机器检测技术实训.doc

高 等 职 业 技 术 学 校机器检测技术实 践 教 学 指 导 书（适用于机电专业）宜 宾 职 业 技 术 学 院200602宜宾职业技术学院机器检测技术实 践 教 学 指 导 书适用于机电专业 制订人： 机电系陈琪一、机器检测技术实训的地位与作用机器检测技术实训是一门机电专业关于自动化测量与控制技术方面的应用性实践课。它既是对前面所学的专业知识特别是电子技术的综合运用和提升，同时又为电子、电气专业后继学习的控制应用课程奠定技术基础。二、实训目标与基本要求（一）目的：通过本实训，使学生熟悉各种传感器的结构特点、测量电路、应用范围及合理选用原则，在此基础上掌握其使用方法，学会对测量转换电路的调试方法，增强动手能力。能完成简单的控制系统分析、维护和开发，同时也扩展对传感器应用的一些实用技术和最新技术的了解。（二）基本要求：通过对应变式传感器测力实验、差分变压器式传感器位移测量实验、电涡流、电容式式传感器位移和转速测量实验、变面积电容传感器、霍尔式传感器位移和转速测量、光电式传感器转速测量、材料力学性能的测试实验的实践学习，达到进一步了解各式传感器的基本结构，掌握相应放大电路的调试方法及使用方法的目的。特别重视规范学生完成实验的过程，培养安全、科学的实践操作习惯。三、践教学组织、场地、主要设备仪器及性能简介（一）实践教学组织采用分组形式进行，四人或两人一组（最好两人）。（二）场地电子室2、控制实验室、材料实验室、自动检测实验室。（三）主要仪器设备及性能1、ZCY综合传感器实验仪；2、NIM-2000型数控系统综合实验台一套3、数字万用表；4、示波器；5、电阻加热器、差动电压放大器；6、液晶直流电压表；螺旋测微器四、实践教学项目及教学目标、要求序号单元名称细化项目实践学时项目（单元）教学目标、要求1数控系统位移检测装置的认识观察数控系统中旋转编码器及接近开关的应用4能识别常见的位移检测装置及接近开关，并能说出其用途；2应变式传感器测量实验观察分析仪应变式传感器结构、核心部件1了解应变式传感器的结构及其核心部件；了解应变式传感器的使用安全注意事项；能正确使用液晶直流电压表；掌握应变式传感器的正确安装 、接线方法；掌握应变式传感器的正确调试、测试数据读取方法； 应变式传感器的安装、接线、测试及数据读取43电容式传感器测量实验 观察差分电容式传感器结构、明确核心部件1了解电容式传感器结构、明确核心部件；了解使用电容式传感器的安全事项；能正确使用螺旋测微器；正确掌握电容式传感器的安装 、接线方法；正确掌握电容式传感器调试、测试读取数据；电容式传感器的安装、接线、测试及数据读取44热电偶校验实验观察热电偶结构、热电偶的安装 、接线、测试及数据读取0.5了解热电偶的结构；了解使用热电偶的安全事项；正确掌握热电偶的安装 、接线方法；正确掌握热电偶调试、测试读取数据；3.55实习考核综合考核2合计20五、项目指导课题一、数控系统位移检测装置的选择与使用（一）目的1、认识常见的位移检测装置（光栅、磁栅、旋转编码器、感应同步器）；2、了解各种位移检测装置的工作原理和用途；3、学会用数字示波器观察信号的波形。（二）实训仪器与设备1、NIM-2000型数控系统综合实验台一套2、数字万用表；3、数字示波器；4、SONY位移传感器与磁尺系统（GB系列磁栅尺）；5、光电式旋转编码器（2500线 A/B/Z相信号）；6、直线式感应同步器和旋转式感应同步器；7、常用工具：木柄起子两只、钳子两把。（三）相关知识概述位移检测装置是由检测元件（传感器）和信号处理装置组成的，用于实时测量执行部件的位移和速度信号，并变换成位置控制单元所要求的信号形式，将运动部件现实位置反馈到位置控制单元，以实施闭环控制。位移检测装置是闭环、半闭环进给伺服系统的重要组成部分。大量事实证明，对于设计完善的高精度数控机床，它的加工精度和定位精度将主要取决于检测装置，因此，精密检测装置是高精度数控机床的重要保证。通常检测装置的检测精度为，分辨率为：，能满足机床工作台以110m/min的速度移动。数控机床对检测装置的一般要求：1）工作可靠，抗干扰能力强2）能满足精度和速度要求3）使用维护方便，适合机床的工作环境4）成本低1、旋转变压器旋转变压器的工作原理与普通变压器基本相似，其中定子绕组作为变压器的一次侧，接受励磁电压。转子绕组作为变压器的二次侧，通过电磁耦合得到感应电压，只是其输出电压大小与转子位置有关。旋转变压器通过测量电动机或被测轴的转角来间接测量工作台的位移。常见的旋转变压器一般有两极绕组和四极绕组两种结构形式。两极绕组旋转变压器的定子和转子各有一对磁极，四极绕组有两对磁极。两极旋转变压器的工作原理如图1所示。图1 两极旋转变压器的工作原理图2、感应同步器感应同步器和旋转变压器均为电磁式检测装置，属模拟式测量，二者工作原理相同，其输出电压随被测直线位移或角位移而改变。直线式感应同步器测量直线位移，旋转式感应同步器测量角位移。直线式感应同步器定尺和滑尺绕组的节距相等，均为2，这是衡量感应同步器精度的主要参数。直线式感应同步器的结构如图2所示。图2 直线式感应同步器构造图图3所示为感应同步器在实际应用中与数显装置、放大器的连接与安装。感应同步器数显装置示意图 图3 感应同步器的应用3、光栅光栅是利用光学原理（莫尔条纹的形成原理）进行工作的位置反馈检测元件。常见的光栅从形状上可分为：圆光栅和长光栅，圆光栅主要用于角位移的检测，长光栅主要用于直线位移的检测。光栅是利用光的透射、衍射现象制成的光电检测元件，它主要由标尺光栅和光栅读数头两部分组成，通常，标尺光栅固定在机床的活动部件上（如工作台或丝杠），光栅读数头安装在机床的固定部件上（如机床底座）。注意：安装光栅时，要严格保证标尺光栅和指示光栅的平行度及两者之间的间隙要求。4、磁栅磁栅可分为长磁栅和圆磁栅两大类。前者用于测量直线位移，后者用于测量角位移。磁栅上的磁信号先由录磁头录好，然后由读磁头将磁信号读出。信号处理方式可分为鉴幅方式和鉴相方式两种。5、光电式旋转编码器旋转编码器是一种角位移传感器，它分为光电式、接触式和电磁感应式三种，其中光电式脉冲编码器是闭环控制系统中最常用的位置传感器。类型特性应用接触式结构简单、体积小、输出信号强、无需放大；机械接触磨损严重寿命短，转速和精度受限。一般场合光电式无接触磨损寿命长、运行转速高、精度较高；但是结构复杂、价格高、光源寿命短。应用较广泛，但是不可用在肮脏的工作环境电磁式无接触使用寿命长、转速高、精度很高，目前在数控机床上还少见应用，是一种很有发展前途的编码盘。应用前景广阔图4 光电式旋转编码器图4为编码器示意图旋转编码器有增量编码器和绝对编码器两种，图6为光电式增量编码器示意图，它由光源5、聚光镜6、光电码盘4、光栏板7、光敏元件8和信号处理电路组成。当码盘随工作轴一起转动时，光源通过聚光镜，透过光电码盘和光栏板形成忽明忽暗的光信号，光敏元件把光信号转换成电信号，然后通过信号处理电路的整形、放大、分频、记数、译码后输出。为了测量出转向，使光栏板的两个狭缝比码盘两个狭缝距离小1/4节距，这样两个光敏元件的输出信号就相差/2相位，将输出信号送入鉴向电路，即可判断码盘的旋转方向。光电式增量编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度(分辨角，分辨率)，而这与码盘圆周内所分狭缝的条数有关，。由于光电式脉冲编码盘每转过一个分辨角就发出一个脉冲信号，因此：根据脉冲数目可得出工作轴的回转角度，由传动比换算出直线位移距离；根据脉冲频率可得工作轴的转速；根据光栏板上两条狭缝中信号的相位先后，可判断光电码盘的正、反转。绝对编码器通过与位数相对应的发光二极管和光敏二极管对输出的二进制码来检测旋转角度。与增量编码器原理相同，用于测量直线位移的传感器是光栅尺。由于光电编码器输出的检测信号是数字信号，因此可以直接进入计算机进行处理，不需放大和转换等过程，使用非常方便，因此应用越来越广泛。（四）操作步骤1、观察光电编码盘的波形，具体操作如下：将编码器的A、B相信号分别接入数字示波器的两个通道。进入数控系统，在手动方式下使交流伺服轴进行低速进给运动，按一下进给修调右侧的“+”按键（修调倍率缺省设定时递增10%，即按一下“+”按键，轴进给速度递增10%）。调整示波器，使两个通道同步，观察交流伺服轴由低速逐渐加速运动后，两个通道的波形，并绘制波形图。让交流伺服电机反转，观察两个通道的信号波形，并绘制波形图。将编码器的Z相信号接入数字示波器的一个通道。重复进行步骤。2、观察坐标轴运动过程中限位开关对坐标轴运动的影响。课题二 电阻应变式传感器（一）教学目标、要求1、了解ZCY综合传感器实验仪的构造情况及基本布置。2、了解电阻应变式传感器的结构及其核心部件、工作原理；3、了解电阻应变式传感器的使用安全注意事项；4、掌握电阻应变式传感器的正确安装 、接线方法；5、握电阻应变式传感器的正确调试、测试数据读取方法；6、学会液晶直流电压表的使用；（二）主要实验仪器与设备1、ZCY综合传感器实验仪；2、液晶直流电压表；3、差动放大器（三）相关知识电阻应变式传感器的工作原理电阻应变式传感器是一种利用电阻材料的应变效应 , 将工程结构件的内部变形转换为电 阻变化的传感器 , 此类传感器主要是在弹性元件上通过特定工艺粘贴电阻应变片来组成。通过一定的机械装置将被测量转化成弹性元件的变形 , 然后由电阻应变片将变形转换成电阻的变化,再通过测量电路进一步将电阻的改变转换成电压或电流信号输出。用于能转化成变形的各种非电物理量的检测,如力、压力、加速度、力矩和重量等,在机械加工、计量和建筑测量等行业应用十分广泛。电阻应变效应 所谓电阻应变效应是指具有规则外形的金属导体或半导体材料在外力作用下产生应变的同时其电阻值也会产生相应地改变,这一物理现象称为电阻应变效应。以圆柱形导体为例:设其长为L、半径为r 、材料的电阻率为p时其电阻R为(根据电阻的定义式) （11）当导体因某种原因产生应变时,其长度L、截面积A和电阻率p的变化为dL,dA,dp相应的电阻变化为dR 。对式(11)全微分得电阻变化率为： （12）式中为导体的轴向应变量，为导体的横向应变量。由材料力学得： （13）式中,为材料的泊松比,大多数金属材料的泊松比为0305左右,负号表示两者的变化方向相反。将式(1-3)代入式(12)得： （14） 式 (14) 说明电阻应变效应主要取决于它的几何应变 ( 几何效应 ) 和本身特有的导电性能( 压阻效应)。1、基本结构电阻应变式传感器主要由四个部分组成 , 如图 11 所示。图中引出线作为连接测量导线用,对测量精度至关重要: 电阻丝也叫敏感栅,应变片的转换元件, 是这类传感器的核心构件；教结剂的作用是将电阻丝与基底粘贴在一起；基底是将传感器弹性体的应变传送到敏感栅上的中间介质,并起到在电阻丝和弹性体之间的绝缘作用和保护作用；面胶或叫覆盖层,是一层薄膜,起到保护敏感栅的作用。2、检测原理电阻应变片直接感受到的是构件的应变或应力,测量时必须把应变片粘贴在机械的弹性体上，当外力作用到弹性体元件上时,弹性体被压缩或拉伸,即产生微小的机械变形,粘贴在弹性体上的应变片感受到应力的作用,根据材料力学中的虎克定律可知:应变与应成正比,即:=E。又由应变效应可知应变片的应变与其电阻值的相对变化率成正比,以此实现对微小的机械变量的检测。3、测量电路为了将电阻应变式传感器的电阻变化转换成电压或电流信号 , 在应用中一般采用电桥电路作为其测量电路。电桥电路具有结构简单、灵敏度高、测量范围宽、线性度好且易实实现温度补偿等优点。能较好地满足各种应变测量要求,因此在应变测量中得到了广泛的应用。电桥电路按辅助电源分有直流电桥和交流电桥 , 由于直流电桥的输出信号在进一步放大时易产生零漂,故交流电桥的应用更为广泛。直流电桥只用于较大应变的测量 , 交流电桥可适用于各种应变的测量。电桥电路按其工作方式分有单臂、双臂和全桥三种 , 单臂工作输出信号最小 , 双臂输出是单臂的两倍 , 全桥工作时的输出是单臂时的四倍。因此,为了得到较大的输出电压或电流信号一般都采用双臂或全桥工作。基本电路如图 12 所示。图12 测量电路类型（四）测试原理根据电阻应变式传感器的工作原理,利用ZCY综合传感器实验仪提供的设备来进行测试。基本原理如图 13 所示,图中 R1、R2、R3为普通电阻,R4为应变电阻；Rp和r组成调零电位器,采用4V直流稳压电源,差放为 74SL 系列集成运放。ZCY综合传感器实验仪上有一应变梁 , 梁上贴有应变片,并有一个放砖码的托盘,通过加硅码来改变梁的应变,再由测量电路将梁的应变转换成电压信号经差动放大器放大后送液晶直流电压表显示。由于梁的应变非常小,故需使用差放来放大, 为使放大器工作稳定,减少零漂,可采用交流电桥,以得到更好的检测效果。通过砖码重量(每个砖码重为2Og)可对其标定,测试出它的线性范围,并标出其单位:mV/g；例如:测出放置1个砖码时的电压输出为5mV(可进行调整),2个砖码时的电压输出为 1OmV, 等等；就可算出其标定值为0.25mV/g。（五）实训步骤与技能要点1、观察传感器结构及应变片位置,接通总电源及单元电路电源。2、 将差动放大器调零,方法是用导线将差动放大器的正负输入端与地端连接, 增益旋扭旋至适当位置,再把输出端接到电压表的输入插口,调整差放上的调零旋钮使表头指示为零。3、根据图13 所示,利用电桥单元、直流稳压电源和差动放大器及液晶电压表上的接线插孔,用专用导线连接好测量线路(差动放大器接成同相反相均可)。4、装上传感器称重托盘。5、把直流稳压电源换到4V 档,预热数分钟,调整电桥平衡电位器(RP),使表头指示为零。6、 保证实验过程输出指示不溢出,可先将10只砖码(2Og/只)全放于托盘上,如指示溢出,适当减少差动放大器增益。7、 在传感器托盘上放上一只砖码 , 记下此时电压值 , 之后每增一只砖码记下一数值并填入表11 中。8、据所得结果计算系统灵敏度 S=,为电压变化率,为相应重量变化率。( 注:石去码重208/只)并在同一坐标纸上描出曲线。)0（六）注意事项1、更换应变片前应关闭电源。2、接线一定要可靠、牢固 , 以保证连接效果。3、加放硅码应轻拿轻放 , 以避免产生冲击而损坏元件。4、实验过程中如发现电压表发生过载 , 应扩大量程或减小差放增益。 5、放大器必须接成差动式。6、直流稳压电源不能打得过大 , 以免损坏应变片或造成严重自热效应。 7、差动放大器在接线时电源极性千万不能接反 , 否则会损坏差放。 8、拆线时应先旋松接头 , 切忌硬拉乱拨 , 以免损坏导线接头。课题三 差动变面积式电容传感器（一）教学目标、要求1、弄清差动变面积式电容传感器的结构原理。 2、较好地掌握放大器的调节方法。3、基本掌握螺旋测微器的使用方法。4、了解差动变面积式电容传感器的使用安全注意事项；5、熟悉差动变面积式电容传感器的正确安装 、接线方法；6、熟悉差动变面积式电容传感器的正确调试、测试数据读取方法；（二）主要实验仪器与设备1、ZCY综合传感器实验仪；2、液晶直流电压表；3、差动放大器4、螺旋测微器（三）相关知识差动变面积式电容传感器的结构原理差动变面积式电容传感器的结构一般为两固定极板之间有一块可动极板,结构原理如图31所示。固定极板在结构上相互绝缘并固定不动,可动极板与固定极板之间可作相对移动并保持间距不变。当可动极板位于中间时,分别与固定极板构成初始电容Cl和C2只要结构对称,可保证C1=C2,这在结构上较易做到。令初始电容为 Co；当可动极板左右移动时,如左移,则左边电容增大C,右边电容减小C,故形成差动结构。由于平板电容的电容大小与极板的正对面积成正比,因此,这种电容式传感器有良好的线性输出。因平板电容的容量非常小,故实际结构多做成若干对极板平行设置来增大电容值,以得到较大的电容变化。另外,电荷在空气中非常容易逃逸。为保证测试精度应考虑静电屏蔽问题,可以设置金属屏蔽外壳。产生的电容变化量需通过一定的测量电路才能将其转换成电压或电流信号输出。实现对引起可动极板移动的非电量的测定。所用测量电路主要有以下几种:第一种是简单的交流电桥, 如图32所示,通过将变压器的次级线圈中点接地,与差动电容构成差动电桥。其输出与电容的相对变化率成正比,因无法判别其方向,故实际应用时需加相敏检波器才行。这种测量电路结构较简单,但精度低,一般用于测量精度较低的检测系统中。第二种常用电路是紧耦合电桥,这种电路的工作原理与第一种相似 , 区别在于它采用了两个固定的紧耦合线圈。第三种测量电路是调频电路，这种电路的工作原理是把电容传感器当作振荡器电路的一部分，当电容传感器的输出电容有变化时引起振荡频率的改变。通过测量振荡器的频率变化就能测出传感器的电容变化,进而导出引起电容变化的非电量。因振荡器的频率受传感器的电容调制, 所以称作调频电路。这种电路结构较复杂,但灵敏度高,抗干扰能力强,与单片机配合使用能取得良好的效果。（四）测试原理差动变面积式电容传感器的性能测试主要是依据ZCY综合传感器实验仪进行,利用上面的螺旋测微机构来带动传感器动片的移动,进而改变电容的大小,形成差动变化,将其送到电容变换模块转换成电压信号,再由电压放大器进一步放大,最后由液晶电压表显示出来。如图33所示。C1、C2为差动电容。（五）实训步骤与技能要点1）电压放大器调零,与差放调零接线相同。2）电压放大器增益旋钮置中间,V/F表打到2V,调节测微头,使输出为零。3）按原理图接好线,接线一定要可靠,不能有松动现象。1）旋动测微头,每次0.5mm 。2）记下此时测微头读数及电压表读数,直至电容动片与上(或下) 静片覆盖面积最大为止。退回测微头至初始位。并开始以反向旋动。同上法 , 记下 X(mm )及 Y(mV) 值。将数据填入表 31 。3）算电压灵敏度 ky= V/X, 并作 YX 曲线,求出其线性范围。4）除连线, 整理好实训台上的各种仪器设备,完成实训。表31X/mmy/mVX/mmY/mV（六）注意事项1）差动变面积式电容传感器中点的接地一定要可靠,否则不能形成完全差动结构,将影响测试效果。2）测微头位置要正确,如松动应及时旋紧以免影响动片的位移精度。3）电压放大增益要适中,以获得合适的输出电压值。4）拆线时要先旋松再拔出接头,以免损坏连接导线。课题四 热电偶传感器（一）教学目标及要求1、通过理解有关热电偶的基本测温原理，更好地掌握该传感器的性能特点和选用原则；2、了解热电偶组成测温电路的基本方法和测温电路的调试要领；（二）主要实验仪器与设备1、ZCY综合传感器实验仪；2、液晶直流电压表；3、差动放大器4、电阻加热器（三）实训原理将两种不同材料的导体构成一闭合回路，若两个接点处温度不同，在回路中会产生电动势，从而形成电流，这个物理现象称为热电势效应，简称热电效应。热电偶传感器就是利用这种热电效应把被测温度信号转变成热电势信号，用电测仪表测出电势大小，从而间接求得被测温度值。图41 热电偶原理图如图1所示：两种不同的金属A和B构成闭合回路，当两个接触端TT0时，回路中会产生热电势,其大小为：= （1）是两个结点的温差的函数，当冷端温度不变时，输出电势与被测温度成单值函数关系，因此，可以根据输出电势的大小来确定被测温度的高低。（四）实训内容1、认识热电偶，仔细观察实训台上的热电偶结构形状，弄清其工作原理和性能特点；2、用水银温度计对其进行特性标定，将电阻加热器加热，用水银温度计和热电偶同时测量温度，调节电压放大器使输出电压在数值上与水银温度计读数的关系约为1mV/，基本做到温度每上升1时输出电压就上升1mV。（五）步骤及技能要点1、观察热电偶的外形结构，了解其测温原理，用热水进行实验，检查其是否已经损坏；2、备好所需要的电路模块，并进行检查，如有损坏，及时更换，以免影响实训进程；3、原理框图接线，经检查无误后通电进行热电偶的标定；4、水银温度计所测量的环境温度值，差动电压放大器应先调好零位，将电5、压表显示的电压数值和温度计的温度值做好记录；表41T（）V（mv）1）用10V直流文雅电源对电阻加热器进行加热，并用水银温度计测出相应温度，测出此时电压表的电压值，并做好记录；表42T（）V（mv）2）得的数据进行计算处理，画出Vt关系曲线，估算出传感器的线性范围，求出其灵敏度 ，如果求出的值跟21mV/差别较大，则分析误差原因，并重新进行测量。（六）注意事项1）加热器切勿长时间通电，以免损坏加热器；2）由于温度的变化存在较大的延迟效应，故本实训的测量精度不会很高；六、项目考核序号考核项目满分 考 核 标 准 与 评 分 方 法1数控系统位移检测装置的选择与使用20能识别常见的位移检测装置，能说出其主要类型和用途（20分），回答错误一处扣2分。2应变式传感器测量实验301、 能正确画出电路结构框图，并标出核心元件位置(8分)；基本能画出电路结构框图，并标出核心元件（6分）；基本能画出电路结构框图，不能标出核心元件（4分）；其余根据情况给分；2、 能说明动手要