四速度检测概要文档格式.docx
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任务实施→检查评价
【教学组织】
清点人数→提问复习→提出任务→讲授知识→完成任务→检查评价→布置作业
教学地点
教学仪器设备
教学楼402;
教学楼301;
实训室
霍尔转速传感器、CGQ-05转动源模块、可调电源2-24V、频率/转速表
教学及参考资料
练习与习题
《传感器与检测技术》
学习情境四速度检测
任务一:
一、任务提出
在各种车辆的运转、机械设备的运行中,都需要对转速进行检测。
检测速度的方法通常有霍尔传感器测速、电涡流测速、磁电感应测速、光电测速、光电编码器数字测速和测速发电机模拟测速等。
二、知识准备
霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器,将被测量(如电流、磁场、位移、压力、压差、转速等)转换成电动势输出的传感器。
霍尔器件可用于监视和测量汽车各部件运行参数的变化。
例如位置、位移、角度、角速度、转速等等,并可将这些变量进行二次变换;
可测量压力、质量、液位、流速、流量等。
霍尔器件输出量直接与电控单元接口,可实现自动检测。
霍尔式传感器结构简单、体积小、坚固、频率响应宽、动态范围大、非接触、使用寿命长、可靠性高、易于微型化和集成化。
在测量技术、自动化技术和信息处理得到了广泛的应用。
(一)霍尔传感器的外形结构与性能
1.外形
按其原理和用途:
分为物理光栅和计量光栅。
按其透射形式:
分为透射式光栅和反射式光栅。
透射式光栅用光学玻璃作基体,在上面均匀的刻画出等间距、等宽度的条纹,刻画的地方为黑,不透光;
没有刻画的地方为白,透光,形成连续的透光区和不透光区。
反射式光栅是用不锈钢作基体,用化学方法在其上用化学方法制作出黑白相间的条纹,形成强反光区和不反光区。
2.霍尔元件的结构和符号
(1)霍尔片
霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片,在它的长度方向两端面上焊有a、b两根引线,称为控制电流端引线,通常用红色导线。
其焊接处称为控制电流极。
在薄片的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有c、d两根霍尔输出引线,通常用绿色导线,其焊接处称为霍尔电极即输出电极。
霍尔元件的壳体上是用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。
(2)霍尔元件外形、符号
(二)霍尔传感器的工作原理
1.霍尔效应
1879年美国物理学霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应。
霍尔效应就是,如果对位于磁场(B)中的导体施加一个电压(V),该磁场的方向垂直于所施加电压的方向,那么则在既与磁场垂直又和所施加电流方向垂直的方向上会产生另一个电压(EH),人们将这个电压叫做霍尔电压,产生这种现象被称为霍尔效应。
磁感应强度B较小时的情况,作用在半导体薄片上的磁场强度B越小,霍尔电势也就越低。
UH=SHIB
其中,SH为霍尔元件的灵敏度。
2.霍尔元件产生的霍尔电压大小的决定因素
由于UH=KHIB,所以霍尔元件产生的霍尔电压主要由3个方面的因素决定:
(1)电流大小
(2)磁场的强度
(3)霍尔元件的物理尺寸
3.霍尔元件
(1)锗(Ge),N型及P型均可。
(2)硅(Si),N型及P型均可。
(3)砷化铟(InAs)和锑化铟(InSb),这两种材料的特性很相似。
(三)霍尔传感器的测量电路及补偿
1.霍尔传感器的测量电路
2.温度误差及补偿
霍尔元件对温度的变化很敏感,因此,霍尔元件的输入电阻、输出电阻、乘积灵敏度等将受到温度变化的影响,从而给测量带来较大的误差。
(1)选用温度系数小的元件
(2)采用恒温措施
(3)采用恒流源供电
3.零位特性及补偿
(1)零位特性
零位特性是指在无外加磁场或无控制电流的情况下,元件产生输出电压的特性。
(2)零位误差
零位误差是零位特性产生的误差。
(3)不等位电压
霍尔元件的激励电流为额定电流IN且磁感应强度为零时,所测到的空载霍尔电压UO称为不等位电压。
不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级,有时甚至超过霍尔电势。
实用中,若想消除不等位电势是极其困难的,因而只有采用补偿的方法。
(4)不等位电阻
不等位电阻RO=UO/IN。
不等位电势由不等位电阻产生,因此可以用分析电阻的方法找到一个不等位电势的补偿方法。
不对称补偿电路对称补偿电路
(四)霍尔集成传感器
用集成电路技术将霍尔元件、放大器、温度补偿电路、施密特触发器和稳压电源等电路集成在一个芯片上,就构成了霍尔集成传感器。
按照输出信号的形式,可分为开关型和线性型两种。
霍尔线性集成传感器由霍尔元件、放大器、差分输出电路和稳压电源组成。
霍尔开关集成传感器由霍尔元件、放大器、施密特触发器、输出三极管和稳压电源组成。
三、任务实施
(一)合理选择霍尔传感器
机床转轴的转速测量选用霍尔开关集成传感器。
(二)正确使用霍尔传感器
通过霍尔转速传感器测速实验学会霍尔传感器的使用方法。
(三)霍尔转速传感器测速实验
1.实验目的
掌握霍尔转速传感器测量转速的原理和方法。
2.基本原理
根据霍尔效应表达式:
UH=KHIB,当KHI不变时,在转速圆盘上装上N只磁性体,并在磁钢上方安装一霍尔元件。
圆盘每转一周经过霍尔元件表面的磁场B从无到有就变化N次,霍尔电势也相应变化N次,此电势通过放大、整形和计数电路就可以测量被测旋转体的转速。
3.实验步骤
(1)根据图将霍尔转速传感器装于转动源的传感器调节支架上,探头对准转盘内的磁钢。
(2)将主控箱上的+5V直流电源加于霍尔转速传感器的电源输入端,红(+)、绿(⊥),不要接错。
(3)将霍尔转速传感器输出端(黄线)插入数显单元fin端,转速/频率表置转速档。
(4)将主控台上的+2V—+24V可调直流电源接入转动电机的+2V—+24V输入插口(2000型)。
调节电机转速电位器使转速变化,观察数显表指示的变化。
四、检查评价
1.学生对自己和小组成员的工作态度和过程质量进行评价。
2.检查任务完成情况,并派学生代表演示实验的现象及结果。
3.对学生的工作情况和工作结果进行检查、点评和总结。
4.实训报告。
课后分析及小结
教研室主任签名
累计课时
34
12
1.霍尔传感器的工作原理是什么?
2.归纳复习霍尔传感器的相关知识。
机床转轴的转速检测(磁电传感器)
2
1.理解磁电传感器的工作原理
2.掌握磁电传感器的特性及结构形式
3.掌握磁电传感器的转换电路
4.熟悉磁电传感器的的应用
1.磁电感应式传感器的工作原理
2.磁电感应式传感器的测量电路
磁电感应式传感器的测量电路
知识准备→
教学楼409;
教学楼403
任务二:
一、知识准备
磁电感应传感器又称磁电传感器,是利用电磁感应原理将被测量(如振动、位移、转速等)转换成电信号的一种传感器。
磁电传感器不需要辅助电源,就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号,是一种有源传感器。
由于它输出功率大,且性能稳定,具有一定的工作带宽(10~1000Hz),所以得到普遍应用。
(一)磁电传感器的工作原理
根据法拉第电磁感应定律,N匝线圈在磁场中运动切割磁力线或线圈所在磁场的磁通变化时,线圈中所产生的感应电动势e的大小决定于穿过线圈的磁通量Φ的变化率,即
磁通变化率dΦ/dt与磁场强度、磁路磁阻、线圈的运动速度有关,故若改变其中一个因素,都会改变线圈的感应电动势。
1.线圈在恒定均匀磁场作直线运动并且切割磁感线
线圈两端感应电动势:
当=90°
时,
2.线圈相对磁场旋转切割磁感线
线圈两端感应电动势:
结论:
当N、B、A和k(传感器结构已定)均为常数时,感应电动势与线圈和磁场的相对运动速度V或者角速度ω成正比。
(二)磁电传感器的分类
按工作原理不同,磁电传感器可分为恒定磁通式和变磁通式,即动圈式传感器和磁阻式传感器。
1.变磁通式磁电传感器
用导磁材料制成的物体运动时,改变磁路的磁阻,因而改变贯穿线圈的磁通量,使线圈产生感应电动势。
典型的应用为用作转速的测量。
2.恒磁通式磁电传感器
恒磁通式磁电传感器的基本形式是速度传感器,能直接测量线速度或角速度。
如果在其测量电路中接入积分电路或微分电路,那么还可以用来测量位移或加速度。
二、任务实施
(一)合理选择磁电传感器
由上可知,磁电传感器有变磁通式和恒磁通式两种类型。
用于测速的传感器一般使用变磁通式传感器。
(二)正确使用变磁通式磁电传感器
1.磁电式转速传感器的结构
磁电式转速传感器根据磁路不同,分为开磁路式和闭磁路式两种。
(a)开磁路
开磁路结构简单,空气磁阻大。
(b)闭磁路
磁回路由转轴、内外齿轮、线圈回到磁铁闭合。
当转轴与被测轴一起转动时,转轴上的内齿轮和磁铁一起转动,内外齿轮的相对运动使磁路气隙发生变化,因而磁阻变化并使穿过线圈的磁通量发生周期性变化,在线圈中产生周期变化的感应电势。
其特点是磁路磁阻小,输出信号大,受被测轴振动干扰小,但是结构比较复杂。
2.开磁路变磁通式转速传感器
(1)工作原理框图
齿轮转动→气隙交替变化→磁阻变化→磁通变化→产生感应电动势
(2)工作原理
1.永久磁铁2.软磁铁3.感应线圈4.测量齿轮
线圈、磁铁静止不动,测量齿轮安装在被测旋转体上,随被测体一起转动。
每转动一个齿,齿的凹凸引起磁路磁阻变化一次,磁通也就变化一次,线圈中产生感应电势,其变化频率等于被测转速与测量齿轮上齿数的乘积。
这种传感器结构简单,但输出信号较小,且因高速轴上加装齿轮较危险而不宜测量高转速的场合。
3.闭磁路变磁通式转速传感器
1.永久磁铁2.软
磁铁3.感应线圈4.测量齿轮5.内齿轮6.外齿轮7.转轴
闭磁路变磁通式传感器,它由装在转轴上的内齿轮和外齿轮、永久磁铁和感应线圈组成,内外齿轮齿数相同。
当转轴连接到被测转轴上时,外齿轮不动,内齿轮随被测轴而转动,内、外齿轮的相对转动使气隙磁阻产生周期性变化,从而引起磁路中磁通的变化,使线圈内产生周期性变化的感应电动势。
显然,感应电势的频率与被测转速成正比。
(三)磁电传感器基本测量电路
磁电式传感器直接输出感应电势,且传感器通常具有较高的灵敏度,所以一般不需要高增益放大器。
但磁电式传感器是速度传感器,若要获取被测位移或加速度信号,则需要配用积分或微分电路。
当测量电路接入磁电传感器电路时,磁电传感器的输出电流I为:
传感器的电流灵敏度为:
传感器的输出电压:
电压灵敏度:
由上式知,B值大,灵敏度也大,因此要选用B值大的永磁材料;
线圈的平均长度大也有助于提高灵敏度。
三、检查评价
根据出勤情况、上课情况、回答问题质量及作业完成质量综合评价本任务的教学效果。
36
13
1.我们已学过哪几种检测速度的传感器?
其工作原理各是什么?
2.磁电传感器有几种?
有什么不同?
机床转轴的转速检测(光电传感器)
1.了解光电传感器的特点和结构
2.掌握光电效应及其产生原因
3.掌握光电传感器的应用
1.光电效应的三种类型及其产生原因
2.光电传感器的应用
光电传感器的应用
光电转速传感器、+5V直流电源、CGQ-05转动源、2-24V可调电源、转速/频率表
学习情境五速度检测
任务三:
光电传感器是采用光电元件做为检测元件的传感器。
它首先把被测量的变化转换成光信号的变化,然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。
光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。
光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点,而且可测参数多,传感器的结构简单,形式灵活多样,因此在检测和控制领域内得到广泛应用。
(一)光电传感器的工作原理
用光照射某一物体,可以看做是一连串光子轰击在这个物体上,此时光子能量就传递给电子,并且是一个光子的全部能量一次性地被一个电子所吸收,电子得到光子传递的能量后其状态就会发生变化,从而使受光照射的物体产生相应的电效应,我们把这种物理现象称为光电效应。
光电效应分为三类。
1.外光电效应
在光线的作用下,物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。
向外发射的电子叫做光电子。
基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。
2.内光电效应
当光照射在物体上,使物体的电阻率ρ发生变化的现象叫做内光电效应,
基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏晶体管等。
3.光伏效应
在光线作用下,物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应。
基于光生伏特效应的光电元件有光电池等。
(二)光电元件
1.基于外光电效应的光电元件
(1)光电管
光电管由一个阴极和一个阳极构成,并且密封在一只真空玻璃管内。
阴极装在玻璃管内壁上,其上涂有光电发射材料。
阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形,置于玻璃管的中央。
当阴极受到适当波长的光线照射时便发射电子,电子被带正电位的阳极所吸引,在光电管内就有电子流,在外电路中便产生了电流。
(2)光电倍增管
光电阴极→光电倍增极 →阳极
倍增极上涂有Sb-Cs或Ag-Mg等光敏材料,并且电位逐级升高。
阴极发射的光电子以高速射到倍增极上,引起二次电子发射。
在入射光极为微弱时,光电管能产生很小的光电流。
组成:
光电阴极+若干倍增极+阳极
2.基于内光电效应的光电元件
(1)光敏电阻
当无光照时,光敏电阻值(暗电阻)很大,电路中电流很小;
当有光照时,光敏电阻值(亮电阻)急剧减少,电流迅速增加。
暗电流:
光敏电阻在室温条件下,在全暗后经过一定时间测量的电阻值,称为暗电阻。
此时流过的电流,称为暗电流。
亮电流:
光敏电阻在某一光照下的阻值,称为该光照下的亮电阻。
此时流过的电流为亮电流。
光电流:
亮电流与暗电流之差。
光敏电阻的暗电阻越大,而亮电阻越小则性能越好。
也就是说,暗电流越小,光电流越大,这样的光敏电阻的灵敏度越高。
(2)光电二极管
光电二极管的结构和普通二极管相似,只是它的PN结装在管壳顶部,光线通过透镜制成的窗口,可以集中照射在PN结上。
光电二极管在电路中通常处于反向偏置状态。
PN结加反向电压时,反向电流的大小取决于P区和N区中少数载流子的浓度,无光照时P区中少数载流子(电子)和N区中的少数载流子(空穴)都很少,因此反向电流很小。
但是当光照PN结时,会在PN结及其附近产生光生电子—空穴对,从而使P区和N区少数载流子浓度大大增加,使反向电流明显增大。
如果入射光的照度变化,光生电子—空穴对的浓度将相应变动,通过外电路的光电流强度也会随之变动,光电二极管就把光信号转换成了电信号。
(3)光电三极管
光电三极管与一般三极管很相似,具有两个PN结。
把光信号转换为电信号同时,又将信号电流加以放大。
光电三极管无光照时仅有很小的穿透电流流过,当有光照时将使流过集电结的反向电流增大,这就造成基区中正电荷的空穴的积累,发射区中的多数载流子(电子)将大量注人基区,由于基区很薄,只有一小部分从发射区注入的电子与基区的空穴复合,而大部分电子将穿过基区流向与电源正极相接的集电极,形成集电极电流。
这样集电极电流将随入射光照度的改变而更加明显地变化。
3.基于光伏效应的光电元件——光电池
光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件。
由于它可把太阳能直接变电能,因此又称为太阳能电池。
它是基于光生伏特效应制成的,是发电式有源元件。
它有较大面积的PN结,当光照射在PN结上时在结的两端出现电动势。
硅光电池是在一块N型硅片上用扩散的办法掺入一些P型杂质形成PN结。
当光照到PN结区时,如果光子能量足够大,将在结区附近激发出电子-空穴对,在N区聚积负电荷,P区聚积正电荷,这样N区和P区之间出现电位差。
若将PN结两端用导线连起来,电路中有电流流过,电流的方向由P区流经外电路至N区。
若将外电路断开,就可测出光生电动势。
(三)光电传感器的组成及原理
(一)合理选择光电传感器
要检测转速,可以选择光电晶体管。
(二)正确使用光电传感器
利用光电晶体管测速有以下两种:
1.遮断型
1.转盘2.发光管3.光电二极管
遮断型是在待测转速轴上固定一带孔的转速调置盘,在调置盘一边由白炽灯产生恒定光,透过盘上小孔到达光敏二极管组成的光电转换器上,转换成相应的电脉冲信号,经过放大整形电路输出整齐的脉冲信号,转速由该脉冲频率决定。
(2)反射型
在待测转速的轴上固定一个涂上黑白相间条纹的圆盘,它们具有不同的反射率。
当转轴转动时,反光与不反光交替出现,光电敏感器件间断接收光的反射信号,转换为电脉冲信号。
(三)光电转速传感器的转速测量
掌握光电转速传感器测量转速的原理及方法。
光电式转速传感器有反射型和直射型两种,本实验装置是反射型的,传感器端部有发光管和光电管,发光管发出的光源在转盘上反射后由光电管接收转换成电信号,由于转盘上有黑白相间的12个间隔,转动时将获得与转速及黑白间隔数有关的脉冲,将电脉冲计数处理即可得到转速值。
(1)光电转速传感器安装如图所示,在传感器支架上装上光电转速传感器,调节高度,使传感器端面离平台表面2-3mm,将传感器引线分别插入相应的插孔,其中红色接入直流电源+5V,黑色为接地端,蓝色输入主控箱Fin,转速/频率表置“转速”档。
(2)将可调电源2-24V接到转动源24V插孔上。
(3)合上电源开关,使电机转动并从转速/频率表上观察电机调速。
如显示转速不稳定,可调节传感器的安装高度。
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- 速度 检测 概要
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