《传感器与检测技术》全套教案.docx
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《传感器与检测技术》全套教案
!
知识目标:
掌握接近开关的基本工作原理,了解各种接近开关的环境特性及使用方法,掌握应用接近开T丨关进行工业技术检测的方法
教学■
口hI能力目标:
对不同接近开关进行敏感性检测,使用霍尔接近开关完成转动次数的测量。
目标!
i素质目标:
■■■W■・Fr・・T・・*
教学
重点
.■该学…t难点i接近开关的基本工作原理
I
--一一^—--十一-——一一-一-一一---—一--.-—--_-一----教学]理实一体千輕丨实物讲解手段!
小组讨论、协作
接近开关的应用
教学!
学时丨10
教学内容与教学过程设计
1理论学习〗
项目一开关量检测
任务一认识接近开关
一、霍尔效应型接近开关
1.霍尔效应
霍尔效应的产生是由于运动电荷在磁场作用下受到洛仑兹力作用的结果。
把N型半导体薄片放在磁场中,通以固定方向的电流i图1-2霍尔效应
么半导体中的载流子(电子)将沿着与电流方向相反的方向运动。
如图1-2所示,i
||
(从a点至b点),那\
I讲解霍尔效应基i本原理,及霍尔电
I动势。
2.霍尔元件
霍尔元件的结构简单,由霍尔片、四根引线和壳体组成,如图
1-3
所示。
图1-3霍尔元件
—H■——=HHH—H■■HHHH—HI
3.霍尔原件的性能参数
1)额定激励电流
2)灵敏度KH
3)输入电阻和输出电阻
4)不等位电动势和不等位电阻
5)寄生直流电动势
6)霍尔电动势温度系数
4.霍尔开关
霍尔开关是在霍尔效应原理的基础上,利用集成封装和组装工艺制作而成,可把磁输入信号转换成实际应用中的电信号,同时具备工业场合实际应用易操作和可靠性的要求。
图1-6霍尔开关
5.霍尔传感器的应用
1)霍尔式位移传感器
它不仅用于磁感应强度、
霍尔元件具有结构简单、体积小、动态特性好和寿命长的优点,有功功率及电能参数的测量,也在位移测量中得到广泛应用。
蒞H尤{牛
吐n惑坳强屢曲同的传黑器
霜晦疋件
\
-Av
骷]罰腋的怖楞传想器
雷耳朮件
At
畑铀构柑同的拉牌传感盟
1了解霍尔传感器
I
i的应用。
1-7霍尔式位移传感器的工作原理图
2)霍尔式转速传感器
图1-8所示的是几种不同结构的霍尔式转速传感器。
U)
2
图1-8几种霍尔式转速传感器的结构
3)霍尔计数装置
图1-9所示的是对钢球进行计数的工作示意图和电路图。
当钢球通过霍尔开关传感器
时,传感器可输出峰值20mV的脉冲电压,该电压经运算放大器(卩A741)放大后,驱动半导
—H■———H■■HH—H■■■HHHH—HHH—H■■HHHH—H■•■H-H■HM・・■■—H■■—■HH■1H-HH—H■■——H■■HH—H^KH■■I
体三极管VT(2N5812)工作,输出端便可接计数器进行计数,并由显示器显示检测数值。
*12V
〔帕电裁图
图1-9霍尔计数装置
二、光电效应型接近开关
1.光电效应
光照射到某些物质上,引起物质的电性质发生变化,这类光致电变的现象统称为光电效应,如图1-10所示。
2.光电管
光电管的典型结构如图
全*
,严
图1-10
光电效应
电=PJ
么
U
1-11所示。
I掌握光电管的街
I头,区分两种光电
I管的伏安特性曲i线。
6.
IHHHH—H■■HHH—H■H=——■■—H■■■■■■HH—HI
图1-11光电管的典型结构
3.光电倍增管
电倍增管是一种常用的灵敏度很高的光探测器,顾名思义是把微弱光信号转变成电信号且进行放大的器件,光电倍增管的典型结构和工作原理如图1-14所示。
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L---□丄
K
A
仙姑梅山)【:
件匝那
图1-14光电倍增管的典型结构和工作原理
结合图片讲解电倍增管的典型结构和工作原理。
4.光敏电阻
光敏电阻是一种基于光电效应制成的光电器件,光敏电阻没有极性,相当于一个电阻器件。
光敏电阻的测量原理如图1-16所示。
电流
■
Of
图1-16光敏电阻的测量原理
5.光电二极管和光电三极管
光敏二极管的结构与一般的二极管相似,其PN结对光敏感。
将其PN结装在管的顶部,
上面有一个透镜制成的窗口,以便使光线集中在PN结上。
光敏二极管是基于半导体光生伏
特效应的原理制成的光电器件。
光敏二极管的结构和工作原理如图1-18所示。
—
jfc^—機管
Ur
〔叫结构
lb)
图1-18
光敏二极管的结构和工作原理
光电耦合器件
1)光电耦合器
结合图片讲解光电耦合器常见的组合形式。
光电耦合器的发光和接收元件都封装在一个外壳内,一般有金属封装和塑料封装两种。
光电耦合器常见的组合形式如图1-21所示。
JI
4
(hJ
(th
图1-21光电耦合器常见的组合形式
2)光电开关
光电开关(光电传感器)是光电接近开关的简称,它是利用被检测物对光束的遮挡或反射,由同步回路选通电路,从而检测物体有无的。
三、感应型接近开关
感应式传感器也称为涡流式传感器,由振荡器、开关电路及放大输出电路三部分组成。
振荡器产生一个交变磁场,当金属目标接近这一磁场,并达到感应距离时,在金属目标内产生涡流,涡流反作用于接近开关,使接近开关振荡能力衰减,内部电路的电磁感应参数发生变化,由此识别出有无金属物体接近,进而控制开关的通断。
传感器激柚纸罔
;I
i
心1
Y久_
w
1]
结合图片讲解感I应接近开关原理。
丄応渦涼儼场
L
h
怕}感底传感肚的原円
图1-24感应接近开关原理任务二接近开关的应用
(一)
一、开关电源的基础知识
1.主电路主电路包含的主要功能模块如下。
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
山朋应按近JF対瀏构
冲击电流限幅。
限制接通电源瞬间输入侧的冲击电流。
输入滤波器。
其作用是过滤电网存在的杂波及阻碍本机产生的杂波反馈回电网。
整流与滤波。
将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电。
逆变。
将整流后的直流电变为高频交流电,这是高频开关电源的核心部分。
输出整流与滤波。
根据负载需要,提供稳定可靠的直流电源。
!
掌握开关电源的
I基础知识。
2.控制电路
控制电路一方面从输出端取样,与设定值进行比较,然后去控制逆变器,改变其脉宽或脉频,使输出稳定;另一方面,根据测试电路提供的数据,经保护电路鉴别,提供控制电路对电源进行各种保护措施。
3.检测电路
检测电路提供保护电路中正在运行中的各种参数和各种仪表数据。
4.辅助电源!
二、开关电源的选择与使用i
I使用上,开关电源工作效率一般可达到80%^上,远高于一般稳压器35%~60的转换效率,1
故在其输出电流的选择上,应准确检测或计算用电设备的最大吸收电流,并且按照此电流的1
1.5~1.8倍选择开关电源的额定电流或者功率,以使被选用的开关电源具有高的性价比。
I
任务三接近开关的应用
(二)i
一、数显表简介!
数显表输入信号一般为开关量和模拟量,信号经过计数电路或者模/数转换(A/D转换),I
采用数码发光二极管(LED)或液晶屏幕来完成显示功能,作为检测器件的显示终端和人机界i
I面。
!
二、数显表规格与应用
1.东崎SV8智能传感器和变送器控制专用数显表
其特点有以下几点。
(1)开关电源100~240VAC供电。
(2)输入多种标准信号,有使用软件自动进行调节。
具有小数点设定、比率、带隔离变送功能,隔离
i了解不同种类数
I
I显表的规格及特0~50mV、0~10V、4~20mA、可变电阻、TC/RTD等,并能]点。
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
量程及零点自由调整功能。
485通信功能。
带24/12VDC辅助电源,两路报警输出。
精度等级为±0.3%FS。
应用范围有二线制变送器、压力传感器、四线制称重传感器等,具有
mAmV和Vi
输出或者电阻类检测的传感器检测设备。
2.DTR600系列智能光柱调节仪
!
能够正确选用数
I
i显表。
其特点是:
有万能输入功能,自动校准和人工校准功能;多重保护、隔离设计、抗干扰能力强;可靠性高;有良好的软件平台;具备二次开发能力,以满足特殊的功能;具有模块化结构,功能组合、系统升级方便。
三、数显表的选用
挑选一个适用、经济和性价比最佳的数显表与设备配套应从以下几个方面考虑。
(1)如果旧设备改造,需要充分了解原来设备的用途、型号、原来使用表头的外形尺寸和型号、配合的传感器等,这是进行设备改造的基础。
(2)若是研制新型产品,需要设定检测需要达到的目标值。
包括需要检测控制的最小值和
最大值;需要达到的控制精度,如果普通试验室的烘箱为±1.0C,而基准温度使用的恒温
槽为±0.005C;结构安装尺寸,在相同条件下,尽可能选用表盘较大的显示仪表,容易观察和读数;考虑传感器情况;考虑工作电源;考虑通信接口等。
〖实训〗
1.
接近开关的特性检测
2.
接近开关对不同材料的敏感性检测
3.
使用接近开关检测转动次数
〖思考与练习〗
1.设想一个使用光电接近开关测量转速的方案。
2.使用数显表配合接近开关设计一个方案,测量传送带上输运物料的个数。
3.上网查找一个接近开关的生产厂家,并介绍其生产接近开关的型号和应用场合。
i知识目标:
教学
能力目标:
认识各种位移传感器及其检测适应性,装配使用光栅尺位移传感器应用系统,使用无接触超
目标
声波位移传感器实现基本一维定位
了解位移传感器检测的一般方法,掌握各种位移传感器的量程、精度等检测性能,掌握直线
1型位移传感器的使用方法,掌握无接触状态下的位移传感器的使用方法
1素质目标:
教学
重点
I各种位移传感器及其检测适应性
教学
难点
光栅尺位移传感器应用系统
教学
i理实一体
手段
I实物讲解
i小组讨论、协作
教学
学时
11
教学内容与教学过程设计
1理论学习〗
项目二位移检测
任务一认识位移传感器
一、电阻尺!
将被测量转换为电阻变化是电阻传感器的基本思路,电阻式位移传感器由位移转换为电I
阻的原理如图2-1(a)所示。
对于一般的导体电阻有如下公式R=pIS(2-1)式中,R为电阻|
阻值(Q);卩为电阻率(Q-mm;I为导体长度(mm;S为导体截面积(mm2。
|
电刷滑动时,导线是一圈一圈被接入的,长度变化是不连续的,其与电刷滑动量之间呈I
现阶跃特性。
这种跃变限定了变阻器的静态灵敏度,而动态灵敏度则由电刷的质量或转动惯I
量决定,变阻器的跃变特性如图2-1(b)
——I'
柏皿阳器J见1!
i了解电阻尺的产I生过程。
变阻器原理及其特性I
需要注意的是,使用滑线变阻器进行位移检测时,电刷滑动时会产生动态接触电阻,接I
触电阻阻值一般不确定,这会对检测精度产生难以忽略的影响。
I
为改善以上两个问题,工业中通常使用直线导电塑料作为变阻器材料,消除了阶跃误差效应,i将变阻器和电刷施加一定的预紧力装配成一个部件,外加金属封装,形成如图2-2所示的电I
阻尺,又称为导电塑料电位计或电压分配计等。
I
图2-1
小的媚」划曲[尺
图2-2电阻尺
二、感应同步器
感应同步器是利用电磁原理将位移转换成电信号的一种装置。
根据用途可将感应同步器分为直线式和旋转式两种,分别用于检测线位移和角位移。
在高精度数字显示系统或数控闭环系统中,圆盘式感应同步器用以检测角位移信号,直线式感应同步器用以检测线位移信号。
图2-5所示为感应同步器在机床定位中的应用示例。
i学生分组讨论感
I
1应同步器的有点,
I教师总结。
I
如图2-6所示为感应同步器原理,感应同步器由两个磁耦合部件组成,其工作原理类似于一个多极对的正余弦旋转变压器。
希尺
自號删正強
图2-6感应同步器原理
I结合图片讲解感
!
应同步器原理。
如图2-8所示,脉冲发生器发出频率一定的脉冲系列,输出参考信号方波和指令信号方
波,指令信号方波使励磁供电线路产生振幅频率相同而相位差为90。
的正弦信号电压和余弦
信号电压,供给感应同步器滑尺或者定尺绕组。
在定尺上产生感生电动势,经过放大整形后的信号同样为方波信号,反馈至鉴相器与参考信号进行比较。
鉴相器输出是感应电动势与参考信号的相位差,即对应的位移值。
变换器
JJL_1,
Sin
■
Cos
iim'i号址
感应同册器、
指乍信号
兀器
图2-8感应同步器的鉴相控制示例
三、磁栅尺
与录音技术相似,通过记录磁头在磁性尺(或盘)上录制出间隔严格相等的磁波,称为磁栅。
图2-9磁栅尺
磁栅的一个重要特点是磁栅尺与磁头处于接触式的工作状态。
磁栅的工作原理是磁电转换,为保证磁头有稳定的输出信号幅度,考虑到空气的磁阻很大,磁栅尺与磁头之间不允许存在较大和可变的间隙,最好是接触式的。
因此,带型磁栅在工作时磁头是压在磁带上的,这样即使带面有些不平整,磁头与磁带也能良好的接触。
线型磁栅的磁栅尺和磁头之间约有0.01mm的间隙,由于装配和调整不可能达到理想状态,故实际上线型磁栅也处于准接触式的工作状态。
i教师讲解磁栅的
I
!
工作原理,学生分
i析其特点。
四、光电编码器I
1.增量式光电编码器I
增量式光电编码器由光栅盘(码盘)和光电检测装置组成。
光栅盘是在一定直径的圆板I
上等分地开通若干个长方形孔。
由于光电编码盘自身有旋转轴,当旋转轴旋转时,经光电二I
极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号,通过计算每秒光电编码器输出脉冲i
的个数就能反映编码器轴的转速或者加速度。
光电编码器系统结构如图2-12所示。
为判断旋I
A、B相,如图2-13外圈和中圈虚线所示。
另外,Z相发出零位脉冲,作为转动的起始点,如图
转方向,码盘提供相位差90°的两组透光孔,组成辨向系统,通过电路判断正转还是反转,1
在一般的光电编码系统中,这两组编码称为为了实现定位,增加了Z相作为基准,由
13内圈虚线所示。
光譚
码盘
A
U'—''—'恸卩输出
-JUUI
转轴
图2-12光电编码器系统结构
!
教师讲解增
I
I量式光电编码器!
和绝对式光电编
I
I码器原理,学生分
I组讨论两者的不
■
i同。
图2-13A、B、Z三相光电编码盘
2.绝对式光电编码器原理除了增量式光电编码器之外,
还有一种绝对式光电编码器,
其原理如图
2-14所示。
]| IQ]I (MilI Kt10 01)10 IIIU 01I业 'U'lI I(MM)(HMK) Hr IlOOOlrttl ⑻『徂阴R ⑹检测WlM图 图2-14绝对式光电编码器原理 任务二直线型光栅位移传感器的应用 一、光栅尺 光栅是一种在基体上刻制有等间距均匀分布条纹的光学元件,用于位移检测的光栅称为计量光栅。 光栅尺外形如图2-16所示, 透射光栅的光路如图2-17所示,从上向下透过两个光栅在光电传感器上产生莫尔条纹,通过光电传感器的明暗变化次数实现检测。 莫尔条纽 充电传IS耦 透射光栅的光路 图2-17 腎OI 1.光栅检测原理莫尔条纹有如下重要特性。 对线纹的刻画误差有平均抵消作用,能在很 1掌握光栅传感器 (1)莫尔条纹由光栅的大量刻线共同形成, ■HH■—HHH—H■■HHHH—H■—■■H—H■■H■■■HH■■H—H■■1—H■■HH—HH■HHH—H■■I ! 的组成及原理。 大程度上消除短周期误差的影响。 也就是说,光栅上刻画的条纹误差对明暗条纹的影响相对降低,这样可更容易制造光栅。 (2)两个光栅相对运动时(光栅条纹的垂直方向),莫尔条纹也在上下运动,移动一个 栅距(两个光栅条纹之间的距离),在光电传感器上某一点的光强也变化一个周期。 (3)莫尔条纹的间距与两个光栅条纹夹角的关系为B=W2sin02-W(2-5)式中,B为| 莫尔条纹的间距(m);W为光栅栅距(m);0为两个光栅之间的夹角(°)。 i 光电元件接收莫尔条纹移动时光强的变化,则将光信号转换为如图2-18所示的光强信1 号,图2-18光栅位移明暗位置与光强之间的关系在光电传感器件的固定位置上,光强弱的信i 号实际上是由明暗位置关系决定的(如图2-18上部所示某一光电器件部位的光接收信号,黑I 色代表无光,白色代表有光)。 i 图2-18光栅位移明暗位置与光强之间的关系 2.辨向原理 为了判断方向,可以使用两套光电转换装置。 令它们在空间的相对位置有一定的关系, 从而保证它们产生的信号在相位上相差1/4周期,如图2-19所示,标尺光栅可分为上下两个 部分,两个部分栅距相同,下光栅比上光栅错后1/4栅距,即1/4周期。 同样,在接收光强 的地方设置两个光电传感器,分别为光敏元件1和光敏元件2。 图2-19两个相位差1/4周期的标尺光栅 如图2-20所示,当光栅正向移动时,光敏元件2比光敏元件1先感光,此时,与门 有输出,它控制加减触发装置,使可逆计数器的加法母线为高电位。 Y1! 图2-20辨向系统流程 I结合图2-20讲解i辨向系统流程。 3.细分技术简介 二、光栅检测系统的几个关键问题 1.检测精度 —HH■—HH■■KM—H■■■HHHH—H■HH—H■■HHHH■B—H■VHH—H—■—■HHn■■H—H■H■■HH—H^KH■■H■=HH 光栅线位移传感器的检测准确度,首先取决于标尺光栅刻线划分度的质量和指示光栅扫描的质量(栅线边沿清晰至关重要),其次才是信号处理电路的质量和指示光栅沿标尺光栅导向的误差。 影响光栅尺检测准确度的因素主要是在光栅整个检测长度上的位置偏差和光栅一个信号周期内的位置偏差。 2.信号处理 为了保证检测的精度,除了对光栅的刻划质量和运动精度有要求外,还必须对光栅的莫尔条纹信号的质量加以要求,因为这影响电子细分的精度,也就是影响光栅检测信号的细分数(倍频数)和检测分辨力(检测步距)。 栅距的细分数和准确性也影响光栅检测系统的准确度和检测步距。 对莫尔条纹信号质量的要求主要是信号的正弦性和正交性要好,信号直流电平漂移要小。 对读数头中的光电转换电路和后续的数字化插补电路要求频率特性好,才能保证检测速度大。 3.光栅的参考标记和绝对坐标 1)光栅绝对位置的确立 I学生分组讨论光 I栅尺在使用过程j中经常出现的问 I题及解决方法。 为了缩短回零位的距离,一般设计了在检测全长内按距离编码的参考标记,每当经过两个参考标记后就可以确定光栅尺的绝对位置。 2)绝对坐标传感器 4.光栅制作材料及热性能 光栅尺在20C±0.1C的环境中制造,光栅的热性能直接影响到检测精度,在使用上,光栅尺的热性能最好和检测的对象的热性能一致。 考虑到不同的使用环境,光栅尺刻度的载体具有不同的热膨胀系数。 5.光栅尺故障及处理 三、光栅尺专用数显表头 光栅尺指示光栅所处在标尺光栅的位置显 图2-22所示为机床常用的光栅尺专用数显表, 示到如图所示的左上部分,分为x、y和z三个方向,据此可实现空间上三个坐标的定位。 图2-22光栅尺数显表任务三超声波位移传感器的工作特性超声波位移传感器 如图2-28所示为超声波传感器。 图2-28超声波传感器! 工业上,多将超声波传感器制成一体封装,类似于接近开关,输出模拟量,如图2-29I 所示。 超声波传感器的检测范围取决于其使用的波长和频率。 波长越长,频率越小,检测距i 离越大,如具有毫米级波长的紧凑型传感器的检测范围为300~500mmo波长大于5mm的传! 感器检测范围可达8一些传感器具有较窄的6°声波发射角,因而更适合精确检测较小的I 物体;另一些声波发射角在12°~15°的传感器能够检测具有较大倾角的物体。 i Ji y 图2-29工业测距超声波传感器 由于风、鼓风机、气动设备或其他来源的气流可以使超声波的传播方向偏转或扰乱其路径,如图2-30所示,这样传感器将不能识别目标物体的正确位置。 在某些情况下,可以加装防风挡板以减小影响。 还需要注意的是,一个垂直于声波轴的平直的目标物体将把大部分的能量反射回传感器。 随着角度的变大,传感器接收到的能量将减少。 在某一点上,传感器将不能“看到”目标物体,如图2-31所示。 因此,在检测过程中,需要注意调整超声波传感器检测头对检测面的姿态。 ! 分组讨论气流对 i超声波检测的影 ! 响。 图2-31反射面角度对超声波检测的影响 在检测时,超声波传感器引线为5条,如图2-33所示。 电源引线为棕线和蓝线,其中蓝 线为共地线,检测中,如果仅需要知道是否达到规定的距离,可以采用开关量检测,即黑色引线和棕色引线;如果需要采用白色引线和蓝色图2-34所示的传感器中的灯亮则表示为模拟量为开关量输出。 at NPN 12-24VIX ——+ fL|痢如I— ■11 斗卄誥址I——駅近界吐运/ 要检测具体的距离,则需引线。 具体的设置可在如通过按键进行设置,左侧输出,右侧的灯亮则表示 4-20ihAi'V(M0Vtx. 图2-33超声波传感器引线 U-GACt 图2-34设置检测输出端口 〖实训〗 1.认识电阻式位移传感器。 2.光栅尺精密位移检测系统。 3.超声波位移传感器的特性检测。 〖思考与练习〗 1.从网上查找生产电阻尺的生产厂家,试述各厂家的技术优势。 2.请设计一套光栅尺的检查规程,以保证光栅尺可以正常使用。 3.根据超声波传感器的实训过程,请设计超声波传感器的使用说明书。 教学 目标丨素质目标: 知识目标: 了解位移传感器检测的一般原理和使用条件,掌握各种位移传感器的量程和精度等检测性能;能力目标: 了解工业中常用的位移检测特点及位移传感器的基本选用原则, 教学 重点各种位移传感器的量程和精度等检测性能 教学. 雄片i各种位移传感器的量程和精度等检测性能难点教学! 理实一体 手段丨实物讲解 段小组讨论、协作教学 学时I
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