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第三章张力传感器 第一节概述一 印刷中保持恒定的纸带张力原因 卷筒纸印刷时 应保证纸带在印刷过程中张力大小恒定不变 因为 1 张力太小会导致纸带松弛 皱褶 套印不准等弊病 2 张力过大 会增加机器的负荷和增加纸带的应力 且超过其强度极限就会断裂 3 张力不稳定 纸带会发生跳动 以致于会出现套印不准 重影等问题 尤其是机器起动 停车时 张力不稳 会造成断纸 拥纸 二 印刷中纸带张力不稳的原因 对于供纸机来说 使纸带向前运动的拉力一般由印刷滚筒产生 1 印刷过程中纸卷由大变小逐渐变化 其阻力矩也随之变化并影响纸张的张力 2 纸卷不圆或纸张的不均匀 印刷滚筒的凹槽或其他因素都会引起纸带张力的波动 3 机器拖动不稳定 三 解决方法 在输纸装置中安装张力控制系统 对张力进行自动调节 张力的恒定靠纸卷驱动和纸卷制动相互协调作用来实现 电位器作传感器的张力控制系统 第二节电位器传感器 变阻器式传感器 电位器传感器是把被测量 线位移或角位移 转换为电阻 或电压 变化的一种传感器 按工作的原理可分为 变阻器式 电阻应变式 热敏式 光敏式 电敏式 按制作方式分 线绕电位器 1 分类 特点 变阻器式传感器产品 变阻式传感器的优点是 1 结构简单 尺寸小 重量轻 价格低廉且性能稳定 2 受环境因素 如温度 湿度 电磁场干扰等 影响小 3 可以实现输出 输入间任意函数关系 4 输出信号大 一般不需放大 它的缺点是 因为存在电刷与线圈或电阻膜之间摩擦 因此需要较大的输入能量 由于磨损不仅影响使用寿命和降低可靠性 而且会降低测量精度 所以分辨力较低 动态响应较差 适合于测量变化较缓慢的量 2 结构 3 工作原理 若作分压器用 则输出电压为 若作变阻器用 则输出电阻为 作变阻器用 作为分压器用 电位器式角度传感器 变阻器式传感器产品 4 应用 常用来测量位移 压力 加速度等参量 举例 测量压力的电位器式压力传感器 1 弹簧管 敏感元件 2 电位器 传感元件 测量转换电路 3 电刷4 传动机构 齿轮 齿条 原理 压力 弹簧管 角位移 电位器 电阻 电压 压力传感器的外形及内部结构 案例 重量的自动检测 配料设备 原理 弹簧 力 位移 电位器 电阻 案例 煤气包储量检测 原理 钢丝 收线圈数 电位器 电阻 案例 玩具机器人 广州中鸣数码 原理 电机 转角 电位器 电阻 作变阻器使用 则电阻与角度的关系为 作为分压器使用 则有 电位器式角度传感器 第三节磁粉制动器 纸带张力自动调节系统中纸带张力的改变是靠制动器来调节的 磁粉制动器是一种电磁离合器和制动器 磁粉制动器在卷筒纸胶印机的纸张张力控制系统中用来对纸卷进行制动控制 一 结构 二 工作原理 当磁粉制动器的励磁线圈未通入直流电流时 定子转子及磁粉间不存在磁力相互作用 磁粉呈松散状态 因而不产生制动力矩 当励磁线圈通入直流电流时 内 外定子 转子和磁粉间形成磁场 滋粉受磁化形成链条状 此磁粉链将内定子与转子进行连结 产生拉力即形成对转子的制动作用 励磁电流越大 制动器转子制动力矩也越大 注意 制动力矩与转子转速无关 三 特性 1 调整特性 改变励磁电流的大小 可使磁粉制动器的制动力矩得到改变 励磁电流I与力矩M的关系 当励磁电流控制在I1与I2之间时 曲线为直线 M与I为线性关系 在印刷中 随着纸卷半径的不断减小 纸卷阻力矩会变小 为了使纸带张力保持恒定 要求磁粉制动器的制动力矩M的大小作相应改变 即使励磁电流I实现自动跟踪控制 力矩与转速无关 只取决于纸带张力 2 机械特性 为了使纸带张力保持恒定 纸卷制动器必须能够根据纸带张力波动的情况自动进行调整 以保证纸带匀速 平稳地进入印刷装置 在机器稳定运转期间 应保证纸带张力稳定在给定值上 在启动和刹车期间防止纸带过载和随意松卷 在生产过程中 随着纸卷尺寸的不断减小 为保持纸带的张力恒定 需对制动力矩进行相应地调整 对张力系统的要求 第四节电位器作传感器的张力控制 一 系统结构 二 各部分的作用 1 弹性缓冲辊 浮动辊 吸收瞬时变化的能量 使张力变化得到缓冲减弱 3 电气控制装置 张力反馈信号经比例积分等控制电路的处理 使磁粉制动器的励磁电流 制动力矩发生变化 实现对纸卷张力的稳定调节 不同的张力控制系统 采用的控制电路 传感器及磁粉制动器也不同 2 张力检测机构与阻尼机构 张力发生变化时 摆动辊在纸带张力作用下产生偏移并使传感器动作 三 控制原理 尽管张力控制系统结构各异 但其控制原理基本相同 都设有 手动 与 自动 两种控制状态 开机前 将系统置 手动 位 此时系统为开环控制 磁粉制动器的励磁电流可进行手动调节 即进行纸张张力值预选 开机时 置 自动 位 系统为闭环控制 即由摆动辊及传感器将检测出的张力变化信号反馈到控制电路输入端 与给定信号综合后的差值信号经比例积分 功率放大到可控整流电路 使磁粉制动器的励磁电流不断改变 其制动力矩也随之变化 从而使纸张张力维持恒定 动作过程 张力变化 位移变化 电压信号 与给定信号综合后的差值信号经比例积分 功率放大到可控整流电路 磁粉制动器的励磁电流改变 制动力矩也随之变化 从而使纸张张力维持恒定 1 张力检测 张力正常 摆动辊所受张力与弹簧力平衡 张力发生变化 摆动辊位移 张力摆动辊 阻尼机构等驱动滑动臂滑动 滑动臂带动电刷在电阻丝上滑动 在电阻丝上取得一电压数值 作为张力反馈信号 系统控制作用可表示为 2 张力自动调节系统方框图 张力反馈信号与给定信号综合 其差值输入比例积分等控制电路 使磁粉制动器的励磁电流 制动力矩发生变化 纸卷张力稳定调节 四 电路工作原理 1 给定 比例积分 比例放大与反馈电路 给定元件 自动调节器 功率放大元件 执行元件和反馈元件 比例积分调节器 N1 R1 R3 C1 RP2 给定电压信号 RP3 电压反馈信号 比例积分调节器 N1 R1 R3 C1 RP2 给定电压信号 RP3 电压反馈信号 比例调节器 N2 R8 R9 R10 R13 手动 预选张力值调整 给定 信号的调整 自动 系统的自动跟踪控制 15V 比例调节器 N2 R8 R9 R10 R13 手动 预选张力值调整 给定 信号的调整 自动 系统的自动跟踪控制 15V 功率放大 可控硅VT1 VT2组成单相半控桥式整流电路 整流输出直流经过电阻R41通入励磁线圈 使制动器产生制动力矩 1 给定信号的调整与开机准备 开环与闭环工作状态 手动 开环状态 自动 闭环工作状态 15V 1 给定信号的调整与开机准备 手动 张力预选 调RP4 负电压比例放大 得正U02 15V U02 U02 V11V12导通 晶闸管VT1 VT2导通 励磁线圈得直流电流 调整到张力 预选张力值 U02 给定 信号调整 NI及N2工作 积分电路不起作用 调RP2 正电压放大 负U01 正U02 励磁线圈得到电流 给定 电位器RP2 调整RP2使电流表指向预选值 15V U02 U01 2 系统的自动跟踪控制 N1为比例积分调节器 开关 自动 档 调RP2 RPl使张力为预选值 电位器调好后 在整个印刷过程不要再调节 15V U02 U01 2 系统的自动跟踪控制 A B点固定不动 U Ug Uf U D点电位Ug 给定电压Uf 反馈电压 U Ug Uf 张力变化 c点产生位移 Uf变化 U改变 U U改变 电路运算控制 励磁电流改变 制动力矩变化 张力稳定 例如 张力 C向右移动 Uf U 励磁电流 制动力矩 张力回到原值 张力 C向左移动 Uf U 励磁电流 制动力矩 张力回到原值 2 宽脉冲触发与功率放大电路 U02 宽脉冲触发电路 U02 U 0时 U02 0 触发电路不能触发 功放电路不工作 宽脉冲触发电路 U02 U 0时 U02 0 V11导通 V12导通 IC2向C6充电 单结管导通 R38上产生脉冲电压 IC2 功率放大电路 R38上产生脉冲电压 VT1 VT2导通 R41上输出直流电流 制动力拒 3 直流稳压电源 电感式传感器是基于电磁感应原理 它是把被测量转化为电感量的一种装置 分类 电感式传感器 第五节电感式传感器 电感式接近传感器 金属 一 自感式传感器 F 220V 准备工作 基本工作原理演示 电感传感器的基本工作原理演示 F 气隙 电感 电流 N 线圈匝数 A 气隙的有效截面积 0 真空磁导率 气隙厚度 1气隙厚度变化型 2气隙面积变化型 3螺管型 二 差动变压器式传感器 一次线圈N1 二次线圈N21 N2等 当N1上加Ui后 将在N2上产生UO 在全波整流电路中 两个二次线圈串联 总电压等于两个二次线圈的电压之和 差动变压器式传感器的等效电路 结构特点 两个二次线圈反向串联 组成差动输出形式 请将二次线圈N21 N22的有关端点正确地连接起来 并指出哪两个为输出端点 差动变压器式传感器的工作原理 差动变压器位移传感器 案例 板的厚度测量 案例 张力测量 差动变压器位移传感器 液位测量原理 电感式传感器的应用 位移测量 轴向式电感测微器的外形 航空插头 红宝石测头 其他电感测微头 模拟式及数字式电感测微仪 机械及气动元件 电感测微器 汽缸 气水分离器 供气三联件 储气罐 导气管 气压表 0 4MPa左右 电感式不圆度计原理 该圆度计采用旁向式电感测微头 电感式不圆度测试系统 旁向式电感测微头 电感式不圆度测量系统外形 参考洛阳汇智测控技术有限公司资料 旋转盘 测量头 不圆度测量打印 电感式轮廓仪 旁向式电感测微头 电感式滚柱直径分选装置 图3 14滚柱直径分选装置1 气缸2 活塞3 推杆4 被测滚柱5 落料管6 电感测微器7 钨钢测头8 限位挡板9 电磁翻板10 容器 料斗 电感式滚柱直径分选装置 测微仪 圆柱滚子 电感式滚柱直径分选装置 外形 滑道 分选仓位 轴承滚子外形 参考中原量仪股份有限公司资料 电感式滚柱直径分选装置外形 落料振动台 滑道 11个分选仓位 参考无锡市通达滚子有限公司资料 废料仓 电感式滚柱直径分选装置 机械结构放大 汽缸 控制键盘 直径测微装置 长度测微装置 滑道 电感传感器在粗糙度测量中的应用 手持式粗糙度仪 触针 金刚石圆锥 针尖圆弧半径 5 m 可存储500个粗糙度参数值及4组轮廓数据 可进行粗糙度参数的打印 可对外圆 内孔 轴肩 圆锥面等各种复杂表面进行测试 五 压力测量 1 压力输入接头2 波纹膜盒3 电缆4 印制线路板5 差动线圈6 衔铁7 电源变压器8 罩壳9 指示灯10 密封隔板11 安装底座 电感式压力传感器 压力测量用的膜盒 膜盒由两片波纹膜片焊接而成 所谓波纹膜片是一种压有同心波纹的圆形薄膜 当膜片四周固定 两侧面存在压差时 膜片将弯向压力低的一侧 因此能够将压力变换为直线位移 粗糙度仪外形 金刚石测头 粗糙度测量结果打印 1 粗糙度测量结果打印 2 计重供给自动控制 计重 给料 秤重 排出 间歇式计量供给的自动控制连续式计量供给的自动控制 作业过程中 给料 称重 排出连续进行 不存在暂停时间 计量供给的自动控制 第六节电涡流传感器 电涡流传感器的原理及应用 电涡流传感器工作原理 电涡流效应演示 当电涡流线圈与金属板的距离x减小时 电涡流线圈的等效电感L减小 等效电阻R增大 感抗XL的变化比R的变化大得多 流过电涡流线圈的电流i1增大 电涡流的应用 在我们日常生活中经常可以遇到 干净 高效的电磁炉 集肤效应 当高频 100kHz左右 信号源产生的高频电压施加到一个靠近金属导体附近的电感线圈L1时 将产生高频磁场H1 如被测导体置于该交变磁场范围之内时 被测导体就产生电涡流i2 i2在金属导体的纵深方向并不是均匀分布的 而只集中在金属导体的表面 这称为集肤效应 也称趋肤效应 集肤效应与激励源频率f 工件的电导率 磁导率 等有关 频率f越高 电涡流的渗透的深度就越浅 集肤效应越严重 二 等效阻抗分析 原线圈的等效阻抗Z变化 间距x的测量 如果f r不变 Z就成为间距x的单值函数 这样就成为非接触地测量位移的传感器 多种用途 x f不变 就可以检测与表面电导率 有关的表面温度 表面裂纹等参数 或者用来检测与材料磁导率 有关的材料型号 表面硬度等参数 电磁炉内部的励磁线圈 电磁炉的工作原理 高频电流通过励磁线圈 产生交变磁场 在铁质锅底会产生无数的电涡流 使锅底自行发热 烧开锅内的食物 电涡流传感器结构及特性 交变磁场 电涡流探头外形 高频反射电涡流探头内部结构 1 电涡流线圈2 探头壳体3 壳体上的位置调节螺纹4 印制线路板5 夹持螺母6 电源指示灯7 阈值指示灯8 输出屏蔽电缆线9 电缆插头 CZF 1系列传感器的性能 分析上表请得出结论 探头的直径与测量范围及分辨力之间有何关系 大直径电涡流探雷器 测量转换电路 一 调幅式 AM 电路 石英振荡器产生稳频 稳幅高频振荡电压 100kHz 1MHz 用于激励电涡流线圈 金属材料在高频磁场中产生电涡流 引起电涡流线圈端电压的衰减 再经高放 检波 低放电路 最终输出的直流电压Uo反映了金属体对电涡流线圈的影响 例如两者之间的距离等参数 部分常用材料对振荡器振幅的衰减系数 人的手 泥土或装满水的玻璃杯能对振荡器的振幅产生明显的衰减吗 为什么 二 调频 FM 式电路 100kHz 1MHz 当电涡流线圈与被测体的距离x改变时 电涡流线圈的电感量L也随之改变 引起LC振荡器的输出频率变化 此频率可直接用计算机测量 如果要用模拟仪表进行显示或记录时 必须使用鉴频器 将 f转换为电压 Uo 鉴频器特性 鉴频器的输出电压与输入频率成正比 机械工业出版社 使用鉴频器可以将 f转换为电压 Uo 电涡流传感器的应用 电涡流探头线圈的阻抗受诸多因素影响 例如金属材料的厚度 尺寸 形状 电导率 磁导率 表面因素 距离等 只要固定其他因素就可以用电涡流传感器来测量剩下的一个因素 因此电涡流传感器的应用领域十分广泛 电涡流位移传感器是一种输出为模拟电压的电子器件 接通电源后 在电涡流探头的有效面 感应工作面 将产生一个交变磁场 当金属物体接近此感应面时 金属表面将吸取电涡流探头中的高频振荡能量 使振荡器的输出幅度线性地衰减 根据衰减量的变化 可地计算出与被检物体的距离 振动等参数 这种位移传感器属于非接触测量 工作时不受灰尘等非金属因素的影响 寿命较长 可在各种恶劣条件下使用 一 位移测量 位移测量仪 数显位移测量仪及探头 位移测量包含 偏心 间隙 位置 倾斜 弯曲 变形 移动 圆度 冲击 偏心率 冲程 宽度等等 来自不同应用领域的许多量都可归结为位移或间隙变化 电涡流位移传感器的距离与输出电压特性曲线 1 量程为10mm2 量程为16mm3 量程为20mm 4 20mA电涡流位移传感器外形 齐平式电涡流位移传感器外形 齐平式传感器安装时可以不高出安装面 不易被损害 V系列电涡流位移传感器外形 齐平式 V系列电涡流位移传感器性能一览表 位移传感器的分类 测量金属薄膜 板材厚度电涡流测厚仪 测量冷轧板厚度 板厚 l L l1 l2 测量尺寸 公差及零件识别 通过测量间隙来测定热膨胀引起的上下平移 测量封口机工作间隙 间隙越大 电涡流越小 测量注塑机开合模的间隙 间距 案例 连续油管的椭圆度测量 二 振动测量 偏心和振动检测 测量各种振动的振幅 频谱分布等参数 通过测量间隙来测量径向跳动 测量弯曲 波动 变形 对桥梁 丝杆等机械结构的振动测量 须使用多个传感器 振动测量 测量悬臂梁的振幅及频率 汽轮机叶片测试 振动测量 用电涡流探头 调幅法测量简谐振动时 探头的输出波形 产品 调频法测量振动的波形 三 转速测量 若转轴上开z个槽 或齿 频率计的读数为f 单位为Hz 则转轴的转速n 单位为r min 的计算公式为 各种测量转速的传感器及其与齿轮的相对位置 齿轮转速测量 例 下图中 设齿数z 48 测得频率f 120Hz 求该齿轮的转速n 电动机转速测量 四 镀层厚度测量 由于存在集肤效应 镀层或箔层越薄 电涡流越小 测量前 可先用电涡流测厚仪对标准厚度的镀层和铜箔作出 厚度 输出 电压的标定曲线 以便测量时对照 电涡流涂层厚度仪 电涡流涂层厚度仪原理 五 电涡流式通道安全检查门 安检门的内部设置有发射线圈和接收线圈 当有金属物体通过时 交变磁场就会在该金属导体表面产生电涡流 会在接收线圈中感应出电压 计算机根据感应电压的大小 相位来判定金属物体的大小 在安检门的侧面还安装一台 软x光 扫描仪 它对人体 胶卷无害 用软件处理的方法 可合成完整的光学图像 安检门演示 六 电涡流表面探伤 手持式裂纹测量仪 油管探伤 滚子涡流探伤机 滚子涡流探伤机是由计算机控制的轴承滚子表面微裂纹探伤的专用设备 可探出深30 m的表面微小裂纹 手提式探伤仪外形 参考厦门爱德华检测设备有限公司资料 掌上型电涡流探伤仪 用掌上型电涡流探伤仪检测飞机裂纹 台式电涡流探伤仪 花瓣阻抗图 第七节电阻应变式传感器 应变效应 导体或半导体材料在外界力的作用下 会产生机械变形 其电阻值也将随着发生变化 组成 电阻应变片 测量转换电路等 一 应变片的工作原理 金属丝受拉时 l变长 r变小 导致R变大 应变片 金属导体在外力作用下发生机械变形时 其电阻值随着所受机械变形 伸长或缩短 的变化而发生变化象 应变片的工作原理 例如 金属丝受拉时 l将变长 r变小 均导致R变大某些半导体受拉时 将变大 导致R变大 上述任何一个参数变换均会引起电阻变化 金属应变片的电阻R为 实验证明 R R与 x的关系在很大范围内是线性的 K 电阻应变片的灵敏度 x 材料力学中的轴向应变 对金属材料 它的轴向应变最好不要大于1 10 3 即1000 m m 否则有可能超过材料的极限强度而导致断裂 金属材料 K略微不同 一般为2左右 半导体材料 其感受到应变时 电阻率 会产生很大的变化 所以灵敏度比金属材料大几十倍 灵敏度 轴向应变 x x l x通常很小 常用10 6表示 应变片用于测量力F的计算公式 由材料力学可知 x F AE 所以 R R又可表示为 只要设法测出 R R的数值 即可获知试件受力 的大小 例如可用于电子秤的称重 K 应变片的灵敏度A 试件的横截面积 弹性模量 二 应变片的种类与结构 金属应变片 金属丝式 使用最早 箔式 应用较多 材料多为铜镍合金 薄膜式 半导体应变片 优点 灵敏度大 体积小 缺点 温度稳定性和可重复性不如金属应变片 箔式应变片的外形 应变计 金属应变计 4 其它表示应变计性能的参数 工作温度 滞后 蠕变 零漂以及疲劳寿命 横向灵敏度等 1 几何参数 表距L和丝栅宽度b 制造厂常用b L表示 2 电阻值 应变计的原始电阻值 3 灵敏系数 表示应变计变换性能的重要参数 三 应变片的主要参数 应变片主要性能指标举例 上表中 哪几个型号是半导体应变片 依据是什么 半导体应变片及金属丝式应变片的结构 半导体应变片外形 金属丝式应变片的内部结构 1 目测电阻应变片有无折痕 断丝等缺陷 有缺陷的应变片不能粘贴 2 用数字万用表测量应变片电阻值大小 同一电桥中各应变片之间阻值相差不得大于0 5欧姆 3 试件表面处理 贴片处置用细纱纸打磨干净 用酒精棉球反复擦洗贴处 直到棉球无黑迹为止 4 应变片粘贴 在应变片基底上挤一小滴502胶水 轻轻涂抹均匀 立即放在应变贴片位置 四 电阻应变片的选择 粘贴技术 5 焊线 用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上 6 用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘组织 应大于500M欧 7 应变片保护 用704硅橡胶覆于应变片上 防止受潮 四 应变片的粘贴 1 去污 采用手持砂轮工具除去构件表面的油污 漆 锈斑等 并用细纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴力 用浸有酒精或丙酮的纱布片或脱脂棉球擦洗 2 贴片 在应变片的表面和处理过的粘贴表面上 各涂一层均匀的粘贴胶 用镊子将应变片放上去 并调好位置 然后盖上塑料薄膜 用手指揉和滚压 排出下面的气泡 3 测量 从分开的端子处 预先用万用表测量应变片的电阻 发现端子折断和坏的应变片 4 焊接 将引线和端子用烙铁焊接起来 注意不要把端子扯断 5 固定 焊接后用胶布将引线和被测对象固定在一起 防止损坏引线和应变片 三 测量转换电路 不平衡电桥 金属应变片的电阻变化范围很小 如果直接用欧姆表测量其电阻值的变化将十分困难 且误差很大 例如 有一金属箔式应变片 标称阻值R0为100 灵敏度K 2 粘贴在横截面积为9 8mm2的钢质圆柱体上 钢的弹性模量E 2 1011N m2 所受拉力F 0 2t 受拉后应变片的阻值R的变化量仅为0 2 使用不平衡电桥将 R R转换为输出电压Uo 来测量电阻微小的变化量 三 测量转换电路 不平衡电桥 电桥平衡的条件 R1R3 R4R2 电桥的基本类型 单臂电桥 灵敏度最低 双臂电桥 R1 R2一个受拉 一个受压 1和 2正负相反 输出电压Uo成倍地增大 四臂全桥 灵敏度最高 1 4正负号相间 就可以使输出电压Uo成倍地增大 全桥的温度补偿原理 采用全桥 或双臂半桥 还能实现温度自补偿 当环境温度升高时 桥臂上的应变片温度同时升高 温度引起的电阻值漂移数值一致 可以相互抵消 所以全桥的温漂较小 半桥也同样能克服温漂 四 应变效应的应用 应用 测量应变应力 弯矩 扭矩 加速度 位移等物理量 应用分为两大类 第一类是将应变片粘贴于某些弹性体上 并将其接到测量转换电路 这样就构成测量各种物理量的专用应变式传感器 第二类是将应变片贴于被测试件上 然后将其接到应变仪上就可直接从应变仪上读取被测试件的应变量 1 应变式传感器 标准产品 应变式力传感器 应变式力传感器 F F F F 各种悬臂梁 各种悬臂梁 F F 固定点 固定点 电缆 应变片在悬臂梁上的粘贴及变形 案例 电子称 原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出 案例 冲床生产记数和生产过程监测 案例 机器人握力测量 案例 振动式地音入侵探测