《传感器与检测技术(第3版)》教学教案

PAGE17PAGE46第页教学目标知识目标：了解各种传感器的名称及其典型应用，掌握检测装置的静态、动态特性能力目标：对检测系统的组成，使用信号处理技术进行分析。素质目标：教学重点误差的概念教学难点检测装置的静态、动态特性教学手段理实一体实物讲解小组讨论、协作教学学时2教学内容与教学过程设计注释绪论〖理论学习〗一、检测技术基础常用传感器一般以传感原理和工作用途命名，如电容式压力传感器，其传感原理是通过压力变化引起电容的极板距离变化，在后续电路中经过电学信号的调制形成电压电流信号，或者通过模拟量变换为数字量形成数字信号，它的工作用途是测量压力。传感器以传感原理分类见表0-1所示。表0-1传感器的分类1.检测技术的重要性与发展趋势人们为了从外界获取信息,必须借助于感觉器官。而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律时就远远不够了。为适应这种情况，就需要借助于传感器。因此，传感器是人类五官的延伸，又将其称为“电五官”。1)检测技术的重要性(1)检测技术是产品检验和质量控制的重要手段。(2)检测技术在设备安全经济运行监测中得到广泛应用。(3)检测技术和检测装置是自动化系统中不可缺少的组成部分。(4)检测技术的完善和发展推动着现代科学技术的进步。从另一方面来看，现代化生产和科学技术的发展也不断地对检测技术提出新的课题和要求，成为促进检测技术向前发展的动力。科学技术的新发现和新成果不断应用于检测技术中，也有力地促进了检测技术自身的现代化。检测技术与现代化生产和科学技术的密切关系，使它成为一门十分活跃的技术学科，几乎渗透到人类的一切活动领域，发挥着越来越大的作用。新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然信息和生产领域中信息的主要途径与手段。传感器和检测技术早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程甚至文物保护等极其广泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器和检测装置。由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步等方面的重要作用是十分明显的。世界各国都十分重视这一领域的发展。相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。2.检测系统的组成一般来说，检测工作的全过程所包含的环节有以适当的方式激励被测对象、信号的检测和转换、信号的调理、分析与处理、显示与记录，以及必要时以电量形式输出检测结果。检测系统可采用如图0-1所示的方式来表示。图0-1检测系统客观事物多种多样，检测工作所希望获取的信息，有可能存在于某种可检测的信号中，如位移、温度信号等；也有可能尚未载于可检测的信号中，需要采用合适的方式对被测对象进行激励，使其性能能够充分表现出来并能被检测，如结构的共振频率等，就需要对结构施加一定频率的力或位移，检测其振动值，间接反映其振动性能，为高速条件下的加工提供试验依据。因此，激励装置在检测系统特别是动态检测中是必要的，某些情况下，可以采用现场检测方法作为激励，如检测汽车悬挂系统的平顺性，可以路面为激励装置，在车辆行进中对其进行动态力大小的检测。激励装置有时候需要调整参数，如激振频率和振幅，这种调整往往以检测结果的趋势为依据改变激励装置参数，如寻找共振频率，所以有时需要引入检测结果信号至激励装置中。传感器直接作用于被测量并按一定规律将被测量转换成同种或别种量值输出，这种输出通常是电信号，如电压或电流等。事实上，这种检测方法还可称为非电量的电测法。信号调理环节把来自传感器的信号转换成更适合于进一步传输和处理的形式。当所检测的信息经过传感器变换后成为电参量（如电压或电流等）时，这类信号往往很微弱，难于直接显示或传递。因此，在传感器后一般均有放大电路。在信号放大的过程中，不可避免地会出现其他不必要的干扰信号也被放大的情况，以至于影响真实信号的检测，所以一般后续电路均有过滤干扰的措施。这些电路一般集合封装为一体，形成专用模块。有时候，还需要将这些信号转换为计算机能够识别的数字信号通过工业总线网络传给控制器（如PLC等），或将这些信号进行分析变换，成为更容易反映被测量本质特性的量值，这种分析就是信号处理技术。调理后的信号传输到信号分析模块。在检测工作的许多场合中，忽略信号的具体物理性质，而将其抽象为变量之间的函数关系，特别是时间函数或空间函数进行分析研究，从中得出一些具有普遍意义的理论。这些理论极大地发展了检测技术，并成为检测技术的重要组成部分。事实上，这些分析往往是很多经验公式的来源，也是很多理论的试验依据。信号显示、记录环节以观察者易于识别的形式来显示检测的结果，或者将检测结果存储，供必要时使用。二、误差分析由于仪器、试验条件、环境等因素的限制，检测不可能无限精确，物理量的检测值与客观存在的真实值之间总会存在着一定的差异，这种差异称为测量误差。误差不同于错误，错误是应该而且可以避免的，而误差是不可能避免的。从试验的原理、试验所用的仪器及仪器的调整，到对物理量的每次检测，都不可避免地存在误差，误差贯穿于整个试验始终。1.误差的概念检测值与真实值之差称为误差。设被测量的真实值（真正的大小）为a，检测值为x，误差为ε，则有（0-1）事实上，由于不可能事先知道被测量的真实值，误差值多由统计估计值和实际检测值的差表示。一般的估计值选用平均值。在实际工程应用中，相对误差比绝对误差更能表现测量的精度。相对误差分为实际相对误差、示值相对误差和满度相对误差等。实际相对误差是指绝对误差与测量值的百分比（0-2）式中，γx为相对误差；Δx为绝对误差；a为实际值。例如,采购员分别在三家商店购买100kg大米，10kg苹果，0.5kg巧克力，它们的实际值分别为99.75kg、9.75kg、0.25kg，绝对误差均为0.25kg，相对误差分别为0.25%、2.5%、50%，巧克力的实际相对误差最大。实际值往往不能准确取得，一般采用测量值作为相对误差算式[式(0-2)]中的分母，所得到的相对误差称为示值相对误差，即（0-3）式中，x为测量值。满度相对误差是指绝对误差与测量的量程即满度的百分比值，即（0-4）式中，xm为量程。显然，满度相对误差在相当程度上代表了测量仪器的性能。实际上，最大绝对误差与仪器量程比值的百分比值就是通常意义上的精度，即（0-5）式中，S为仪器或者测量系统的精度；Δm为最大绝对误差值。精度一般规定取一系列标准值，精度等级越小，则测量系统的相对测量误差越小。检测时，由于各种因素会造成少许的误差，这些因素必须去了解，并有效地解决，方可使整个检测过程中误差减至最小。2.误差来源及减小误差的一般方法导致误差的原因可归纳为四大类：(1)方法误差；(2)设备误差；(3)环境误差；(4)人为误差。提高检测准确度意味着减小或消除误差，因此可在检测装置的设计制造方面采取措施，但对于使用者更为有效的方法是改进检测方法，校正测量手段和数据处理等方面。系统误差往往与检测原理有关，是有规律可循的，因此，应按规律引入校正补偿；随机误差的出现有统计规律，据此可对检测结果进行统计修正，减小分散性；粗大误差则应依据检测原理予以剔除。三、信号描述1.信号的分类根据信号变化情况，信号可分为确定信号和不规则信号两类。（1）开关信号。开关信号又称为逻辑信号，指的是非0即1的变化信号，一般可描述的有开关、明暗和有无等变化量。事实上，这类信号在工业工程中应用最为广泛，使用量最大。(2)模拟信号。模拟信号是指在一定范围内连续变化的量，即变量在一定范围（定义域）内可以取任意值，反映在检测电路中一般是指电压或电流的变化，这类信号可以描述井口水位、运动位移、受力变化等，在工程中常用于检测精度要求较高的领域。(3)数字信号。数字信号是分立量，而不是连续变化量，只能取二进制数字变量，其大多由模拟信号经过A/D转换器转换为数字信号。2.信号时域和频域描述直接观测或记录到的信号一般是以时间为独立变量的，称为时域描述信号。信号的时域描述直观地反映信号瞬时值随时间的变化关系，频域描述则反映信号的频率组成及幅值、相位关系。为了解决不同的问题，往往需要掌握信号的不同方面的特征，因而可采用不同的信号描述方式。四、检测装置的基本特性1.检测装置的静态特性1)线性度线性误差多采用相对值的方法进行描述，其表达式为（0-6）线性度反映了检测中输入和输出变化的均匀性，是衡量检测系统的重要指标。线性度如图0-2所示，图中曲线代表真实的输入和输出，直线代表其拟合后的关系。图0-2线性度2)灵敏度灵敏度（S）是指系统在稳态下输出变化与输入变化之比，其表达式为（0-7）灵敏度表示单位输入量的变化所引起传感器输出量的变化，显然，灵敏度越大，表示传感器越灵敏，如图0-3（a）所示。通常情况下传感器系统的输入和输出关系为非线性，其灵敏度为工作点处的切线斜率，如图0-3（b）所示。图0-3系统灵敏度3）分辨力分辨力是指系统能检测到被测量的最小变化的能力,也称为阈值。4）回程误差回程误差是指当被测量由小变大或由大变小时，具有两条不重合的输入输出曲线，其中最大差值称为回程误差。回程误差又称为迟滞，如图0-4所示。图0-4回程误差特性5）稳定度和漂移稳定度是指检测装置在规定条件下保持其检测特性恒定不变的能力。检测装置的检测特性随时间的缓慢变化称为漂移。2.检测装置的动态特性数学上，动态特性与静态特性的描述形式不同。例如，具有线性特性的传感器的静态特性可表示为（0-9）式中，x为输入信号；y为输出信号；A为拟合直线的斜率；B为零点偏移量。式（0-9）没有时间项。动态特性则反映传感器对动态输入的响应情况，如零阶及一阶传感器的动态特性可分别表示为式中，为时间；k为动态灵敏度；a0、a1为一阶系统响应函数的系数。由式（0-10）和式（0-11）扩展，n阶传感器的动态特性用n阶微分方程描述为1）采用线性化技术例如，在一定条件下忽略某些高次项，或者以直线代替曲线等。2）采用闭环技术可以有效地改善测量精度和控制系统的性能。3）采用补偿和校正技术例如，进行温度补偿、应用计算机软件实行误差修正等。4）采用差动技术这种方法不仅可以减小非线性误差，还能很好地抵消共模误差，使灵敏度提高1倍。3.传感器的标定与校准为确保各种量值准确一致，应按国家有关计量部门规定的标准、检定规程和管理办法对检测装置进行标定。如图0-5所示力值传递系统，只能按此系统，用上一级标准装置检定下一级传感器及配套仪表，如果待标定传感器精度高，也可跨级使用更高一级的标准装置。图0-5力值传递系统〖思考与练习〗1.测量一个圆柱体的直径，请想出尽可能多的测量方法，并分析这些方法中的误差影响因素和大小。2.请举例说明动态特性和静态特性的区别。3.说明传感器与检测技术的发展趋势。4.试举例说明频域分析能解决的问题。5.评价公路的路面优劣需要一个既能够快速测量，又可以反映整体的方案，请设计一个合理和可行的检测方案。6.根据表0-1，查找网上出售的传感器，说明传感器的归属种类和使用方法（两种以上）。讲解检测技术基础，及传感器具体分类。了解检测技术的重要性及其发展趋势。掌握检测系统的组成，以及各组成部分的具体作用。结合式子的举例了解误差的概念。信号的分类及描述。掌握检测装置的静态特性。具体分析静态特性。不同技术的特点。教学目标知识目标：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，识别接近开关的基本参数，能使用简单的工具判断接近开关工作是否正常能力目标：能够基本判断工业现场中开关量传感器的应用场合，从不同材料的敏感距离测定中得出选择合适接近开关的规律，使用霍尔接近开关完成转动次数的测量，了解一般工业中使用接近开关的技术统计功能。素质目标：教学重点接近开关的应用教学难点接近开关的基本工作原理教学手段理实一体实物讲解小组讨论、协作教学学时10教学内容与教学过程设计注释项目一开关量检测〖理论学习〗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。如图1-2所示，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（从a点至b点），那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。图1-2霍尔效应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3.霍尔原件的性能参数1)额定激励电流2)灵敏度KH3)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，它不仅用于磁感应强度、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。图1-8霍尔式位移传感器的工作原理图2)霍尔式转速传感器图1-9所示的是几种不同结构的霍尔式转速传感器。图1-9几种霍尔式转速传感器的结构3)霍尔计数装置图1-10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(μA741)放大后，驱动半导体三极管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。图1-10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1-11所示。图1-11光电效应2.光电管光电管的典型结构如图1-12所示。图1-12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1-15所示。图1-15光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1-17所示。图1-17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1-19所示。图1-19光敏二极管的结构和工作原理6.光电耦合器件1)光电耦合器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1-22所示。图1-22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。图1-25感应接近开关原理任务二接近开关的应用（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）冲击电流限幅电路：限制接通电源瞬间输入侧的冲击电流。（2）输入滤波器：过滤电网存在的杂波及阻碍本机产生的杂波反馈回电网。（3）整流与滤波电路：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电。（4）逆变电路：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。（5）输出整流与滤波电路：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。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.辅助电源一般工业使用的开关电源如图1-28所示,通常有一个220V电源接口,一个或多个电压输出接口。图1-28开关电源开关电源的选择与使用使用上，开关电源工作效率一般可达到80%以上，远高于一般稳压器35%~60%的转换效率，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1.5~1.8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。任务三接近开关的应用（二）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），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0~50mV、0~10V、4~20mA、可变电阻、TC/RTD等，并能使用软件自动进行调节。（3）具有小数点设定、比率、量程及零点自由调整功能。（4）带隔离变送功能，隔离485通信功能。（5）带24/12VDC辅助电源，两路报警输出。（6）精度等级为±0.3%FS。（7）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mA、mV和V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±1.0℃，而基准温度使用的恒温槽为±0.005℃；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。讲解霍尔效应基本原理，及霍尔电动势。了解霍尔传感器的应用。掌握光电管的街头，区分两种光电管的伏安特性曲线。结合图片讲解电倍增管的典型结构和工作原理。结合图片讲解光电耦合器常见的组合形式。结合图片讲解感应接近开关原理。掌握开关电源的基础知识。了解不同种类数显表的规格及特点。能够正确选用数显表。教学目标知识目标：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能力目标：初步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，使用无接触超声波位移传感器实现基本一维定位素质目标：教学重点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手段理实一体实物讲解小组讨论、协作教学学时11教学内容与教学过程设计注释项目二位移检测〖理论学习〗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。式中，R为电阻阻值（Ω）；ρ为电阻率（Ω·mm）；l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量决定，变阻器的跃变特性如图2-1（b）所示。图2-1变阻器原理及其特性需要注意的是，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。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，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所示的电阻尺，又称为导电塑料电位计或电压分配计等。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。图2-5感应同步器如图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。图2-6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。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。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。图2-9磁栅尺四、光电编码器1.增量式光电编码器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，在一般的光电编码系统中，这两组编码称为A、B相，如图2-13外圈和中圈虚线所示。另外，为了实现定位，增加了Z相作为基准，由Z相发出零位脉冲，作为转动的起始点，如图2-13内圈虚线所示。图2-12光电编码器系统结构图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。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，图2-16光栅尺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。图2-17透射光栅的光路1.光栅检测原理莫尔条纹有如下重要特性。（1）莫尔条纹由光栅的大量刻线共同形成，对线纹的刻画误差有平均抵消作用，能在很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=W2sinθ2≈Wθ(2-5)式中，B为莫尔条纹的间距（m）；W为光栅栅距（m）；θ为两个光栅之间的夹角(°)。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，黑色代表无光，白色代表有光）。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Y1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。图2-20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）绝对坐标传感器它所采用的光电扫描原理和常用的透射光栅原理一样，是具有四场扫描的影像检测原理。4.光栅制作材料及热性能光栅尺在（20±0.1）℃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图2-22所示为机床常用的光栅尺专用数显表，光栅尺指示光栅所处在标尺光栅的位置显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2-29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300~500mm。波长大于5mm的传感器检测范围可达8m。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。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。图2-30气流对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；如果需要检测具体的距离，则需要采用白色引线和蓝色引线。具体的设置可在如图2-34所示的传感器中通过按键进行设置，左侧的灯亮则表示为模拟量输出，右侧的灯亮则表示为开关量输出。图2-33超声波传感器引线图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。了解电阻尺的产生过程。学生分组讨论感应同步器的有点，教师总结。结合图片讲解感应同步器原理。教师讲解磁栅的工作原理，学生分析其特点。教师讲解增量式光电编码器和绝对式光电编码器原理，学生分组讨论两者的不同。掌握光栅传感器的组成及原理。结合图2-20讲解辨向系统流程。学生分组讨论光栅尺在使用过程中经常出现的问题及解决方法。分组讨论气流对超声波检测的影响。教学目标知识目标：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；了解使用激光传感器检测的一般原理和使用条件。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，初步认识激光式位移传感器及其检测适应性，进一步理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。素质目标：教学重点各种位移传感器的量程和精度等检测性能教学难点各种位移传感器的量程和精度等检测性能教学手段理实一体实物讲解小组讨论、协作教学学时6教学内容与教学过程设计注释项目三精密位移检测系统〖理论学习〗任务一高精度位移传感器的应用一、电容式传感器电容式传感器实质上是利用电容自身性质进行检测的传感器，如图3-1所示。电容式传感器原理基于以下公式C=εA/d。图3-1电容式传感器1.电容式传感器的分类1）变面积型电容传感器 图3-2电容传感器的形式2）极距变化型电容传感器如图3-3（a）所示，如平行电容器两个极板间覆盖面积和极间介质不变，则其电容量C与极距呈现非线性关系。灵敏度与极距二次方成反比，极距越小则灵敏度越高，如图3-3（b）所示。图3-3极距变化型电容传感器结构与特性在实际应用中，为了提高传感器的灵敏度和稳定性，常常采用差动式结构，如图3-4所示。图3-4差动型极距电容传感器结构与特性2．电容式传感器的测量电路1）等效电路电路电容式传感器的等效电路如图3-5所示。图中考虑了电容器的损耗和电感效应，Rp为并联损耗电阻，它代表极板间的泄漏电阻和介质损耗。这些损耗在低频时影响较大，随着工作频率增高，容抗减小，其影响就减弱。Rs代表串联损耗，即代表引线电阻、电容器支架和极板电阻的损耗。电感L由电容器本身的电感和外部引线电感组成。图3-5电容式传感器的等效2）测量电路（1）调频测量电路。图3-6所示的是调频式测量电路原理框图。图3-6调频电路的测量原理（2）运算放大器式测量电路。运算放大器的放大倍数很大，输入阻抗Zi很高，输出电阻小，所以运算放大器作为电容式传感器的测量电路是比较理想的。3.电容式传感器的特点与用途电容式传感器的特点如下。（1）小功率、高阻抗。电容传感器的电容量很小，一般为几十到几百皮法，具有较高的输出阻抗。这种阻抗对后续电路影响很小，从而简化了后续放大电路。（2）小的静电引力和良好的动态特性。电容传感器的极板间的引力极小，能量消耗少，其可动质量小，具有较高的固有频率和良好的动态性能。（3）自身发热小。（4）可以进行非接触检测。电容式传感器广泛地应用在位移、振动、角度和加速度等机械量的精密检测，而且目前检测范围已经扩大到了压力、液面和成分等方面的检测。图3-8所示为差动电容式压力传感器的结构图。图中所示膜片为动电极，两个在凹形玻璃上的金属镀层为固定电极，构成差动电容器。图3-8差动电容式压力传感器的结构图二、电感式传感器1.自感型电感传感器1）可变磁阻式传感器可变磁阻式传感器的构造原理如图3-10所示，由线圈、铁芯和衔铁组成，铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成，在铁芯和衔铁之间有气隙存在。图3-10可变磁阻式传感器的构造原理图3-11列出了几种常用可变磁阻位移传感器的典型结构方案。图3-11（a）所示是可变导磁面积型，其自感L与A0呈线性关系，但和电容式传感器相类似，由于边缘效应，这种传感器的灵敏度比较低。图3-11（b）所示是差动型位移传感器结构，衔铁位移时，可以使两个线圈的间隙一个变大而另一个相应减小。将两个线圈接入相邻交流电桥桥臂，输出灵敏度将提高一倍，线性度得到改善。图3-11（c）所示是单螺线管线圈型位移传感器结构，当铁芯在线圈中移动时，磁阻改变，使得线圈自感发生改变。这种传感器结构简单，制造容易，灵敏度稍低，适合相对位移较大的检测（数个毫米）。螺线管传感器也可采用差动形式，以提高灵敏度和线性度，在实际检测传感器中经常采用。图3-11可变磁阻传感器的结构2）涡流式传感器涡流式传感器的变换原理是利用金属体在交变磁场中的涡流效应。图3-12所示为涡流传感器的工作原理。图3-12涡流传感器工作原理透射式涡流厚度传感器的结构原理如图3-13所示。图3-13电涡流测量金属板厚度电涡流式转速传感器工作原理如图3-14所示。图3-14电涡流式转速传感器工作原理图2.互感型电感传感器实际工作中，应用较多的是螺线管式差动变压器传感器，其工作原理如图3-16所示，变压器由初级线圈和两个参数完全相同的次级线圈W1、W2组成。图3-16差动变压器传感器差动变压器式位移传感器的使用具有的特点。任务二高精度激光位移传感器一、图像传感器图像传感器从功能上讲，是一个能把受光面的光像分成许多小单元（像元），并将它们转换成电信号，然后将其顺序输出的传感器件。在构造上，图像传感器是一种小型固态集成元件，它的核心是CCD。CCD由阵列排列在衬底的金属氧化物硅（MOS）电容器构成，具有光生电荷、积蓄和转移电荷的功能。图3-24所示为一维线性图像传感器（PSD）的结构原理，光敏元阵列与CCD之间有一层转移控制栅，CCD作为移位寄存器。每个光敏元通常是一个MOS电容，并正对着CCD上的电容。在光照射下，光生少数载流子在光敏元中积聚，每个单元所积蓄的电荷量与该单元所收到的光照度和电荷积蓄时间成正比，在光敏元接受光照一定时间后，转移控制栅打开，各光敏元所积蓄的电荷并行地转移到CCD读取寄存器上。随后控制栅关闭，光敏元立即开始下一次的光电荷累积过程。与此同时，上一次的一串电荷信号沿移位寄存器顺序地转移并串行输出。图3-24一维线性图像传感器结构原理图像传感器还可用作光学文字识别装置的“读取头”。其主要由光源、红外滤光片、透镜、图像传感器、后向处理电路等组成。其中，OCR的光源可用卤素灯，光源与透镜间设置红外滤光片以消除红外光影响，每次扫描时间为300μs，因此可做到高速文字识别。把OCR的“读取头”传感过来的信号放大后，经A/D变换后的二进制信号通过特别滤光片后，文字更加清晰，然后把文字逐个断切出来。以上处理称为前置处理，前置处理后，以固定方式对各个文字进行特征抽取。最后将抽取所得特征与预先置入的诸文字特征相比较，以判断与识别输入的文字。二、激光传感器激光的特点如下。（1）激光是单色的，或者说是单频的，有一些激光器可以同时产生不同频率的激光，但是这些激光是互相隔离的，使用时也是分开的。（2）激光是相干光，相干光的特征是其所有的光波都是同步的，整束光就好像一个“波列”。（3）激光是高度集中的，也就是说它要走很长的一段距离才会出现分散或者收敛的现象。激光器有很多种，尺寸大至几个足球场，小至一粒稻谷或盐粒。气体激光器有氦-氖激光器和氩激光器；固体激光器有红宝石激光器；半导体激光器有激光二极管。由于激光的种种特性，使得激光应用于传感器领域优势极大。如激光光斑极小，可以用来测量很微小的位移，激光对物体没有任何压力，因而也不存在弹性变形问题，所示可以认为激光可以“真实”测量等。2.激光三角法测距基于三角检测原理的激光位移传感器采用激光作为光源投射一个亮点或者直线条纹到被测物体表面，经物体反射的激光通过接收器镜头，被内部的CCD线型相机接收，根据不同的距离，CCD线型相机可以在不同的角度下“看见”这个光点，根据这个角度及已知的激光和相机之间的距离，数字信号处理器就能计算出传感器和被测物体之间的距离。3.干涉测量可见光的干涉测量是干涉测量术中最先发展同时也得到最广泛应用的类别，早期的实际应用如迈克耳孙测星干涉仪对恒星角直径的测量，但如何获取稳定的相干光源始终是限制光学测量发展的重要原因之一。直至二十世纪六十年代，光学干涉测量技术得到了飞速的发展，这要归功于激光这一高强度相干光源的发明，计算机等数字集成电路获取并处理干涉仪所得数据的能力大大提升，以及单模光纤的应用增长了实验中的有效光程并仍能保持很低的噪声。电子技术的发展使人们不必再去观察干涉仪产生的干涉条纹，而可以对相干光的相位差直接进行测量。三、光纤式传感器1.光导纤维的结构和导光原理光导纤维是用比头发丝还细的石英玻璃丝制成的，每一根光导纤维由一个圆柱形芯子、包层、保护套组成。光导纤维的芯子是用玻璃材料制成的，折射率为n1；包层是用玻璃或塑料制成的，折射率为n2；且n1＞n2，这样可以保证入射到光纤内的光波集中在芯子内传输。当光线以各种不同角度入射到芯子并射至芯子与包层的交界面时，光线在该处有一部分透射，一部分反射。但当光线在纤维端面中心的入射角θ小于临界入射角θc时，光线就不会透射出界面，而全部被反射。光在界面上经无数次反射，呈锯齿形状路线在芯内向前传播，最后从光纤的另一端传出，这就是光纤的导光原理。2.光导纤维的主要参数(1)数值孔径是光纤的一个重要性能参数，它表示光纤的集光能力。光纤的集光能力越强，光纤与光源之间的耦合越容易。(2)光纤的第二个性能参数是色散。当一个光脉冲信号通过光纤时，由于光纤的色散，在输出端的光脉冲被展宽，出现明显失真，这种现象称为色散。色散影响着光纤传输信息的容量。由于光纤的信息容量很大，用其制作传感器，色散不是主要问题。(3)光纤的另一个性能参数是传输损耗。当光从光纤的一端射入从另一端射出时，光强将减弱，光在光纤中传播时产生了损耗。导致传输损耗的原因主要是光吸收和光散射。3.光纤传感器的工作原理光纤传感器是一种将被测对象的状态转变为可测的光信号传感器。光纤传感器的工作原理是将光源入射的光束经由光纤送入调制器，在调制器内与外界被测参数的相互作用，使光的光学性质，如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等发生变化，成为被调制的光信号，再经过光纤送入光电器件、经解调器后获得被测参数。整个过程中，光束经由光纤导入，通过调制器后再射出，其中光纤的作用首先是传输光束，其次是起到光调制器的作用。4.光纤传感器的分类1)功能型光纤传感器光纤一方面起传输光的作用，另一方面是敏感元件，是靠被测物理量调制或影响光纤的传输特性，把被测物理量的变化转变为调制的光信号。因此，光纤具有“传”和“感”的功能。光纤的输出端采用光电器件，所接受的光信号便是被测量调制后的信号，并使其转变为电信号。此类传感器的优点是结构紧凑、灵敏度高，但是它需用特殊光纤和先进的检测技术，因此，成本高。如光纤陀螺、光纤水听器等。2)非功能型光纤传感器在非功能型传感器中，光纤不是敏感元件，即只“传”不“感。”它是利用在光纤的端面或在两根光纤中间，放置光学材料及机械式或光学式的敏感元件，感受被测物理量的变化。此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低，但灵敏度也较低，应用于对灵敏度要求不太高的场合。目前，已实用化的光纤传感器，大都是非功能型的。〖实训〗1.认识电感式高精度位移传感器。2.高精度激光位移传感器检测物体高度差。〖思考与练习〗1.请设想一下：如果将位移传感器作为检测物体表面粗糙度的仪器，使用电感式位移传感器检测物体表面，对于检测头需要什么要求？可根据表面粗糙度的国家标准进行检测设计。2.高精度激光位移传感器的检测是非接触的，请思考能否使用激光位移传感器作为检测物体表面粗糙度的传感器。3.在工业批量生产中有很多项目需要连续检测，要求检测速度能跟得上流水线生产的速度。请思考并论述：在高速度检测过程中，使用激光位移传感器和电感高精度位移传感器在原理上是否可行？讲解电容式传感器原理及常见介质的相对介电常数。结合图片讲解各种形式的传感器及其特点。根据图3-3引导学生讨论电容的变化量及灵敏度。教师讲解等效电路，引导学生分组讨论电容的实际相对变化量。学生分组讨论电容式传感器的特点，教师总结。结合图片讲解可变磁阻式传感器的构造原理。学生分组讨论不同结构的可变磁阻传感器。教师讲解差动变压器传感器原理及输出特性，学生分组讨论其使用特点。学生分组讨论图形传感器的用途。了解激光的特点。讲解激光三角法检测原理图。教师讲解功能型光纤传感器及非功能型光纤传感器的原理，学生分析其异同点。教学目标知识目标：了解速度传感器检测的一般原理和使用条件，掌握各种速度传感器的量程、精度等检测性能；掌握加速度传感器的一般分类、原理和使用方法。能力目标：认识磁电式速度传感器及其检测适应性，了解工业中常用的速度检测特点及位移传感器的基本选用原则。素质目标：教学重点各种速度传感器的量程、精度等检测性能教学难点各种速度传感器的量程、精度等检测性能教学手段理实一体实物讲解小组讨论、协作教学学时7教学内容与教学过程设计注释项目四速度和加速度检测系统〖理论学习〗任务一认识速度传感器一、测速发电机传感器的要求测速发电机(tachogenerator)是一种检测机械转速的电磁装置。它能把机械转速变换成电压信号，其输出电压与输入的转速成正比关系。自动控制系统对测速发电机的要求，主要是精确度高、灵敏度高、可靠性好等，具体如下。（1）输出电压与转速保持良好的线性关系。（2）剩余电压（转速为零时的输出电压）要小。（3）输出电压的极性和相位能反映被测对象的转向。（4）温度变化对输出特性的影响小。（5）输出电压的斜率大，即转速变化所引起的输出电压的变化要大。（6）摩擦转矩和惯性要小。二、直流测速发电机直流测速发电机实际上是一种微型直流发电机，按励磁方式可分为两种类型。图4-2所示为电磁式测速发电机原理，定子常为二极，励磁绕组由外部直流电源供电，通电时产生磁场。目前，我国生产的CD系列直流测速发电机为电磁式。永磁式测速发电机原理如图4-3所示。定子磁极由永久磁钢做成。永磁式测速发电机由于没有励磁绕组，所以可省去励磁电源，具有结构简单、使用方便等特点。 图4-2电磁式测速发电机原理图4-3永磁式测速发电机原理影响直流测速发电机误差的因素有以下几种。1．电枢反应的影响当直流测速发电机带负载时，负载电流流经电枢，产生电枢反应的去磁作用，使电机气隙磁通减小。因此，在相同转速下，负载时电枢绕组的感应电动势比空载时电枢绕组的感应电动势小。负载电阻越小或转速越高，电枢电流就越大，电枢反应的去磁作用越强，气隙磁通减小的越多，输出电压下降越显著，致使输出特性向下弯曲。2．电刷接触电阻的影响测速发电机带负载时，由于电刷与换向器之间存在接触电阻，会产生电刷的接触压降，使输出电压降低。电刷接触电阻是非线性的，它与流过的电流密度有关。当电枢电流较小时，接触电阻大，接触压降也大；电枢电流较大时，接触电阻小。可见接触电阻与电流成反比。只有电枢电流较大，电流密度达到一定数值后，才可近似认为电刷接触压降是常数。考虑电刷接触压降的影响时，直流测速发电机的输出特性如图4-6所示。图4-6考虑电刷接触压降后的输出特性3．电刷位置的影响当直流测速发电机带负载运行时，若电刷没有严格地位于几何中性线上，会造成测速发电机正反转时输出电压不对称，即在相同的转速下，测速发电机正反向旋转时，输出电压不完全相等。这是因为当电刷偏离几何中性线一个不大的角度时，电枢反应的直轴分量磁通在一种转向下起着去磁作用，而在另一种转向下起着增磁作用。因此，在两种不同的转向下，尽管转速相同，但电枢绕组的感应电动势不相等，其输出电压也不相等。4．温度的影响电磁式直流测速发电机在实际工作时，由于周围环境温度的变化以及发电机本身发热（由发电机各种损耗引起），都会引起发电机中励磁绕组电阻的变化。当温度升高时，励磁绕组电阻增大。这时即使励磁电压保持不变，励磁电流也将减小，磁通也随之减小，导致电枢绕组的感应电动势和输出电压降低。铜的电阻温度系数约为0.004℃-1，即当温度每升高25℃，其电阻值相应增加10%。所以，温度的变化对电磁式直流测速发电机输出特性的影响是很大的。5．纹波的影响实际上直流测速发电机，在Φ和n为定值时，其输出电压并不是稳定的直流电压，而总是带有微弱的脉动，通常把这种脉动称为纹波。引起纹波的因素很多，主要由电机本身的固有结构及加工误差引起。电枢绕组的电动势是每条支路中电枢元件电动势的叠加。由于发电机中每个电枢元件的感应电动势是变化的，所以电枢电动势也不是恒定的，即存在纹波。增加每条支路中串联的元件数，可以减小纹波。但由于工艺所限，电机的槽数、元件数及换向片数不可能无限增加，所以输出电压不可避免要产生脉动。另外，由于电枢铁芯有齿有槽，气隙不均匀，铁芯材料的导磁性能各向相异等，也会使输出电压中纹波幅值上升。三、交流异步测速发电机交流测速发电机分为同步测速发电机和异步测速发电机两大类。同步测速发电机又分为永磁式、感应子式和脉冲式三种。异步测速发电机按其结构可分为鼠笼转子和空心杯转子两种。它的结构与交流伺服电动机相同。鼠笼转子异步测速发电机输出斜率大，但线性度差，相位误差大，剩余电压高，一般只用在精度要求不高的控制系统中。空心杯转子异步测速发电机的精度较高，转子转动惯量也小，性能稳定。空心杯转子异步测速发电机的工作原理如图4-8所示。空心杯转子可以看成一个鼠笼导条数目很多的鼠笼转子。当电机的励磁绕组加上频率为f的交流电压Uf，则在励磁绕组中就会有电流If通过，并在内外定子间的气隙中产生脉振磁场。脉振的频率与电源频率f相同，脉振磁场的轴线与励磁绕组Wf的轴线一致。当转子静止（n=0）时，转子杯导条与脉振磁通Φd相匝链，并产生感应电动势。这时励磁绕组与转子杯之间的电磁耦合情况和变压器一次侧和二次侧的情况完全一样。因此，脉振磁场在励磁绕组和转子杯中分别产生的感应电动势称为变压器电动势。若忽略励磁绕组Wf的电阻R1及漏阻抗X1，则根据变压器的电压平衡方程式，电源电压Uf与励磁绕组中的感应电动势Ef相平衡，电源电压的大小近似地等于感应电动势的大小，即Uf≈Ef(4-2)又因为Ef∝Φd，所以电源电压Uf一定时，磁通Φd也基本保持不变。由于输出绕组的轴线与励磁绕组的轴线相差90°电角度，因此，磁通Φd与输出绕组无匝链，不会在输出绕组中产生感应电动势，输出电压U2为0，如图4-8（a）所示。当转子以转速n转动时，转子杯中除了上述变压器电动势外，转子杯导条切割磁通Φd而产生切割电动势Er（或称旋转电动势），如图4-8（b）所示。电于磁通Φd为脉振磁通，所以电动势Er亦为交变电动势，其交变频率为磁通Φd的脉振频率f。若磁通Φd的幅值为恒定时，则电动势Er与转子的转速n成正比关系。图4-8异步测速发电机的工作原理在理想情况下，异步测速发电机的输出特性应是直线，但实际上异步测速发电机输出电压与转速之间并不是严格的线性关系，而是非线性的。异步测速发电机的输出特性如图4-9所示。图4-9异步测速发电机的输出特性为减少上述测速发电机的非线性，可采取以下措施。（1）常采用增大转子电阻的办法，来满足输出特性的线性要求。（2）异步测速发电机对励磁电源电压的幅值、频率和波形要求都比较高。（3）电机温度的变化会使励磁绕组和空心杯转子的电阻以及磁性材料的磁性能发生变化，从而使输出特性发生改变。在理论上测速发电机的转速为零时，输出电压也为零。但实际上异步测速发电机转速为零时，输出电压并不为零，这就会使控制系统产生误差。这种测速发电机在规定的交流电源励磁下，电机的转速为零时，输出绕组所产生的电压，称为剩余电压（或零速电压）。它的数值一般只有几十毫伏，但它的存在却使输出特性曲线不再从坐标的原点开始。它是引起异步测速发电机误差的主要部分。减小剩余电压的措施如下。（1）改进电机的制造材料及工艺。选用磁通密度较低的铁芯，降低磁路的饱和度；采用可调铁芯结构或定子铁芯旋转叠装法；采用具有补偿绕组的结构等都可减小剩余电压。（2）外接补偿装置。在电机的外部采用适当的线路，产生一个校正电压来抵消电机所产生的剩余电压。四、无刷直流测速发电机有刷直流测速发电机存在很多的缺点，如可靠性差、无线电干扰大、引起摩擦转矩、输出电压不稳定等。因此应大力开展对无刷直流测速发电机的研制，如霍尔无刷直流测速发电机、电子换向式无刷直流测速发电机、两极管式测速发电机等。下面介绍霍尔无刷直流测速发电机。图4-10所示为霍尔无刷直流测速发电机的原理图。图4-10霍尔无刷直流测速发电机的原理图任务二压电传感器的应用一、压电式传感器压电式传感器是一种可逆式换能器，既可以将机械能转换为电能，也可以将电能转换为机械能。图4-13压电材料压电传感器的工作原理基于压电效应。某些物质，如石英、锆钛酸铅等，当受到外力作用时，不仅几何形状发生变化，而且内部产生极化，表面出现电荷，形成电场；当外力消失时，材料重新回复到原来状态，这种现象称作压电效应。图4-13压电材料压电效应可看作一个当量的电容器，如果施加在晶片上的外力不变，积聚在极板上的电荷无内部泄露，外电路负载无穷大。在外力作用期间，电荷量始终保持不变，直到外力的作用终止时，电荷才随之消失。如果负载不是无穷大，电路将会按照指数规律放电，极板上的电荷无法保持不变，从而造成检测误差。因此，利用压电式传感器检测静态或准静态量时，必须要采用极高阻抗的负载。在动态检测时，变化快，漏电相对小，所以压电传感器适宜于动态检测。由于压电传感器输出信号很小，本身的内阻抗很大，输出阻抗很高，因此，给它的后续测量电路提出了很高的要求。为了解决这一矛盾，通常需要将传感器的输出接入一个高输入阻抗的前置放大器。经过阻抗变换后再送入普通的放大器进行放大、检波等处理。前置放大器的作用是：一方面把传感器的高输出阻抗变换为低输出阻抗，另一方面是放大传感器输出的微弱信号。压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号，因此，前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷放大器。使用电压放大器会给测量带来不稳定因素，影响传感器的灵敏度。因此，现在通常采用性能稳定的电荷放大器。电荷放大器常作为压电传感器的输入电路，它由一个带有反馈电容Cf的高增益运算放大器构成。由于传感器的漏电阻Ra和电荷放大器的输入电阻Ri很大，可以看作开路，而运算放大器输入阻抗极高，在其输入端几乎没有分流，故可略去Ra和Ri并联电阻。二、加速度计简介与选型现代技术的发展使得加速度计日趋小型化，微机械加速度计的外形比硬币要小，并且已经集成到芯片上，而检测精度也普遍显著提高，如市场上流行的智能手机中也应用了类似的加速度计，作为重力下控制显示方向的开关。这种集成化是现代加速度计的重要发展方向。外形与硬币工业中应用的加速度计一般多为压电晶体传感器，除了压电式以外，还有电容式或电感式加速度计。某些测试现场的环境较为恶劣，考虑的因素较多，如防水、高温、安装位置、强磁电场及地电回路等，均会给检测带来很大的影响。具体考虑环境因素如下。（1）防水。防水有两个概念，浅层防水和深层防水，尤以深层防水为难，如三峡工程永久船闸闸门的振动监测，水深近百米，它涉及地回路干扰、高压渗水、导线防护、长期可靠性等诸多问题。（2）高温。多数厂商给出的传感器温度范围为可用值，而不是高温状况的灵敏度，实际上，高温时灵敏度偏差较大，特殊用户应向厂商索取专用的高温时的灵敏度指标，灵敏度指标是保证测试准确的关键。（3）位置限制。加速度传感器永久安装在现场会受到人为碰撞，应选择工业型长期监测加速度传感器，它采用外加防护罩，三角法兰安装，具有对地绝缘、防尘的作用。对出线方向有要求的可向制造商提出。对于不能触及的部位，可使用手持式加速度传感器（带长探针）。（4）绝缘、地电回路及磁电场。对磁电场较强的测试现场，应选择特殊外壳材料的加速度传感器和专用导线，此类研究国内罕见。对于两点接地、潮湿等现场，可采用浮地型加速度传感器或绝缘型加速度传感器，同时要考虑导线接头的防护。没有特殊要求且干扰不大的工况，可用绝缘型加速度传感器，而永久型监测或干扰大的工况则应采用浮地型加速度传感器。这两种类型传感器的区别在于绝缘型产品的外壳为信号地，浮地型产品的外壳为屏蔽层。附加质量在振动结构上安装的加速度传感器的质量要小于被测点的自身动态质量的1/10即可，认为此时对被测信号的影响可以忽略。〖实训〗1.使用测速发电机检测转轴转动速度。2.使用加速度传感器检测振动值。〖思考与练习〗1.检测振动的速度传感器还有一种动圈式传感器，如图4-22所示。图中线圈环绕一个磁铁，当磁铁上下运动时，在电路回路中的电阻R会产生电流。请思考这个电流和哪些因素相关，所检测的结果为什么是振动的速度检测值。图4-22动圈式传感器原理2.任务二中的振动检测，加速度测量头安置在铁板中哪一部分数显表显示值最大？为什么？了解对测速发电机传感器的要求。结合图片讲解电磁式测速发电机及永磁式测速发电机原理。教师讲解影响直流测速发电机误差的因素，学生分组讨论解决办法。教师结合图片讲解异步测速发电机的工作原理。同学分组讨论减少测速发电机的非线性的措施，教师总结。结合图片讲解霍尔无刷直流测速发电机的原理。讲解压电元件等效电路及电荷放大器等效电路。了解加速度计基本情况，清楚影响测量的因素。教学目标知识目标：熟悉电阻应变片式传感器的使用，了解力检测的一般原理和使用条件，掌握力传感器的一般分类、原理和使用方法；熟悉压阻式传感器的使用，了解压力检测的一般原理和使用条件，掌握压力传感器的一般分类、原理和使用方法。能力目标：认识电阻应变片传感器及其检测适应性，了解工业中常用的各种电阻应变片式传感器的基本选用原则；认识压阻式传感器及其检测适应性，了解工业中常用的各种压阻式传感器的使用方法和一般规程。素质目标：教学重点压阻式传感器的检测原理和检测方法教学难点压阻式传感器的检测原理教学手段理实一体实物讲解小组讨论、协作教学学时7教学内容与教学过程设计注释项目五力和压力检测系统〖理论学习〗任务一认识力传感器一、电阻应变片式测力传感器电阻应变片式测力传感器多应用于工程检测上，如水坝、桥梁、涵洞等结构件的应力监测，也应用于变形测试和振动检测等行业中，在称重检测中也得到了广泛的应用。常见的电阻应变片检测力原理如图5-1所示。在一个圆柱形弹性体的圆柱面上按照径向和轴向表面的对称位置上粘贴电阻应变片，根据弹性力学和材料力学的知识可以推断由于弹性体受力变形，在径向和轴向会产生相应的应变，使得两个方向上产生伸长和缩短的效应，这时电阻应变片也和弹性体表面一起产生相应的变形，从而使得电阻发生变化。图5-1电阻应变式测力传感器电阻丝应变片结构如图5-3所示，将直径为0.01~0.05mm的高电阻系数的金属丝弯曲成栅形，用粘结剂粘贴在绝缘基体上，金属丝的两端焊接有引线，表面粘接绝缘保护片。金属丝的作用是感受试样表面的应变变化，被称为敏感栅。图5-3电阻丝应变片结构敏感栅应具有以下几个特点。（1）较高的电阻系数，即单位长度的电阻较大。（2）较大的应变灵敏度系数，且电阻应变灵敏度系数在尽可能大的应变范围内保持常数，即线性度较好。（3）较小的温度系数。（4）较高的弹性极限，有较宽的应变检测范围。（5）良好的加工性能和焊接性。一般在300℃以下工作时可选用康铜丝应变片，在300℃以上工作时可选用镍铬合金应变片、铂铱合金应变片等。有金属丝应变片、箔式应变片和半导体应变片，如图5-4所示。图5-4应变片形式影响应变式传感器精度的主要因素有理论设计误差，如传感器电路、弹性元件、应变片、壳体、保护层等因素的影响；工艺制造和使用误差，如应变片制造误差、补偿回路（包括蠕变补偿）、弹性体材料热处理、机械加工、残余应力与应变的影响等。这些因素制约高精度长寿命应变传感器的质量和应用，国内生产的应变片在精度与寿命上与先进国家相比仍有差距。二、压磁式力传感器某些铁磁材料（磁致伸缩材料）受到压缩时，导磁率沿应力方向下降，而沿与应力垂直方向增加，称为压磁效应。材料受拉时，导磁率变化则相反。无外力作用下，载流导线通过这种材料中的孔，材料中的磁力线呈以导线为中心的同心圆分布。在外力作用下，磁力线呈椭圆分布，椭圆长轴与外力方向一致（拉力）。若该铁磁材料开有四个对称的通孔，如图5-6所示，交叉绕两组相互垂直的线圈，激励线圈所产生的磁力线在绕组两侧对称布置，合成磁场强度与检测绕组平面平行，磁力线不和检测绕组交联，从而使得后者不产生感应电动势。一旦受到外力作用，磁力线发生变化，部分磁力线和检测绕组交联，在该绕组中产生感应电动势。作用力越大，感应电动势越大。这类力传感器的输出电动势较大，一般不需经过放大，但需要经过滤波和整流处理。图5-6压磁效应传感器在使用上需要考虑受力点的位置，压磁式传感器如果受力点不同，即使受力值相同，检测结果也有可能不同。所以，一般传感器敏感元件作为核心部件，周围布置有弹性框架传递力引起的变形，避免检测中的不确定性。压磁式传感器的典型结构形式如图5-7所示。其中主要的区别是压磁元件的结构形式。图5-7压磁式传感器结构形式三、振弦式力传感器利用不同的受力机构可做成检测力、扭矩或加速度等的各种振弦式传感器，检测原理如图5-8所示。图5-8振弦传感器检测原理四、检测电桥1.按功能分类1）平衡电桥平衡电桥主要应用于静态检测或在反馈系统中起到比较器的作用。由被测量变化引起作为桥臂的传感器阻抗变化。桥路失去平衡，产生输出，以此输出作为反馈，使桥路中作为恢复平衡用的桥臂阻抗随之调整，在桥路恢复平衡时，此调整的桥臂阻抗可反映被测量。2）不平衡电桥不平衡电桥是直接利用电桥平衡被破坏后产生的输出（电压或者电流）反映被测量。桥路失去平衡是由于作为桥臂的传感器阻抗随其输入（被测非电量）变化而变化所致，由于不平衡电桥无反馈和恢复平衡的过程，因此对被测量的变化反应快、结构简单，但准确度不如平衡电桥。2.按电桥电源分类1）直流电桥从电桥输出的线性度以及电桥臂阻抗受温度等干扰而变化时造成对桥输出的影响看，恒流源电桥明显优于恒压源电桥，因此适用于以半导体电阻为敏感元件的传感器。如图5-9所示，有四个电阻组成一四边形电路，其中一组对角线中接激励源（电压或电流），另一组对角线接到电桥放大器上。R1~R4称为电桥的桥臂。图5-9直流电桥常用电桥形式如图5-10所示。图5-10常用电桥形式2）交流电桥交流电桥电源为正弦交流或对称矩形波，它虽调节平衡比直流电桥麻烦，但输出交流信号易于放大，抗干扰能力强，且电桥的灵敏度通常比直流电桥高。因此它不仅用于电感和电容参数的变换，也经常用于电阻参数的变换。这类电桥通常可获得更为优良的性能。任务二压阻式压力传感器的应用一、压阻式压力传感器当力作用于某些硅晶体时，晶体的晶格产生变形，使载流子从一个能谷向另一个能谷散射，引起载流子的迁移率发生变化，扰动了载流子纵向和横向的平均量，从而使硅的电阻率发生变化。这种变化随晶体的取向不同而异，因此硅的压阻效应与晶体的取向有关。硅的压阻效应不同于电阻应变片，前者电阻随压力的变化主要取决于电阻率的变化，后者电阻的变化则主要取决于几何尺寸的变化（应变），而且前者的灵敏度比后者大50～100倍。如图5-15所示，利用腔体内流体压力不同，使得硅膜片受力后产生电阻变化，从而得到压力数值，是一般通用压力传感器的基本转换原理。图5-15压阻式传感器原理压阻式压力传感器广泛地应用于航空航天、航海、石油化工、动力机械、生物医学工程、气象、地质、地震检测等各个领域。二、压力传感器检测常识1.负压和绝压检测图5-17所示为负压检测压力图，负压传感器也称为表压传感器，传感器两端均连接至大气，两端大气压力相同时相互抵消。未加压情况下为调整零点，并且零点输出始终一致。所以，负压检测的是一种相对压力，即当前大气相对于大气压的压力。显然，如果将大气环境换为特定的参考气压，负压传感器就成了差压传感器。图5-17负压检测压力图5-18所示为绝压检测压力图，绝压传感器的背面完全密封且抽为真空。因此，绝压传感器可以检测大气压的变化，通常检测没有参考气压值的气体环境。图5-18绝压检测压力2.漂移及影响传感器漂移的因素压力传感器中的漂移产生的根本原因在于所有的压力传感器均基于一种材料的弹性变形，不论其材质弹性如何良好，每次弹性回复后，总会产生一定的弹性疲劳和残余形变。在传感器使用过程中，由弹性材料引起的漂移根据材质不同各不相同。除了材料引起的漂移外，还有一种更为显著的漂移，即温度漂移。温度漂移是因为温度变化而引起的压力传感器输出的变化，这种漂移也是由材料的多重特性决定的。因为一种材料对压力敏感的同时也对温度敏感。通常压力传感器都要进行温度补偿，利用另外一种温度特性相反的材料抵消温度引起的变化。随着数字技术的发展，现代传感器也采用数字补偿方法。3.精度压力传感器的精度表示方法是以误差值的大小来量度的，一般为±%FS，即误差相当于满量程的百分比。通常精度包含了非线性误差、重复性误差和迟滞（回复）误差。例如，压力传感器标示精度为±0.5%FS，量程为100kPa，则最大误差不会大于±0.5kPa。三、压力传感器性能指标压力传感器的种类繁多，其性能也有较大的差异，如何选择较为适用的传感器，做到经济、合理的使用，主要依靠以下指标。1.额定压力范围额定压力范围是满足标准规定值的压力范围，也就是在最高和最低温度之间，传感器输出符合规定工作特性的压力范围。在实际应用时传感器所测压力在该范围之内。2.最大压力范围最大压力范围是指传感器能长时间承受的最大压力，且不引起输出特性永久性改变，特别是半导体压力传感器，为提高线性和温度特性，一般都大幅度减小额定压力范围。因此，即使在额定压力以上连续使用也不会被损坏。一般最大压力是额定压力最高值的2~3倍。3.损坏压力损坏压力是指能够加工在传感器上，且不使传感器元件或传感器外壳损坏的最大压力。4.线性度线性度是指在工作压力范围内，传感器输出与压力之间直线关系的最大偏离。5.压力迟滞为在室温下及工作压力范围内，从最小工作压力和最大工作压力趋近某一压力时，传感器输出之差。6.温度范围压力传感器的温度范围分为补偿温度范围和工作温度范围。补偿温度范围是由于施加了温度补偿，精度进入额定