《傳感器及檢測技術(shù)》配套PPT課件

《傳感器及檢測技術(shù)》配套PPT課件,傳感器及檢測技術(shù),傳感器,檢測,技術(shù),配套,PPT,課件 項目三 位移檢測 教學(xué)目的： 1、能認識、了解檢測位移量的傳感器器件，了解它們的主要特點和性能。 2、 能了解絕對式和增量式光電編碼器的基本知識。 3、會用光電編碼器測量位移。 4、 能了解光柵傳感器的組成和結(jié)構(gòu)。 5、能理解莫爾條紋測量位移的原理。 6、 能了解磁柵傳感器的組成和特點。了解磁柵、磁頭的結(jié)構(gòu)和工作原理。 7、能理解自感式電感傳感器和差動變壓器的工作原理、測量電路及應(yīng)用電路。 課 型：新授課 課 時： 3個任務(wù)，安排6個課時。 教學(xué)重點： 認識光電編碼器和碼盤的外形，增量式編碼器的結(jié)構(gòu)和組成，增量式編碼器的工作原理；絕對式編碼器的結(jié)構(gòu)和工作原理；光柵傳感器的外形與結(jié)構(gòu)；莫爾條紋的形成及特性；光柵傳感器的組成；磁柵傳感器的外形；磁柵傳感器的組成和測量原理。 教學(xué)難點： 增量式編碼器的結(jié)構(gòu)和組成；絕對式編碼器的結(jié)構(gòu)和工作原理；莫爾條紋的形成及特性；光柵傳感器的組成；光柵傳感器的測量電路；磁柵傳感器的組成和測量原理；自感式電感傳感器；互感式電感傳感器；差動變壓器的工作原理；零點殘余電壓產(chǎn)生的原因和消除；差動變壓器的測量電路。 教學(xué)過程： 1. 教學(xué)形式：講授課，教學(xué)組織采用課堂整體講授和分組演示。 2. 教學(xué)媒體：采用啟發(fā)式教學(xué)、案例教學(xué)等教學(xué)方法。教學(xué)手段采用多媒體課件、視頻等媒體技術(shù)。 作業(yè)處理： 完成項目后的思考題。 板書設(shè)計： 本課標題 位移檢測 課次 2 授課方式 理論課□ 討論課□ 習(xí)題課□ 其他□ 課時安排 6 學(xué)分 共2分 授課對象 院系、專業(yè)： 任課教師 教學(xué)基本內(nèi)容 教學(xué)方法及教學(xué)手段 課堂導(dǎo)入 位移是物體在一定方向上的位置變化。位移測量，可分為線位移測量和角位移測量兩種，它是機械加工的重要參數(shù)。另外，許多其他參數(shù)，如力與壓力、形變、厚度、間距、振動、速度、加速度等非電量的測量也可以轉(zhuǎn)換為位移的測量，由位移的變化測出這些參數(shù)的變化。 參考以下形式： 1.銜接導(dǎo)入 2.懸念導(dǎo)入 3.情景導(dǎo)入 4.激疑導(dǎo)入 5.演示導(dǎo)入 6.實例導(dǎo)入 7.其他形式 基本知識匯總 任務(wù)一 數(shù)控機床的位移檢測（光電編碼器） 數(shù)控機床是機電一體化的典型產(chǎn)品，它是機、電、氣、液、光等多學(xué)科的綜合，技術(shù)涉及機械制造、傳感器、信息處理、計算機、自動控制、伺服驅(qū)動等多個領(lǐng)域。其中傳感器在數(shù)控機床中具有重要地位，它監(jiān)視和測量著數(shù)控機床工作過程的每一步。 數(shù)控機床中很重要的一個指標是進給運動的位置定位和重復(fù)定位誤差。要提高位置控制精度就必須采用高精度的位移檢測裝置。位移檢測的對象有工作臺的直線位移及回轉(zhuǎn)工作臺的角位移等，與此相對應(yīng)有直線式和旋轉(zhuǎn)式檢測裝置。 光電編碼器可直接用于旋轉(zhuǎn)式測角位移和通過角位移與直線位移之間的線性關(guān)系間接測出工作臺的直線位移。 一 光電編碼器和碼盤的外形圖 二 增量式編碼器 （一）增量式編碼器的結(jié)構(gòu)和組成 它由光源、光柵板、碼盤和光敏元件組成。碼盤與轉(zhuǎn)軸連在一起，它是用玻璃材料制成，表面涂有一層不透光的金屬鉻，然后在邊緣制成向心透光窄縫，透光窄縫在碼盤圓周上等分，數(shù)量從一百多條到幾千條不等。 （二）增量式編碼器的工作原理 光電編碼器的光柵板外圈上A、B兩個窄縫的間距是碼盤上的兩個窄縫距離的（m +1/4）倍，m 為正整數(shù)，由于彼此錯開1/4節(jié)距，兩組窄縫相對應(yīng)的光敏元件所產(chǎn)生的信號A、B彼此相差90°相位。當碼盤隨軸正轉(zhuǎn)時，A信號超前B信號90°；當碼盤反轉(zhuǎn)時，B信號超前A信號90°，波形如圖35所示。這樣可以判斷碼盤旋轉(zhuǎn)的方向。 1．本課程是機電一體化、自動控制、電氣自動化、應(yīng)用電子等專業(yè)的一門專業(yè)課程。要求學(xué)生能認識常用傳感器，掌握其工作原理、輸出特性、誤差補償，理解各種測量轉(zhuǎn)換電路，了解傳感器的典型應(yīng)用等知識，達到能正確使用常用傳感器的目的。 2．檢測技術(shù)的主要內(nèi)容包括了自動檢測系統(tǒng)中的信息提取、信息轉(zhuǎn)換以及信息處理。需要一定的測量理論、測量方法，相應(yīng)的測量工具、裝置，以及對測量結(jié)果進行正確的處理分析。它涵蓋了傳感器技術(shù)、誤差理論、測試計量技術(shù)、抗干擾技術(shù)以及電量間的互相轉(zhuǎn)換技術(shù)等。 3．本課程教學(xué)內(nèi)容的組織與安排：　由實例引入，按照“任務(wù)提出”“相關(guān)知識”“任務(wù)實施”“其他案例”“訓(xùn)練一下”幾個部分遞進完成。采用任務(wù)引領(lǐng)的項目課程教學(xué)，將檢測技術(shù)與傳感器的技能和知識點融入項目的工作任務(wù)之中，在符合工作過程的基礎(chǔ)上，充分考慮了學(xué)習(xí)者的認知心理過程，將課程內(nèi)容劃分為九個項目，再具化為多個工作任務(wù)的教學(xué)內(nèi)容。從檢測的對象著手，選擇合適的傳感器，通過認識該類傳感器的外形、性能指標，再到測量原理的介紹，在掌握基本知識的基礎(chǔ)上，介紹相應(yīng)的測量轉(zhuǎn)換電路、信號處理電路，來完成該類檢測任務(wù)。再安排一個訓(xùn)練，供學(xué)習(xí)者在實踐中掌握知識、提高技能。 三 絕對式編碼器 （一）　六位二進制碼盤結(jié)構(gòu) 碼盤由光學(xué)玻璃制成，如圖36所示為六位二進制碼盤結(jié)構(gòu)，上面刻有同心碼道，每位碼道都按一定規(guī)律制成透光和不透光部分，其中黑的區(qū)域為不透光區(qū)，又稱暗區(qū)，用“0”表示；白的區(qū)域為透光區(qū)，又稱亮區(qū)，用“1”表示。這樣在任意角度都有對應(yīng)的二進制編碼 （二）　絕對式編碼器的組成 它由光源、透鏡、碼盤和光敏元件組成。其中光敏元件是一組，它的排列與碼道一一對應(yīng)。 （三）　絕對式編碼器的工作原理 光源透過透鏡照射到碼盤上，當碼盤隨軸轉(zhuǎn)動時，通過亮區(qū)（透光窄縫）的光線由光敏元件接收，輸出為“1”；而在暗區(qū)，輸出為“0”。碼盤旋至不同的位置時，一組光敏元件輸出信號的組合反映了一定規(guī)律編碼的數(shù)字量，代表了碼盤軸的角位移的大小。 任務(wù)二 數(shù)控機床的位移檢測（光柵傳感器） 一 光柵傳感器的外形與結(jié)構(gòu) （一）　直線光柵位移傳感器的外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu) 1—外殼; 2—LED; 3—標尺光柵; 4—指示光柵； 5—裝光敏元件的游標; 6—密封唇; 7—讀數(shù)頭; 8—處理電路 （二）　幾種光柵傳感器 （a） 反射式光柵（b） 透射式光柵（c） 透射式圓光柵 二 光柵的類型與結(jié)構(gòu) 光柵傳感器中使用的光柵為計量光柵，由標尺光柵（主光柵）和指示光柵組成，又稱光柵副。光柵傳感器主要由光源、光柵副和光敏元件三大部分組成。 三 莫爾條紋的形成及特性 （一）　莫爾條紋的形成 在透射式直線光柵中，把柵距相同的兩光柵（主光柵和指示光柵）的刻線面疊合在一起，中間留有小間隙，且兩者柵線錯開一個很小的角度θ，在兩光柵的刻線重合處，光從縫隙透過，形成亮帶；在兩光柵刻線錯開處，由于相互擋光作用形成暗帶。因此在接近垂直柵線方向出現(xiàn)明暗相間的條紋，這種條紋稱為莫爾條紋。 （二）　莫爾條紋的特性 1、對應(yīng)關(guān)系 當兩光柵沿著與柵線垂直的方向相對移動時，莫爾條紋也沿著近似垂直光柵移動方向運動。當光柵移動一個柵距時，莫爾條紋移動一個條紋的間距，當光柵反向移動時，莫爾條紋也反向移動。兩者具有嚴格的對應(yīng)關(guān)系。因此，根據(jù)光電元件接收到的條紋數(shù)目，就可以知道光柵移過的位移值。 2、放大作用 光柵柵距很小，肉眼很難分辨，而莫爾條紋清晰可見。因此莫爾條紋是放大了的光柵柵距，具有放大作用。 3、平均效應(yīng) 莫爾條紋由光柵的大量柵線共同形成的，所以對光柵柵線的刻劃誤差有平均作用。通過莫爾條紋所獲得的精度比柵線刻劃的精度要高。 四 光柵傳感器的組成 光柵傳感器由照明系統(tǒng)（光源和透鏡組成）、光柵副（主光柵和指示光柵組成）和光電元件等組成 1—光源； 2—透鏡； 3—主光柵； 4—指示光柵； 5—光電元件 （一）　光源 1、鎢絲燈泡 鎢絲燈泡工作范圍為－40～130℃，與光電元件相組合的轉(zhuǎn)換效率低，使用壽命短。 2、半導(dǎo)體發(fā)光器件 半導(dǎo)體發(fā)光器件如砷化鎵發(fā)光二極管的工作范圍為－60～100℃，轉(zhuǎn)換效率高達30%左右，使用壽命長，響應(yīng)速度快。 （二）　光柵副 光柵副由柵距相等的主光柵和指示光柵組成，它們互相重疊，又不完全重合，兩者柵線間錯開一個小角度，以便得到莫爾條紋。主光柵固定在被測體上，指示光柵與光電元件固定在一起。 （三）　光電接收元件 通過感測隨主光柵的移動而產(chǎn)生的莫爾條紋的移動，來測定位移量。 五 光柵傳感器測量位移的原理 六 光柵傳感器的測量電路 光電元件接收光信號后，由光電轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)過后續(xù)的測量電路輸出反映位移大小、方向的脈沖信號。 任務(wù)三 數(shù)控機床的位移檢測（光柵傳感器） 磁柵傳感器也是一種用于檢測位移的傳感器。它的價格低于光柵，具有制作簡單、易于安裝、調(diào)整方便、測量范圍（0．001ｍｍ～十幾米）寬、抗干擾能力強等一系列優(yōu)點。目前，可實現(xiàn)測量分辨率為1～5μm，系統(tǒng)精度為±0．01mm/m。 磁柵可分為長磁柵和圓磁柵，長磁柵主要用于直線位移的測量，圓磁柵主要用于角位移的測量。 一 磁柵傳感器的外形 二 磁尺 磁尺又稱磁柵。按其基體形狀有長磁柵和圓磁柵兩種。 磁柵由磁柵基體和磁性薄膜組成，磁柵基體是用非導(dǎo)磁材料做成的 三 磁頭的結(jié)構(gòu)和原理 磁柵上的磁信號先由錄磁頭錄好，再由讀磁頭讀出，按讀取信號方式的不同，磁頭可分為動態(tài)磁頭和靜態(tài)磁頭兩種。 1、 動態(tài)磁頭 動態(tài)磁頭只有一組繞組繞在磁頭鐵芯上，當磁頭磁柵有相對運動時，切割磁力線，就有信號輸出，故不適用于速度不均勻、時走時停的設(shè)備。錄音機信號屬于此類。 當磁頭沿著磁柵表面作相對位移時，在N相重疊處繞組輸出電壓為正最大，而在S相重疊處繞組輸出電壓為負最大，如圖330所示。這樣，輸出電壓波形為周期性的正弦信號，再經(jīng)過放大整形，由計數(shù)器記錄脈沖數(shù)ｎ，則位移量：?。螅剑睿鳎ǎ鳛楣?jié)距）。 2、靜態(tài)磁頭 靜態(tài)磁頭與動態(tài)磁頭的不同之處在于磁頭與磁柵之間在沒有相對運動的情況下，也有信號輸出。它有兩個繞組，一個為勵磁繞組，另一個為輸出繞組。靜態(tài)磁頭的工作原理如圖331所示。測量時，當磁頭在NS中間時，磁柵上無磁，磁頭與磁柵組成的磁路在空隙處磁阻很大，感應(yīng)磁通不能通過，因而此時輸出繞組無感應(yīng)電勢輸出；當磁頭運動到NN、SS處時，磁柵上磁場強度最大，磁頭與磁柵組成的磁路磁阻較小，由勵磁繞組電壓產(chǎn)生的磁通能最大地通過，從而在輸出繞組中感應(yīng)電勢最強。 四 磁柵傳感器的組成和測量原理 1、組成 磁柵式傳感器主要由磁尺、磁頭和檢測電路組成。 2、 測量原理 磁柵上錄有等間距的磁信號，它是利用磁帶錄音的原理將等節(jié)距的周期變化的電信號（正弦波或矩形波）用錄磁的方法記錄在磁性尺或圓盤上而制成的。 當磁柵傳感器工作時，磁頭相對于磁柵有一定的相對位置，在這個過程中，磁頭把磁柵上的磁信號讀出來，這樣就把被測位置或位移轉(zhuǎn)換成了電信號。 任務(wù)四 軸承滾柱的直徑檢測 電感式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理，將被測非電量轉(zhuǎn)換成線圈電感（或互感系數(shù)）的變化的一種機電轉(zhuǎn)換裝置。 電感式傳感器有自感式（電感式）、互感式（差動變壓器式）兩種類型。它具有的特點如下：　 優(yōu)點：　結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、測量精度高、零點穩(wěn)定、輸出功率較大。 缺點：　靈敏度、線性度和測量范圍互相制約；頻率響應(yīng)較低，不適用于快速動態(tài)測量；對電源頻率和穩(wěn)定度要求較高。 一、 電感式測微傳感器的外形與結(jié)構(gòu) 二 自感式電感傳感器 自感式電感傳感器有三種類型：　變間隙型、變面積型和螺管插鐵型。 （一）　自感式電感傳感器的工作原理 1、變間隙式電感傳感器 （1）　組成 變間隙式電感傳感器由線圈、鐵芯和銜鐵等組成。 （2）　工作原理框圖 （3）　工作原理 根據(jù)電感定義：　L=線圈總磁鏈線圈電流=ΨI=NΦI 由磁路歐姆定律：　磁通量Φ=INRm（34） 靈敏度K=ΔLΔδ，初始狀態(tài)時：　L0=N2μ0A2δ0 ①　若有一個向上位移Δδ時，L=N2μ0A2（δ0-Δδ）=L011-Δδδ0=L01+Δδδ01-Δδ2δ20 當δ0Δδ時， L≈L01+Δδδ0 得：　ΔL=L-L0=Δδδ0L0（39） ②　若有一個向下位移Δδ時，L=N2μ0A2（δ0+Δδ）=L011+Δδδ0=L01-Δδδ01-Δδ2δ20 當δ0Δδ時， L≈L01-Δδδ0 得：　ΔL=L-L0=-Δδδ0L0（310） 所以：　靈敏度K=ΔLΔδ=±L0δ0 （當δ0Δδ時）（311） δ0越小，δ0與Δδ越可比擬，線性度越差。 δ0越小，K越大。 δ0越小，測量范圍Δδ更小。 可見：　靈敏度K隨著氣隙的增大而減小，要獲得高的靈敏度，必須δ0要??；但同時δ0越小，線性度越差，氣隙相對變化量Δδ要更小，即測量范圍與靈敏度是一對矛盾，要兼顧。 2、變面積式電感傳感器 當氣隙長度δ保持不變時，截面積A隨著被測量的改變而變化導(dǎo)致電感L發(fā)生變化，稱為變面積式電感傳感器。這種傳感器的輸入與輸出為線性關(guān)系。 3、螺管插鐵式電感傳感器 結(jié)論：?、佟∽冮g隙式靈敏度較高，但非線性誤差較大，制作裝配比較困難。 ②　變面積式靈敏度較前者小，但線性度好，量程較大，使用比較廣泛。 ③　螺管式靈敏度較低，但量程較大，結(jié)構(gòu)簡單易于制作，使用最廣泛。 4、差動電感傳感器 實際使用中，常采用兩個相同的傳感器線圈共用一個銜鐵，構(gòu)成差動式電感傳感器，如圖338所示為各種差動電感傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。采用差動式可以提高傳感器的靈敏度，減小測量誤差。 （二）　自感式電感傳感器的測量電路 1、電阻平衡臂電橋 2、變壓器式電橋 三、 互感式電感傳感器 互感式電感傳感器又稱變壓器式傳感器，而變壓器式傳感器以差動形式為最常用，差動變壓器式傳感器又簡稱差動變壓器。 （一）　差動變壓器的組成及工作原理 1、差動變壓器的組成 差動變壓器由銜鐵、一次繞組和二次繞組等組成。 2、差動變壓器的工作原理 初級次級繞組間的耦合能隨銜鐵的移動而變化，即繞組間互感隨被測位移改變而變化。 （二）　零點殘余電壓 實際上，當銜鐵在中間位置時，u2并不等于零，通常把差動變壓器在零位移時的輸出電壓稱為零點殘余電壓。 1、 零點殘余電壓產(chǎn)生的原因 零點殘余電壓由基波分量和高次諧波構(gòu)成，產(chǎn)生的主要原因如下：　 ①　基波分量主要是傳感器兩個次級線圈的電氣參數(shù)和幾何尺寸不對稱、以及構(gòu)成電橋另外兩臂的電器參數(shù)不一致，從而使兩個次級線圈感應(yīng)電勢的幅值和相位不相等，即使調(diào)整銜鐵位置，也不能同時使幅值和相位都相等。 ②　高次諧波主要由導(dǎo)磁材料磁化曲線的非線性引起。當磁路工作在磁化曲線的非線性段時，激勵電流與磁通的波形不一致，導(dǎo)致了波形失真；同時由于磁滯損耗和兩個線圈磁路的不對稱，造成了兩個線圈中某些高次諧波成分，于是產(chǎn)生了零位電壓的高次諧波。 ③　激勵電壓中包含的高次諧波及外界電磁干擾，也會產(chǎn)生高次諧波。 2、零點殘余電壓的消除 為了減小零點殘余電動勢，可采用以下方法：　 ①　盡量使傳感器幾何尺寸、線圈電氣參數(shù)及磁路相互對稱。 ②　采用良好的導(dǎo)磁材料制作殼體，進行屏蔽抗干擾。 ③　將傳感器工作區(qū)域設(shè)置在磁化曲線的線性區(qū)內(nèi)。 ④　選用相敏檢波電路作為測量電路，既可判別銜鐵移動方向又可改善輸出特性，減小零點殘余電動勢。 ⑤　進行外電路補償。主要有如圖346所示的幾類補償電路，圖中電阻是用康銅絲繞制的，串聯(lián)電阻值為0．5～5Ω，并聯(lián)電阻值為數(shù)十至數(shù)百千歐，并聯(lián)電容為100～500pF之間，實際參數(shù)要通過實驗確定。 （三）　差動變壓器的測量電路 差動變壓器的輸出電壓是交流電壓，若用交流電壓表測量，只能反映銜鐵位移的大小，不能反映銜鐵移動的方向。為了辨別銜鐵的移動方向，并消除零點殘余電壓，在實際測量中常采用差動相敏檢波電路和差動整流電路。 討論題、思考題： 圍繞本項目主題做情景模擬訓(xùn)練，以增強理解，加深印象?？梢詤⒖冀滩摹①Y料包、或者其他案例。 課后小結(jié)： 1、能認識、了解檢測位移量的傳感器器件，了解它們的主要特點和性能。 2、 能了解絕對式和增量式光電編碼器的基本知識。 3、會用光電編碼器測量位移。 4、 能了解光柵傳感器的組成和結(jié)構(gòu)。 5、能理解莫爾條紋測量位移的原理。 6、 能了解磁柵傳感器的組成和特點。了解磁柵、磁頭的結(jié)構(gòu)和工作原理。 7、能理解自感式電感傳感器和差動變壓器的工作原理、測量電路及應(yīng)用電路。 作業(yè)： （1）　差動變壓器的零點殘余電壓能徹底消除嗎？ （2）　試分析差動變壓器與一般電源變壓器的異同。 說明： 1.?每項頁面大小可自行添減，可按節(jié)或課設(shè)計填寫。 2.?課次為授課次序，填1、2、3……。 3.?授課方式主要包括填理論課、實驗課、討論課、習(xí)題課等。 4.?方法及手段如：舉例講解、多媒體講解、模型講解、實物講解、掛圖講解、音像講解等。 5.其他內(nèi)容要求結(jié)構(gòu)完整，邏輯清晰，具體詳細。