸力也較小，從而減小了測量誤差。線性度改善，靈敏度增加一倍。5.1.2電感式傳感器的分類及特性在變氣隙式差動電感式傳感器中，當銜鐵隨被測量移動而偏離中間位置時，兩個線圈的電感量一個增加，另一個減小，形成差動形式。

由圖5-4（a）可知，當銜鐵往上移動Δδ時，兩個線圈的電感變化量ΔL1、ΔL2，其中一個增加一個減少，根據(jù)結構對稱的關系，其增加和減少的量ΔL1、ΔL2大小相等，則總的電感變化量為：靈敏度S為：從式5-10可以看出，ΔL與Δδ基本成線性關系；從式5-11與式5-8比較可以得出，靈敏度S是單線圈的兩倍。5.1.2電感式傳感器的分類及特性

差動線圈與單線圈變氣隙電感式位移傳感器的特性比較如圖5-5所示。從圖5-5可以看出，差動電感式傳感器的線性較好，且特性曲線較陡，靈敏度約為非差動電感式傳感器的兩倍。5.1.3電感傳感器的測量電路

電感式位移傳感器的測量轉換電路的作用是將電感量的變化轉換成電壓信號，以便進行放大，然后用儀表指示或記錄下來。電感式傳感器的測量電路主要有交流電橋式、變壓器式交流電橋以及諧振式等幾種形式。1、交流電橋式測量電路

如圖5-6(a)所示，橋臂Z1和Z2是差動傳感器的兩個線圈的阻抗，另外兩個相鄰的橋臂用純電阻R代替。其輸出電壓UO為:當電橋平衡時，即Z1Z3=Z2Z4，電橋輸出電壓UO=0，當橋臂阻抗發(fā)生變化時，引起電橋不平衡，UO不再為0，通過UO的變化，可以確定橋臂阻抗的變化。5.1.3電感傳感器的測量電路現(xiàn)以變氣隙型差動傳感器為例，如圖5-4（a），假設銜鐵上移，則Z1=Z0+ΔZ，Z2=Z0－ΔZ，其中Z0是銜鐵在中間位置時單個線圈的復阻抗，ΔZ是銜鐵偏離中心位置時單線圈阻抗的變化量，Z3=Z4=R，則電橋輸出電壓UO為：由于線圈的電阻可以忽略，線圈的阻抗為電感，電感與氣隙成正比，即：由式5-14可知，UO與氣隙的變化量成線性關系。由于U是交流電壓，只能判別位移的大小，卻無法判別輸出電壓的相位和位移的方向.必須配合相敏檢波電路來解決。圖5-7是一種典型的相敏檢波電路。通過相敏檢波電路，當銜鐵在零點以上移動時，不論載波是在正半周還是在負半周，負載電阻R25上得到的電壓始終為正的信號；當銜鐵在零點以下移動時，負載電阻R25上得到的電壓始終為負的信號。即正位移輸出正電壓，負位移輸出負電壓，電壓值的大小表明位移的大小，電壓值的正負表明位移的方向。滑動變阻器RP用于調零。5.1.3電感傳感器的測量電路5.1.3電感傳感器的測量電路因此，原來呈“V”形的輸出特性曲線（如圖5-8（a）所示）就變成過零點的一條直線（如圖5-8（b）所示）。即普通檢波電路輸出的電壓值均為正值，無法表征方向；相反，相敏檢波輸出特性曲線可以看出輸出電壓存在正負值，能夠表征方向。2、變壓器式交流電橋測量電路

如圖5-6（b）所示，橋臂Z1和Z2和是差動傳感器的兩個線圈的阻抗，另兩臂為電源變壓器的兩個二次線圈。

當負載阻抗為無窮大時，輸出空載電壓UO為：當傳感器的銜鐵處于中間位置，即Z1=Z2=Z0，此時電橋平衡，得到UO=0。當傳感器銜鐵上移時，則Z1=Z0+ΔZ，Z2=Z0－ΔZ，電橋輸出電壓UO為：銜鐵上下移動相同距離時，輸出電壓相位相反，大小隨銜鐵的位移而變化。5.1.3電感傳感器的測量電路3、諧振式測量電路

諧振式測量電路分為諧振式調幅和諧振式調頻電路兩種，分別如圖5-9和圖5-10所示。5.1.3電感傳感器的測量電路(1)諧振式調幅電路

在圖5-9(a)所示調幅電路中，傳感器電感L、電容C與變壓器一次側串聯(lián)在一起，接入交流電源，變壓器二次側將有電壓輸出，輸出電壓的頻率與電源頻率相同，而幅值隨著電感L而變化。

圖5-9(b)所示為輸出電壓與電感L的關系曲線，其中L0為諧振點的電感值，此電路靈敏度很高，但是線性差，適用于線性要求小的場合。(2)諧振式調頻電路

調頻電路的基本原理是傳感器電感L變化將引起輸出電壓頻率的變化。一般是把傳感器電感L和電容C接入一個振蕩回路中，如圖5-10(a)所示。此時，其振蕩頻率為：當L變化時，振蕩頻率隨之變化，根據(jù)f的大小即可測出被測量的值。圖5-10（b）表示f與L的特性，它具有明顯的非線性關系。5.1.3電感傳感器的測量電路5.1.4差動變壓器式位移傳感器將被測的非電量變化轉換為線圈互感系數(shù)M變化的傳感器稱為互感式傳感器。差動變壓器就屬于互感式傳感器，它根據(jù)變壓器的基本原理制成的，并且次級繞組用差動形式連接，故稱差動變壓器式傳感器。差動變壓器結構形式與自感式傳感器類似，也分為變氣隙型、變面積型和螺管型等。

在非電量測量中，最為常用的是螺管型差動變壓器，它可以測量1~100mm的機械位移，并具有測量精度高、靈敏度高、結構簡單、性能可靠等優(yōu)點。

螺管型差動變壓器傳感器(LVDT)的工作原理如圖5-11(a)所示，它主要由一個線框和一個鐵芯組成。在線框上繞有一組線圈作為輸入線圈M。在同一線框上另繞兩組完全對稱的線圈作為輸出線圈N21、N22，它們反向串聯(lián)組成差動輸出形式，其等效電路如圖5-11(b)所示。5.1.3電感傳感器的測量電路當一次繞組L1加入勵磁電壓Ui后，其二次繞組N21、N22產生感應電動勢E21、E22，由于變壓器兩二次繞組反向串聯(lián)，則變壓器的輸出為：故當互感M1、M2隨著銜鐵位移x變化時，輸出電壓UO也必將隨x變化。因此，通過差動變壓器輸出電動勢的大小和相位可以知道銜鐵位移量的大小和方向。

5.1.3電感傳感器的測量電路差動變壓器輸出的電壓值為交流電壓，用電壓表測量，只能反映位移的大小，而不能反映移動的方向，而且，由于電路在原點時，不可能做到完全對稱，所以存在零點殘余電壓。要做到消除零點殘余電壓和測得位移的方向，通常我們采用差動整流電路和相敏檢波電路?，F(xiàn)以電壓輸出型全波差動整流電路為例，說明其工作原理。差動整流電路如圖5-12所示。5.1.3電感傳感器的測量電路任務實施

1、系統(tǒng)總體設計

設計滾柱直徑分選機如圖5-13，該機器有如下功能：（1）在允許的誤差范圍內，滾柱的直徑從9.997mm至10.003mm，分為A～G共7個等級，分別落入對應的7個料箱中。用于選擇對應精度的滾柱供供應商選擇。（2）超出公差范圍，即不屬于9.997mm至10.003mm尺寸的滾柱，均予以剔除。分別落入正偏差和負偏差兩個廢料箱中。（3）滾柱的分選速度可在“人機界面”上調整，分選結果在液晶屏上顯示。

任務實施2、傳感器的選型根據(jù)任務的背景，物體的尺寸變化很小，考慮響應速度，選擇電感傳感器。根據(jù)傳感器所需要的行程較短，可以選擇線圈骨架較短、直徑較小的型號，考慮到安裝高度的誤差，可以選擇線性區(qū)為3mm的電感傳感器。

最終本任務選擇Milont電感位移式傳感器，如圖5-14所示，該傳感器采用方便的單電源12或24VDC供電，電子電路密封在304不銹鋼金屬管內,可以在潮濕和灰塵等惡劣環(huán)境中工作,輸出信號為標準的可被計算機或PLC使用的0-5V或4-20mA輸出。任務實施3、工作原理如圖所5-14示為圖滾柱直徑分選機的工作原理示意圖，該機器的工作過程如下：

（1）滾柱的推動與定位

批量滾柱放入圖左上端的“振動料斗”中，在電磁振動力的作用下，自動排成隊列，從給料管中下落到氣缸的推桿右端。氣缸的活塞在高壓氣體的推動下，將滾柱快速推至電感式傳感器測端下方的限位擋板位置。

（2）氣缸的控制

氣缸有“后進/岀氣口”B和“前進/出氣口”A。當A向大氣敞開、高壓氣體從B口進入時、活塞向右推動，氣缸前腔的氣體從A口排出。反之，活塞后退（向左運動），氣缸后腔的氣體從B口排岀。氣缸A口與B口的開啟由電磁閥門控制。

欲使氣缸活塞后退，氣缸前部的“進/出氣孔”A通過電磁閥與進氣口P接通，高壓氣源經空氣調理器和電磁閥進入氣缸前腔，活塞往左運動至終端位置。此時，氣缸后部的“進/出氣孔”B被電磁閥內的閥芯堵住，與高壓氣源隔斷而與電磁閥左邊的消音器接通，氣缸后部的殘余氣體從消音器排出。

（3）落料箱翻板的控制

按設計要求，共有9個落料箱，分別是-3μm、-2μm、-1μm、0、+1μm、+2μm、+3μm以及“偏大”、“偏小”廢品箱（圖中未畫出）。它們的翻板分別由9個交流電磁鐵控制。當控制器或計算機計算出測量結果的誤差值后，對應的翻板電磁鐵驅動電路導通，翻板打開。

（4）計算機接受系統(tǒng)的輸出電壓值后，將電壓值轉化成尺寸的變化量后，保存起來。通過大數(shù)據(jù)的分析，對生產線產品的質量、工藝進行鑒定和改進。知識拓展1、變氣隙電感式壓力傳感器

如圖5-15所示為變氣隙式自感式壓力傳感器的基本結構。當被測壓力p發(fā)生變化時，與傳感器銜鐵相連的彈性敏感元件也會發(fā)生形變，從而帶動銜鐵產生位移，使傳感器線圈的電感量L發(fā)生變化，然后通過交流電橋等測量電路將電感量L的變化轉換成電壓的變化，經過相敏整流、濾波等處理之后，輸出電壓的大小反映銜鐵位移的大小，相位反映銜鐵位移的方向，再通過換算即可得出壓力p的大小和方向。知識拓展2、螺線管式自感差壓傳感器

如圖5-16所示為螺線管式自感差壓傳感器的基本結構。當被測壓力p1=p2（即壓差Δp=0）時，彈性膜片沒有感受應變，鐵芯的位移x=0，兩個線圈的電感量相等，交流電橋的輸出為零。當被測壓力p1≠p2時，彈性膜片感受壓力差產生應變，通過連桿帶動鐵芯移動，使兩個線圈的電感量發(fā)生大小相等、方向相反的變化，交流電橋輸出具有位移x包絡的調幅波，該調幅波經放大、相敏檢波和濾波等處理之后，輸出的信號不僅能反映位移x的大小，還能反映位移x的方向，即反映壓差Δp的大小和方向。

知識拓展3、電感位移傳感器測加速度

如圖5-17所示為差動變壓器式加速度傳感器。它是由懸臂梁和差動變壓器構成。測量時，將懸臂梁底座與差動變壓器的線圈骨架固定，而將銜鐵的A端與被測振動物體相連，此時傳感器作為加速度測量中的慣性元件，它的位移與被測加速度成正比，使加速度測量轉變?yōu)槲灰频臏y量。當被測物體帶動銜鐵以振動時，導致差動變壓器的輸出電壓也按相應規(guī)律變化。任務5.1基于電感傳感器的軸承滾柱直徑分選裝置的設計

任務5.2基于電渦流傳感器的汽輪機脹差及軸向位移測量

任務5.3基于光柵傳感器的數(shù)控機床工作臺位移檢測任務5.2基于電渦流傳感器的汽輪機脹差及軸向位移測量汽輪機——蒸汽透平發(fā)動機，是一種旋轉式蒸汽動力裝置，高溫高壓蒸汽穿過固定噴嘴成為加速的氣流后噴射到葉片上，使裝有葉片排的轉子旋轉，同時對外做功。汽輪機是現(xiàn)代火力發(fā)電廠的主要設備，也用于冶金工業(yè)、化學工業(yè)、艦船動力裝置中，如圖5-18所示。脹差——汽輪機轉子與汽缸的相對膨脹。習慣上規(guī)定轉子膨脹大于汽缸膨脹時的脹差值為正脹差，汽缸膨脹大于轉子膨脹時的脹差值為負脹差。

脹差產生的原因及危害——在機組啟、停機及運行過程中，由于汽輪機轉子與汽缸的質量、熱膨脹系數(shù)和熱耗散系數(shù)不同，轉子的溫度和軸承的溫度上升或者下降的快慢不一樣，導致熱脹冷縮的程度不一樣，如果兩者間的熱脹冷縮的差值超過汽輪機所允許的間隙公差，就會發(fā)生動靜部分磨擦，嚴重時可能打斷葉片使設備嚴重損壞，造成機組的損壞。軸向位移——汽輪機沿著軸的方向上的位移。軸向位移產生的原因及危害——負荷變化、氣溫變化、蒸汽流量變化、頻率變化等等。機組的軸向位移應保持在允許范圍內，一般為0.8～1.0mm，超過這個數(shù)值就會引起動靜部分發(fā)生摩擦碰撞，發(fā)生嚴重損壞事故，如軸彎曲，大批葉片折斷等。5.2.1電渦流傳感器的工作原理及分類

根據(jù)法拉第電磁感應原理，當塊狀金屬導體放置在一變化的磁場中，導體內就會產生感應電流，這種電流像水中旋渦那樣在導體內轉圈，稱之為電渦流或渦流，這種現(xiàn)象就稱為電渦流效應。

電渦流傳感器是利用電渦流效應把被測量轉換為傳感器線圈阻抗的變化而進行測量的一種裝置。如圖5-19所示為電渦流傳感器探頭的外形。其中（a）包含了探頭、前置器。電渦流式傳感器在金屬導體上產生的渦流，其滲透深度與傳感器線圈的勵磁電流的頻率有關。渦流傳感器主要可分為高頻反射和低頻透射兩類。5.2.1電渦流傳感器的工作原理及分類1、高頻反射渦流傳感器5.2.1電渦流傳感器的工作原理及分類根據(jù)法拉第定律，當傳感器線圈通以高頻正弦交變電流I1時，線圈周圍空間必然產生正弦交變磁場H1，如果在這個交變磁場的有效范圍內沒有被測金屬物體靠近，則這個磁場的能量會全部損失；如果在這個交變磁場的有效范圍內有金屬物體，則將使金屬導體中感應閉合的電渦流I2。高頻反射渦流傳感器簡化模型如圖5-22所示，在其簡化模型中，把在被測金屬導體上形成的電渦流等效成一個短路環(huán)，即假設電渦流僅分布在環(huán)體之內，h為電渦流的貫穿深度。根據(jù)簡化模型，可畫出等效電路圖，如圖5-23所示。圖中R2為電渦流短路環(huán)等效電阻，其表達式為：根據(jù)基爾霍夫定律5.2.1電渦流傳感器的工作原理及分類實際上，阻抗的表達式中包含ω、R1、L1、R2、L2、M這些參數(shù)，這些參數(shù)與電導率σ、磁導率μ、表面因子r（包括粗超度、溝痕、裂紋等）、頻率f、間距x關等效阻抗可以表示為：

如果控制上式中的σ、μ、r、f、x不變，電渦流線圈的阻抗Z就成為線圈與被測金屬體的間距x的單值函數(shù)，屬于非接觸式測量。

當被測物與電渦流線圈的間距x減小時，電渦流線圈與被測金屬的互感量M增大，等效電感L減小，Q值降低，等效電阻R增大。由于線圈的感抗XL的減小比R的增大大得多，故此時流過電渦流線圈的電流i1增大。

如果控制間距δ不變，就可以用來檢測與表面電導率σ有關的表面溫度、表面裂紋等參數(shù)，或者用來檢測與材料磁導率μ有關的磁性特性、表面硬度等參數(shù)。例如表面溫度升高，電導率σ降低；表面有裂紋時，電渦流減小。5.2.1電渦流傳感器的工作原理及分類2、低頻透射渦流傳感器如圖5-24所示，傳感器由兩個繞在膠木棒上的線圈組成，一個為發(fā)射線圈，一個為接受線圈，分別位于被測金屬材料的兩側。由振蕩器產生的低頻電壓U1加到發(fā)射線圈L1的兩端后，線圈中流過一個同頻率的交流電流，并在其周圍產生一個交變磁場，如果兩個線圈間不存在被測物體，那么L1的磁力線就能直接貫穿L2，于是L2的兩端就會感生出一交變電動勢E，它的大小與U1的幅值、頻率以及L1、L2的匝數(shù)、結構和兩者間的相對位置有關。低頻透射式與高頻反射式的區(qū)別在于它采用低頻激勵，貫穿深度大，適用于測量金屬材料的厚度。5.2.2電渦流式傳感器測量電路由電渦流傳感器的工作原理可知，當被測對象變化可引起渦流式傳感器線圈的阻抗Z、電感L發(fā)生變化，通過測量阻抗Z、電感L可求出被測量參數(shù)的變化。轉換電路的作用就是將阻抗Z、電感L轉換為電壓或電流的變化。阻抗Z的轉換電路一般用電橋，電感L的轉換電路一般用諧振電路，又可以分為調幅法和調頻法兩種。1、電橋測量電路四個橋臂的阻抗分別為：

R1R2。初始狀態(tài)下電橋平衡，當被測物體與線圈耦合時，使Z1、Z2發(fā)生變化，使得根據(jù)輸出電壓Uo的值可求得被測量。5.2.2電渦流式傳感器測量電路2、調頻式電路如圖5-26（a）所示，傳感器線圈接入LC振蕩回路，當傳感器與被測導體距離x0改變時，在渦流影響下，傳感器的電感變化，導致振蕩頻率的變化，該變化的頻率是距離Δx的函數(shù)，該頻率可由數(shù)字頻率計直接測量，或者通過鑒頻器，將頻率轉換成電壓顯示。如圖5-26（b），當被測金屬板處于單向勻速移動時，鑒頻器的頻率與電壓呈線性關系。

如果被測金屬板處于振動狀態(tài)，與渦流探頭的距離周期變化，鑒頻器的輸出信號為同頻率的交流電壓。5.2.2電渦流式傳感器測量電路3、調幅式測量電路任務實施1、傳感器的選型從轉子動力學、軸承學的理論上分析，大型旋轉機械的運行狀態(tài)主要取決于其核心轉軸，而電渦流位移傳感器能直接測量轉軸的狀態(tài)，測量結果可靠、可信。非常契合這次任務的目的，所以首先我們選擇電渦流傳感器作為位移的檢測。

電渦流傳感器的選型主要是根據(jù)現(xiàn)場的需要，從靈敏度、量程、輸出方式、誤差、分辨率、延長電纜的長度等需要，綜合選擇。

本任務選擇本特利3300電渦流傳感器及監(jiān)測器，探頭線5米，延伸電纜長10m，線性范圍為4mm。其中傳感器由三部分組成，分別為探頭、延伸線纜以及前置器。任務實施2、位移測量的工作原理（1）軸向位移監(jiān)測系統(tǒng)測量原理由于本傳感器出廠設計為當測量回路開路或者機組的軸向位移達到報警或跳閘值時均會發(fā)出報警和跳閘信號，故一般采用4只傳感器，分別送入兩個監(jiān)視器，其中一個監(jiān)視器的兩個信號相與后，再將兩個檢測器的開關量信號輸出相“或”作為跳機保護條件較為可靠，如圖5-30所示。任務實施（2）脹差傳感器監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理如圖5-32為脹差傳感器檢測系統(tǒng)的工作原理，脹差傳感器一般測量的是轉子與氣缸之間的位移。脹差傳感器固定在缸體上，而傳感器的被測金屬表面鑄造在轉子上。由于脹差傳感器采用斜坡式測量（坡度為8度），一個當斜面相對探頭的距離x時，轉子的脹差L為：任務實施3、傳感器的標定如圖5-33所示，在標定區(qū)域里，共設置多個測量點。首先調節(jié)千分尺的讀數(shù)為0.000mm。旋松探頭夾具的調節(jié)螺母，使探頭與試件剛好接觸，計算機測得探頭絕對零位的輸出電壓。然后旋動千分尺，使試件緩慢離開探頭，每隔設定的位移，測量電渦流傳感器的輸出電壓。知識拓展1、轉速測量如圖5-34所示為電渦流傳感器測轉速的工作原理，軟磁材料制成的輸入軸上加工一個或多個鍵槽或做成齒狀，在距輸入表面d0處安裝一個電渦流式傳感器，輸入軸與被測旋轉軸相連。當被測旋轉軸轉動時，輸出軸的距離發(fā)生d0+Δd的變化。由于電渦流效應，這種變化將導致振蕩諧振回路的品質因數(shù)發(fā)生變化，使傳感器線圈的電感隨Δd的變化也發(fā)生變化，它們將直接影響振蕩器的電壓幅值和振蕩頻率。隨著輸入軸的旋轉，從振蕩器輸出的信號中包含有與轉速成正比的脈沖頻率信號。該信號由檢波器檢出電壓幅值的變化量，然后經整形電路輸出脈沖頻率信號f，可以用頻率計指示輸出頻率值，從而測出轉軸的轉速，其關系式為：式中：f——頻率值(Hz)；n——旋轉體的槽(齒)數(shù)；

N——被測軸的轉速(r／min)。知識拓展2、電渦流式通道安全檢查門電渦流式通道安全檢查門工作原理圖如下圖5-36所示，

L11、L12與L21、L22相互垂直，成電氣正交狀態(tài)，無磁路交鏈,Ｕo=0。在有金屬物體通過L11、L12形成的交變磁場H1時，交變磁場就會在該金屬導體表面產生電渦流。電渦流也將產生一個新的微弱磁場H2。H2的相位與金屬體位置、大小等有關，但與L21、L22不再正交，因此可以在L21、L22中感應出電壓。知識拓展3、電渦流傳感器振動的測量知識拓展4、電渦流傳感器測厚度任務5.1基于電感傳感器的軸承滾柱直徑分選裝置的設計

任務5.2基于電渦流傳感器的汽輪機脹差及軸向位移測量

任務5.3基于光柵傳感器的數(shù)控機床工作臺位移檢測任務5.3基于光柵傳感器的數(shù)控機床工作臺位移檢測

任務導入隨著數(shù)控機床在加工領域的普遍使用，對于數(shù)控機床所加工的產品的精度要求的不斷提高。光柵位移傳感器在數(shù)控機床的閉環(huán)伺服系統(tǒng)中作直線位移或者角位移的檢測，對刀具和工件的坐標進行檢測，來觀察和跟蹤走刀誤差，以起到一個補償?shù)毒叩倪\動誤差的作用。由于光柵位移傳感器具有精度高、測量范圍大、信號抗干擾能力強等優(yōu)點，在對傳統(tǒng)機床進行數(shù)字化改造及現(xiàn)代數(shù)控機床中得到了廣泛的應用。5.3.1光柵的基礎知識光柵是在基體（玻璃或者金屬）上刻有大量相互平行、等寬而又等間距的刻線。這些刻線有透明的和不透明，或者是對光反射的和不反射的。按照測量的位移的種類來分，測量直線位移的光柵為長光柵，測量角位移的光柵為圓光柵。分別如圖如圖5-39所示5.3.1光柵的基礎知識如圖5-40所示為黑白型長光柵，光柵上的刻線稱為柵線，圖中a

為刻線寬度，b

為縫隙寬度，一般取a=b，a+b=W，W稱光柵的柵距。柵距又稱為光柵常數(shù)或光柵節(jié)距，是光柵的重要參數(shù)，用每毫米內的柵線數(shù)表示柵線密度，如100線/mm、250線/mm等光柵按其原理和用途可分為物理光柵和計量光柵。物理光柵刻線細密，利用光的衍射原理，主要用于光譜分析和光波長等量的測量。計量光柵主要利用莫爾條紋現(xiàn)象實現(xiàn)長度、角度、速度、加速度、振動等物理量的測量。計量光柵按工作原理來分可分為透射式和反射式。透射式光柵如圖5-41，常采用光學玻璃做基體，并鍍鉻，在基體上均勻刻畫出間距、寬度相等的條紋，形成等間隔的透光區(qū)與不透光區(qū)，使光線透過光柵后產生明暗條紋；反射式光柵如圖5-42所示，常采用不銹鋼作基體，在基體上用化學腐蝕的方法制成黑白相間的條紋，形成反光區(qū)與不反光區(qū)，反射光線并使之產生明暗條紋。5.3.1光柵的基礎知識光柵式傳感器主要由光源、透鏡、光柵副（主光柵和指示光柵）和光電接收元件等組成，如圖5-43所示。光柵副如圖5-44所示，是光柵傳感器的核心部分，其精度決定著整個光柵傳感器的精度。主光柵是測量的基準（又稱為標尺光柵），其長度由測量范圍確定，而指示光柵一般比主光柵短得多，為一小塊，只要能滿足測量所需的莫爾條紋數(shù)量即可，通?？逃信c主光柵同樣密度的線紋。5.3.2光柵式位移傳感器的工作原理

1、莫爾條紋如果把光柵常數(shù)相等的主光柵和指示光柵相對疊合（片間留有很小的間隔），并使兩者柵線（光柵刻線）之間保持很小夾角θ，在兩光柵的刻線重合處，光從縫隙透過，形成亮帶，在兩光柵刻線的錯開處，由于相互擋光作用而形成暗帶，于是在垂直柵線的方向上出現(xiàn)明暗相間的條紋，即在a-a線上形成亮帶，在b-b線上形成暗帶，如圖5-45所示，這種明暗相間的條紋稱為莫爾條紋。莫爾條紋方向與刻線條紋方向近似垂直，當指示光柵左右移動時，莫爾條紋上下移動變化。5.3.2光柵式位移傳感器的工作原理莫爾條紋有以下特性。（1）莫爾條紋的移動量和移動方向與標尺光柵相對于指示光柵的位移量和位移方向有著嚴格的對應關系，可以通過測量莫爾條紋的運動方向來判別光柵的運動方向。（2）位移放大作用。莫爾條紋兩個亮條紋之間的寬度為其間距。從莫爾條紋圖5-46可知，在三角形AOC中，OC與AC垂直，根據(jù)三角關系可得，莫爾條紋的間距B與兩光柵夾角θ和柵距W的關系為：當W一定時，θ越小，則B越大。若W=0.01mm，θ=0.01rad，通過上式計算可得B=1mm。（3）減小誤差作用。莫爾條紋是由光柵的大量柵線（常為數(shù)百條）共同形成的，對光柵的刻線誤差有平均作用，從而能在很大程度上消除柵距的局部誤差和短周期誤差的影響。因此，莫爾條紋可以得到比光柵本身刻線精度更高的測量精度。5.3.2光柵式位移傳感器的工作原理2、光柵傳感器的工作原理圖5-43中，光源發(fā)出的輻射光線，經過透鏡后變成平行光束，照射在標尺光柵上。當有位移帶動指示光柵移動時，產生莫爾條紋。若用光敏元件接收莫爾條紋移動時光強的變化，則光信號被轉換為電信號（電壓或電流信號）輸出，測量輸出電信號的大小，即可獲得位移量。由于光敏元件產生的電壓信號一般比較微弱，在長距離傳遞時很容易被各種干擾信號所淹沒、覆蓋，造成傳送失真。為了保證光敏元件輸出的信號在傳送中不失真，應首先將該電壓信號進行功率和電壓放大，然后再進行傳送。光柵傳感器的光電轉換系統(tǒng)由聚光鏡和光敏元件組成，如圖5-47所示，當標尺光柵移動一個柵距W時，電信號則變化一個周期，光柵輸出電壓信號的幅值為光柵位移量x的函數(shù)，即：當檢測到的光電信號波形重復到原來的相位和幅值時，相當于光柵移動了一個柵距W，如果光柵相對移動了N個柵距，此時位移為x=Nw。因此，只要記錄移動過的莫爾條紋數(shù)N，就可以知道光柵的位移量x。5.3.2光柵式位移傳感器的工作原理單個光電元件接收一固定點的莫爾條紋信號，只能通過判別明暗的變化而不能辨別莫爾條紋的移動方向，因而就不能判別運動零件的運動方向，以致不能正確測量位移。所以需要辨向。通常在相隔BH/4間距的位置上，放置sin和cos兩個光電元件，得到兩個相位差為π/2的電信號，經過整形后得兩個方波信號uos和uoc。如圖5-48所示為辨向電路，當指示光柵沿正向移動時，uos經微分電路后產生的脈沖，正好發(fā)生在uoc的“1”電平時，從而經與門IC1輸出一個計數(shù)脈沖；而u'os經反相并微分后產生的脈沖，則與u'oc的“0”電平相遇，與門IC2被阻塞無脈沖輸出。即加法計數(shù)器收到一個脈沖，而減法計數(shù)器沒有。減法計數(shù)器同理。即可以判斷位移的方向。在選擇合適的光柵柵距的前提下，以對柵距進行測微，電子學中稱“細分”，來得到所需的最小讀數(shù)值。細分就是在莫爾條紋變化一周期時，不只輸出一個脈沖，而是輸出若干個脈沖，以減小脈沖當量提高分辨力。任務實施

工作原理任務實施2、傳感器選型數(shù)控機床工作臺直線位移檢測，根據(jù)光柵傳感器的相關知識，選用直線光柵數(shù)顯表，本任務中選用WD5404型光柵傳感器，如圖5-51所示。根據(jù)運動行程選擇相應的長度291mm，測量距離0-150mm，分辨率0.01。任務實施3、光柵傳感器的安裝光柵傳感器的讀數(shù)頭帶有兩個連接孔，安裝在工作臺和砂輪架導軌（滑板）上，隨機床走刀而移動，讀數(shù)頭固定在床身上，盡可能使讀數(shù)頭安裝在主尺的下方。其安裝方式的選擇必須注意切屑、切削液及油液的濺落方向。另外，一般情況下，讀數(shù)頭應盡量安裝在相對機床靜止部件上，此時輸出導線不移動易固定，而尺身則應安裝在相對機床運動的滑板上，同時傳感器不能安裝在打底涂漆或者粗糙不平的床身。光柵主尺及讀數(shù)頭分別安裝在機床相對運動的兩個部件上。用千分表檢查機床工作臺的主尺安裝面與導軌運動的方向平行度。千分表固定在床身上，移動工作臺，要求達到平行度0.1mm/1000mm

以內。光柵尺位移傳感器全部安裝完以后，一定要在機床導軌上安裝限位裝置，以免機床加工產品移動時讀數(shù)頭沖撞到主尺兩端，從而損壞光柵尺。在機床上選取一個參考位置，來回移動工作點至該選取的位置，數(shù)顯表讀數(shù)應相同（或回零）。另外也可使用千分表（或百分表），使千分表與數(shù)顯表同時調至零（或記憶起始數(shù)據(jù)），往返多次后回到初始位置，觀察數(shù)顯表與千分表的數(shù)據(jù)是否一致。光柵尺的機械安裝就完成，之后就是要在數(shù)控系統(tǒng)中生效。知識拓展

ZBS型軸環(huán)式數(shù)顯表如圖5-53所示。它的主光柵用不銹鋼圓薄片制成，可用于角位移的測量。在軸環(huán)式數(shù)顯表中，定片（指示光柵）固定，動片（主光柵）可與外接旋轉軸相連并轉動。動片邊沿被均勻地鏤空出500條透光條紋，見圖5-50圖b放大圖。定片為圓弧形薄片，在其表面刻有兩組與動片間隔相同的透光條紋（每組3條），定片上的條紋與動片上的條紋成一角度θ，兩組條紋分別與兩組紅外發(fā)光二極管和光敏晶體管相對應。當動片旋轉時，產生的莫爾條紋亮暗信號由光敏晶體管接收，相位正好相差π/2,即sin光敏晶體管接收到正弦信號，cos光敏晶體管接收到余弦信號。經整形電路處理后，兩者仍保持1/4周期的相位關系。再經過細分及辨向電路，根據(jù)運動的方向來控制可逆計數(shù)器做加法或減法計數(shù)，測量電路框圖如圖5-50c所示。測量顯示的零點由外部復位開關完成。光柵軸環(huán)式數(shù)顯表具有體積小、安裝簡便、讀數(shù)直觀、可靠性好、性能、價格比高等優(yōu)點，適用于中小型機床的進給或定位測量，也適用于老機床的改造。如果把它裝在車床進給刻度輪的位置，可以直接讀出進給尺寸，減少停機測量的次數(shù)，從而提高工作效率和加工準確度。項目6速度的檢測任務6.1基于霍爾開關傳感器的轉速

儀設計

任務6.2基于對射式光電傳感器的轉

速測量儀設計

任務6.3基于磁電傳感器的轉速測量

儀的設計任務6.1基于霍爾開關傳感器的轉速儀設計◎知識目標理解霍爾效應的基本原理。了解霍爾傳感器在現(xiàn)實生活中的應用情況。熟悉霍爾元件及其在應用中需要考慮的問題。認識幾種典型的集成霍爾傳感器。

◎技能目標能正確選用霍爾傳感器。掌握集成霍爾傳感器典型應用電路的分析、設計和調試方法。任務6.1基于霍爾開關傳感器的轉速儀設計◎素質目標提高獨立工作、進行創(chuàng)造性工作和綜合運用知識的能力。提升解決實際工作問題的綜合素養(yǎng)。任務6.1基于霍爾開關傳感器的轉速儀設計任務導入某天，小明騎著一輛電動自行車在路上，看了一眼儀表盤上顯示當前速度，隨即想到，電動車是怎么測量當前的車速呢？通過查詢相關資料得知，原來電動車的車輪里面安裝一種轉速儀，其中最常用的是利用霍爾開關傳感器做成的轉速儀。那么霍爾轉速儀的結構是什么樣的呢？他的工作原理是什么？任務6.1基于霍爾開關傳感器的轉速儀設計

任務6.1基于霍爾開關傳感器的轉速儀設計圖6-1霍爾效應任務6.1基于霍爾開關傳感器的轉速儀設計（2）霍爾元件根據(jù)霍爾效應，人們用半導體材料制成的元件叫霍爾元件。它具有對磁場敏感、結構簡單、體積小、頻率響應寬、輸出電壓變化大和使用壽命長等優(yōu)點，因此，在測量、自動化、計算機和信息技術等領域得到廣泛的應用。任務6.1基于霍爾開關傳感器的轉速儀設計（3）霍爾傳感器由于霍爾元件產生的電勢差很小，故通常將霍爾元件與放大器電路、溫度補償電路及穩(wěn)壓電源電路等集成在一個芯片上，稱之為霍爾傳感器。如圖所示，是一種型號霍爾傳感器的外形圖。任務6.1基于霍爾開關傳感器的轉速儀設計2.霍爾傳感器的分類霍爾傳感器分為線性型霍爾傳感器和開關型霍爾傳感器兩種。（1）線性型霍爾傳感器由霍爾元件、線性放大器和射極跟隨器組成，它輸出模擬量。（2）開關型霍爾傳感器由穩(wěn)壓器、霍爾元件、差分放大器，斯密特觸發(fā)器和輸出級組成，它輸出數(shù)字量。任務6.1基于霍爾開關傳感器的轉速儀設計3.霍爾傳感器的特性（1）線性型霍爾傳感器的特性輸出電壓與外加磁場強度呈線性關系，如下圖6-3所示，可見，在B1～B2的磁感應強度范圍內有較好的線性度，磁感應強度超出此范圍時則呈現(xiàn)飽和狀態(tài)。圖6-3線性型霍爾傳感器的特性曲線任務6.1基于霍爾開關傳感器的轉速儀設計（2）開關型霍爾傳感器的特性如圖6-4所示，其中BOP為工作點“開”的磁感應強度，BRP為釋放點“關”的磁感應強度。圖6-4開關型霍爾傳感器的特性曲線當外加的磁感應強度超過動作點BOP時，傳感器輸出低電平，當磁感應強度降到動作點BOP以下時，傳感器輸出電平不變，一直要降到釋放點BRP時，傳感器才由低電平躍變?yōu)楦唠娖?。BOP與BRP之間的滯后使開關動作更為可靠。任務6.1基于霍爾開關傳感器的轉速儀設計另外還有一種“鎖鍵型”（或稱“鎖存型”）開關型霍爾傳感器，其特性如圖6-5所示。圖6-5鎖存型開關型霍爾傳感器特性曲線當磁感應強度超過動作點BOP時，傳感器輸出由高電平躍變?yōu)榈碗娖剑谕獯艌龀废?，其輸出狀態(tài)保持不變（即鎖存狀態(tài)），必須施加反向磁感應強度達到BRP時，才能使電平產生變化。任務6.1基于霍爾開關傳感器的轉速儀設計

任務實施一、任務分析霍爾傳感器往往用于被測旋轉軸上已經裝有鐵磁材料制造的齒輪，或者在非磁性盤上安裝若干個磁鋼，也可利用齒輪上的缺口或凹陷部分來實現(xiàn)檢測。目前，用于測速的霍爾傳感器主要為霍爾開關集成傳感器及霍爾接近開關。小明要利用霍爾傳感器制作轉速儀，首先要選擇合適的霍爾傳感器，再進行電路設計和制作，最后進行電路的調試。任務6.1基于霍爾開關傳感器的轉速儀設計二、實施過程1.霍爾傳感器選型目前，國內外霍爾開關集成傳感器的型號很多，如國產的SH111～SH113型，其各有A、B、C、D四種類型，其參數(shù)如表6-1所示。參數(shù)型號截止電源電流/mA導通電源電流/mA輸出低電平/V高電平輸出電流/μA導通磁通/mT截止磁通/mTSH111SH112SH113A≤5≤8≤0.4≤108010B6010C4010D2010表6-1國產霍爾集成開關傳感器的主要參數(shù)任務6.1基于霍爾開關傳感器的轉速儀設計

國外產常用型號主要有UGN/UGS系列，其主要參數(shù)如表6-2。參數(shù)型號導通磁通/mT截止磁通/mT最大值典型值典型值最小值UGN/UGS3019L504230103020L35221653040L2015105表6-2美國產霍爾集成開關傳感器的主要參數(shù)任務6.1基于霍爾開關傳感器的轉速儀設計此類傳感器的基本工作原理是當施加于傳感器的磁通小于某一值（如SH111A型為10mT）時，其輸出開關是斷開的；否則，輸出開關為導通。利用其這一特性，在被測轉軸上裝一非磁性轉盤，并在轉盤四周均勻地安裝若干個磁鋼（磁鋼數(shù)量越多，每轉一圈產生的脈沖數(shù)就越多），每轉一圈可以產生若干個脈沖信號。通過F/V轉換電路，將傳感器輸出的脈沖信號轉換成與之成比例的模擬電壓，即可推動指針式儀表進行指示轉速。任務6.1基于霍爾開關傳感器的轉速儀設計2.轉速儀電路設計霍爾轉速計主要由裝有永久磁鐵的轉盤、霍爾開關集成傳感器、F/V電路、表頭及電源幾部分組成，其具體電路如圖6-6所示。任務6.1基于霍爾開關傳感器的轉速儀設計其中電源部分沒有給出。圖中IC1為霍爾集成開關傳感器SH113D，被測轉軸每轉一圈產生1個脈沖信號。LM2917為F/V專用轉換芯片，配合外圍電路構成頻率/電壓轉換電路。被測信號經過電位器RP1接入LM2917的1腳，調節(jié)RP1可以改變輸入頻率信號的幅度。12V電源經過R2、二極管VD1分壓后，向芯片內部比較器反相輸入端提供0.6V的參考電壓（即輸入信號的幅度必須大于0.6V）。R4是輸出電壓的負載電阻，其取值范圍是4.3K～10K。0～10V電壓表接在R2兩端，用來指示被測頻率值（轉速）。該電路的輸出電壓為：

任務6.1基于霍爾開關傳感器的轉速儀設計由式6-2可知，在Vcc、RP2、C1一定的情況下，則輸出電壓Uo只與f成正比，f改變則Uo也改變，根據(jù)Uo的值即可知道f的大小。電路中，若電源電壓取12V，當傳感器輸出信號頻率為166.6HZ（即轉速為最大值9999轉/分，測量儀的最大測速）時，表頭應指示在最大值10V處，根據(jù)式6-2可得RP2·C1=50ms，若C1取0.02μF，則RP2的值為250K，為了增加調節(jié)范圍，RP2取300K。這樣，輸出電壓在一定范圍內可調，理論上輸出電壓最高可達12V。任務6.1基于霍爾開關傳感器的轉速儀設計3．電路制作（1）應用EDA軟件(如ProtelDXP2004)畫出原理圖；（2）用仿真軟件（如Proteus），驗證電路功能；（3）元件布局和布線，完成PCB設計；（4）將PCB圖紙，送去PCB加工廠制作成電路板；（5）根據(jù)電路原理圖，導出元器件清單（BOM），并依此采購元器件；（6）元件的安裝與焊接；（7）霍爾開關集成傳感器的安裝。任務6.1基于霍爾開關傳感器的轉速儀設計應用霍爾開關傳感器測量轉速，安裝的位置與被測物距離視安裝方式而定，一般為幾到十幾毫米。圖6-7（a）為在一圓盤上安裝一磁鋼，霍爾傳感器則安裝在圓盤旋轉時磁鋼經過的地方。圓盤上磁鋼的數(shù)目可以為1、2、4、8個等，均勻地分布在圓盤的一面。圖6-7（b）適用于原轉軸上已經有磁性齒輪的場合，此時，工作磁鋼固定在霍爾傳感器的背面（外殼上沒有打標志的一面），當齒輪的齒頂經過傳感器時，有多的磁力線穿過傳感器，霍爾集成開關傳感器輸出導通；而當齒谷經過霍爾開關傳感器時，穿過傳感器的磁力線較少，傳感器輸出截止，即每個齒經過傳感器時則產生一個脈沖信號。任務6.1基于霍爾開關傳感器的轉速儀設計a）b）霍爾開關傳感器圖6-7霍爾傳感器安裝示意圖任務6.1基于霍爾開關傳感器的轉速儀設計4．電路調試電路調試主要有兩個內容，一是對分度進行標定；二是調節(jié)輸入IC2的信號幅度。1）分度標定可以進行現(xiàn)場調試，也可進行通過模擬裝置進行。為了調試及教學方便，可以用信號發(fā)生器提供脈沖信號，模擬傳感器輸出信號。方法是將信號發(fā)生器輸出電纜接到RP1上端，調節(jié)頻率調節(jié)旋鈕使輸出信號頻率為166.6HZ，調節(jié)RP2，使電壓表指示為10V即可。任務6.1基于霍爾開關傳感器的轉速儀設計2）信號幅度調節(jié)調節(jié)前首先安裝好傳感器，將霍爾開關集成傳感器的三根線與電路對應端相連，啟動機器，正常的話，電壓表應指示轉速。不能指示轉速或不準確，則可調節(jié)RP1加大輸入IC2的信號幅度，使電壓表指示穩(wěn)定即可。任務6.1基于霍爾開關傳感器的轉速

儀設計

任務6.2基于對射式光電傳感器的轉

速測量儀設計

任務6.3基于磁電傳感器的轉速測量

儀的設計任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計◎知識目標理解光電效應，包括外光電效應和內光電效應。熟悉不同光電效應對應的光電器件及應用場合。掌握光電傳感器的基本應用電路。熟悉光電傳感器在現(xiàn)實生活中的典型應用?！蚣寄苣繕四苷_地選用和安裝光電傳感器。學會光電傳感器典型電路的設計、分析、制作及調試?！蛩刭|目標提高分析問題、解決問題的能力和溝通的能力。養(yǎng)成認真、負責、嚴謹、專注的態(tài)度。樹立創(chuàng)新精神及團隊協(xié)作精神。任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計

任務導入小明利用霍爾傳感器做出轉速儀后，很有成就感。于是經常嘗試將自己的作品應用與各種場合。某一天，他發(fā)現(xiàn)霍爾轉速儀在環(huán)境磁場較強的場合下，容易受到干擾而失靈。那怎么辦呢？經過百度，他知道了光電傳感器可以解決這一問題。于是他決定利用光電對射傳感器設計的一個簡易的轉速計。那么什么是光電傳感器呢？光電傳感器又怎么實現(xiàn)測速呢？任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計

相關知識

6.2.1光電效應及對應典型器件

用光照射某一物體時，可以看作物體受到一連串能量為妙的光子的轟擊，組成該物體的材料吸收光子能量而發(fā)生相應電效應的物理現(xiàn)象稱為光電效應。將被測物理量通過光量的變化轉換為電量變化，它的工作基礎就是光電效應。光電效應可以分為外光電效應和內光電效應，其中內光電效應可以分為光電導效應和光生伏特效應。任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計1.外光電效應及對應器件在光線的作用下能使電子逸出物體表面，在回路中形成光電流的現(xiàn)象稱為外光電效應?；谕夤怆娦墓怆娫泄怆姽?、光電倍增管、紫外光電管、光電攝像管等。光電管如圖6-10所示，在真空玻璃管內裝入兩個電極-光電陰極與光電陽極，光電管的陰極受到適當?shù)墓饩€照射后發(fā)射電子，這些電子在電壓作用下被陽極吸引，形成光電流。任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計

（a）光電管外形（b）外光電效應示意1－陽極a2－陰極k3－石英玻璃外殼4－抽氣管蒂5－陽極引腳6－陰極引腳7－金屬表面8－光子9－光致發(fā)射電子圖6-10光電管任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計光電倍增管如圖6-11所示，它是外光電效應的典型元器件之一。它的結構就是在一個玻璃泡內除裝有光電陰極和光電陽極外，還有若干個光電倍增極，倍增極上涂有在電子轟擊下能發(fā)射更多電子的材料，前一級倍增極反射的電子恰好轟擊后一級倍增極，在每個倍增極間依次增大加速電壓。它的靈敏度比上述光電管高出幾萬倍以上，在星光下就可以產生可觀的電流，光通量在10-14～10-6lm（流明）的很大變化區(qū)間里，其輸出電流均能保持線性。任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計（a）光電倍增管外形

（b）光電倍增管結構圖6-11光電倍增管示意圖任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計紫外光電管的常見外形如圖6-12所示，它的玻殼用對紫外線透光率較好的石英材料制造。當入射紫外線照射在紫外光電管陰極板上時，電子克服金屬表面對它的束縛而逸出金屬表面，形成電子發(fā)射。紫外光電管多用于紫外線測量、火焰監(jiān)測等。可見光較難引起光電子的發(fā)射?；鹧娴妮椛涔庵邪溯^大比例的紫外光，有別于燈光，以及純粹的高溫紅外輻射。任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計2.內光電效應及對應器件（1）光電導效應及對應器件光電導效應是指在一定波長光照作用下，物體導電性能發(fā)生改變的現(xiàn)象。光電導效應產生的自由電子停留在物體內部，不發(fā)生電子逸出，實質上是當入射光照到半導體表面時,半導體吸入入射光子的能量，通過本征半導體激發(fā)產生電子-空穴對，使載流子濃度增加，從而使半導體的電導率增大。任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計光敏電阻是基于光電導效應的，它是純電阻元件，其阻值隨光照增強而減小。按光譜特性及其工作波長，光敏電阻可分為紫外光、紅外光和可見光光敏電阻。光敏電阻具有靈敏度高、體積小、重量輕、光譜響應范圍寬、機械強度高、耐沖擊和振動、壽命長等優(yōu)點。制作光敏電阻的材料有硫化鎘、硫化鉛、硒化錮、硒化鎘、硒化鉛等。光敏電阻的主要特點是無極性。任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計常用的光敏電阻Cds內部構造和常見外形分別如圖6-13和圖6-14所示。圖6-13光敏電阻Cds的結構任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計光敏電阻的結構：管芯是一塊安裝在絕緣襯底上帶有兩個歐姆接觸電極的光電半導體，一般都做成薄層。為了獲得高的靈敏度，電極一般釆用梳狀圖案。圖6-14Cds的常見外形任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計（2）光生伏特效應及對應器件光生伏特效應是指在光線作用下，能使物體產生一定方向的電動勢的現(xiàn)象。如圖6-15所示。當用適當波長的陽光照射PN結時候，產生光生電子-光生空穴對，由于內建電場作用（不外加電場），光生電子被拉向N區(qū)，光生空穴被拉向P區(qū)，結果在N存儲過剩的電子，P區(qū)存儲過剩的空穴。他們在PN結附近形成與內建電場方向相反的光生電場。當光生電場除了抵消內建電場以外，還使P區(qū)帶正點，N區(qū)帶負電，在N區(qū)和P區(qū)之間就會形成一個光生電動勢，這種現(xiàn)象就叫光生伏特伏特效應。任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計圖6-15光生伏特效應示意圖任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計利用光生伏特效應工作的光敏器件主要包括光電池、光敏二極管和光敏三極管。光電池包括硅光電池、硒光電池、碑化鐐光電池等。1）硅光電池硅光電池又稱為太陽能電池。硅光電池結構如圖6-16所示。在圖6-16中，N型硅片上用擴散的方式摻入一些P型雜質（如硼）形成一個大面積的PN結，當入射光照射到P型表面時，光生電子在PN結電場作用下被拉向N區(qū)，光生空穴被拉向P區(qū)，從而形成光生電動勢。圖6-16硅光電池結構圖任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計光電池的光電特性如圖6-17所示，其中開路電壓為對數(shù)特性，短路電流為線性特性。此時，如果將外電路短路，則外電路中就有與入射光能成正比的電流流過，這個電流稱作短路電流。另一方面，若將PN結兩端開路，則由于電子和空穴分別流入N區(qū)和P區(qū)，使兩個區(qū)之間形成電位差Voc，稱為開路電壓。6-17一個典型的硅光電池的光電特性任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計2）光敏二極管將光敏二極管的PN結設置在透明管殼頂部的正下方，光照射到光敏二極管的PN結時，電子-空穴對數(shù)量增加，光電流與照度成正比。紅外發(fā)射、接收對管外形如圖6-18所示。任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計PIN光敏二極管是在P區(qū)和N區(qū)之間插入一層電阻率很大的I層，從而減小了PN結的電容，提高了工作頻率，其外形如圖6-19所示。任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計PIN光敏二極管的工作電壓（反向偏置電壓）高，光電轉換效率高，暗電流小，其靈敏度比普通的光敏二極管高得多，響應頻率可達數(shù)十兆赫茲，可用作各種數(shù)字與模擬光纖傳輸系統(tǒng)、各種家電遙控器的接收管（紅外波段）、UHF頻帶小信號開關、中波頻帶到1000MHz之間電流控制、可變衰減器、各種通信設備收發(fā)天線的高頻功率開關切換和RF領域的高速開關等。特殊結構的PIN二極管還可用于測量紫外線等。任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計APD光敏二極管(雪崩光敏二極管)是一種具有內部倍增放大作用的光敏二極管,靈敏度比PIN大幾百倍。其外形如圖所示：任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計當有一個光子從外部射入到其PN結上時,將產生一個電子空穴對。由于PN結上施加了較高的工作電壓(約100V),接近于反向擊穿電壓。PN結中的電場強度可達104V/mm數(shù)量級，因此能將光子所產生的光電子加速到具有很高的動能,撞擊其他原子,產生新的電子空穴對,如此多次碰撞,以致最終造成載流子按幾何級數(shù)劇增的“雪崩”效應,形成對原始光電流的放大作用,增益可達幾千倍,而雪崩產生和恢復所需的時間可小于10ns。任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計APD光敏二極管具有高響應度、高信噪比、高響應速度等特點，可廣泛應用于微光信號檢測、長距離光纖通信、激光測距、激光制導等光電信息傳輸和光電對抗系統(tǒng)，可以取代光電倍增管。它的主要缺點：噪聲大。若有用光電信號只有幾個毫微瓦(nW),就會被噪聲淹沒。任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計GD3250系列硅雪崩光敏二極管是市面上常用的一種APD光敏二極管，它的特性參數(shù)見表6-3。參數(shù)單位GD3250-AGD3250-BGD3250-C光電面直徑mm0.20.50.8工作電壓V100?150100?150150—250暗電流nAW15W25W35響應度V/w606060上升時間nsW1W3W4噪聲等效功率Pw/(Hz%)0.050.070.09結電容pFW1W1.5W2使用溫度范圍°C-20?+40-20?+40-20?+40封裝形式

TO型、光纖型TO型TO型任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計光敏二極管應用時需要注意以下幾點：①硅光敏二極管的溫度系數(shù)為-2mV/°C（約為-0.3%/°C）,它約為短路電流溫度系數(shù)的10倍以上，因此常用于測量精度不高的場合。②光敏二極管在實際使用時，有暗電流存在，一般來說，GaAsP光敏二極管的漏電流為硅二極管的l/10。③對硅光敏二極管來說，波長大于1100nm的光幾乎不產生電流，也就是說它不吸收波長大于1100nm的光；GaAsP光敏二極管其峰值波長在可見光范圍內，因此，檢測可見光時，不加紫外線截止濾光器，其暗電流小，開路電壓大。任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計④光敏二極管的響應特性基本上是由PN結的結電容弓與負載電阻決定的。二極管的反偏壓越大，PN結電容就越小，因此，在高速響應電路中，必須加反偏使用，但暗電流也增大。任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計3）光敏三極管光敏三極管(亦稱光電晶體管)有兩個PN結，與普通三極管相似，有電流增益，但靈敏度比光敏二極管高。多數(shù)光敏三極管的基極沒有引出線，只有正負(c、e)兩個引腳，所以其外型與光敏二極管相似，從外觀上很難區(qū)別。光敏三極管結構、符號和外形分別如圖6-21所示。任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計d）（a）管芯結構

（b）

結構簡化圖

（c）光敏晶體管圖形符號（d）外型1－N+襯底2－N型集電區(qū)3－透光SiO2保護圈4－集電結JC5－P型基區(qū)

6－發(fā)射結JE7－N型發(fā)射區(qū)圖6-21光敏三極管任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計6.2.2光電傳感器的工作原理及其常見種類1.光電傳感器的結構及工作原理光電傳感器是通過把光強度的變化轉換成電信號的變化來實現(xiàn)控制的。一般情況下,由三部分構成,分別為:發(fā)送器、接收器和檢測電路。發(fā)送器對準目標發(fā)射光束,發(fā)射的光束一般來源于半導體光源,發(fā)光二極管(LED)、激光二極管及紅外發(fā)射二極管等。光束不間斷地發(fā)射,或者改變脈沖寬度。接收器有光電二極管、光電三極管或者光電池組成。在接收器的前面,裝有光學元件如透鏡和光圈等。在其后面是檢測電路,它能濾出有效信號和應用該信號。任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計2.光電傳感器的種類（1）漫反射式光電傳感器漫反射光電傳感器是一種集發(fā)射器和接收器于一體的傳感器，當有被檢測物體經過時，將光電傳感器發(fā)射器發(fā)射的足夠量的光線反射到接收器，于是光電傳感器就產生了開關信號，如圖6-22所示。當被檢測物體的表面光亮或其反光率極高時，漫反射式的光電傳感器是首選的檢測模式。任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計（2）鏡反射式光電傳感器鏡反射式光電傳感器亦是集發(fā)射器與接收器于一體，光電傳感器發(fā)射器發(fā)出的光線經過反射鏡，反射回接收器，當被檢測物體經過且完全阻斷光線時，光電傳感器就產生了檢測開關信號，如圖6-23所示。

任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計（3）對射式光電傳感器對射式光電傳感器包含在結構上相互分離且光軸相對放置的發(fā)射器和接收器，發(fā)射器發(fā)出的光線直接進入接收器。當被檢測物體經過發(fā)射器和接收器之間且阻斷光線時，光電傳感器就產生了開關信號，如圖6-24所示。當檢測物體是不透明時，對射式光電傳感器是最可靠的檢測模式。任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計（4）槽式光電傳感器

槽式光電傳感器通常是標準的U字型結構，其發(fā)射器和接收器分別位于U型槽的兩邊，并形成一光軸，當被檢測物體經過U型槽且阻斷光軸時，光電傳感器就產生了檢測到的開關量信號，如圖6-25所示。槽式光電傳感器比較安全可靠的適合檢測高速變化，分辨透明與半透明物體。任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計

任務實施

一、任務分析小明要利用光電對射式傳感器制作轉速儀，首先要選擇合適的光電傳感器型號，再進行電路設計與制作，最后進行電路的調試。任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計二、實施過程1.元件的選型采用光電反射式傳感器測量轉速時，只需在轉軸上貼一張反光紙或涂黑的紙即可，如圖6-26a所示。實現(xiàn)起來簡單、方便，每轉一圈產生一個脈沖信號，一般用于便攜式轉速測量儀。實際應用中，通常采用紅光電傳感器，這一類傳感器目前也比較多，如S