【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 頻的，有一些激光器可以同時(shí)產(chǎn)生不同頻率的激光，但是這些激光是互相隔離的，使用時(shí)也是分開的；（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，整束光就好像一個(gè)“波列”；（3）激光是高度集中的，也就是說它要走很長的一段距離才會(huì)出現(xiàn)分散或者收斂的現(xiàn)象。激光器有很多種，尺寸大至幾個(gè)足球場(chǎng)，小至一粒稻谷或鹽粒。氣體激光器有氦氖激光器和氬激光器；固體激光器有紅寶石激光器；半導(dǎo)體激光器有激光二極管，像CD機(jī)、DVD機(jī)和CDROM。由于激光的種種特性，使得激光應(yīng)用于傳感器領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)極大。如激光光斑極小，可以用來測(cè)量很微小的位移，激光對(duì)物體沒有任何壓力，因而也不存在彈性變形問題，所示可以認(rèn)為激光可以“真實(shí)”測(cè)量等?；谌菣z測(cè)原理的激光位移傳感器采用激光作為光源投射一個(gè)亮點(diǎn)或者直線條紋到被測(cè)物體表面，經(jīng)物體反射的激光通過接收器鏡頭，被內(nèi)部的CCD線型相機(jī)接收，根據(jù)不同的距離，CCD線型相機(jī)可以在不同的角度下“看見”這個(gè)光點(diǎn)，根據(jù)這個(gè)角度及已知的激光和相機(jī)之間的距離，數(shù)字信號(hào)處理器就能計(jì)算出傳感器和被測(cè)物體之間的距離。可見光的干涉測(cè)量是干涉測(cè)量術(shù)中最先發(fā)展同時(shí)也得到最廣泛應(yīng)用的類別，早期的實(shí)際應(yīng)用如邁克耳孫測(cè)星干涉儀對(duì)恒星角直徑的測(cè)量，但如何獲取穩(wěn)定的相干光源始終是限制光學(xué)測(cè)量發(fā)展的重要原因之一。直至二十世紀(jì)六十年代，光學(xué)干涉測(cè)量技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，這要?dú)w功于激光這一高強(qiáng)度相干光源的發(fā)明，計(jì)算機(jī)等數(shù)字集成電路獲取并處理干涉儀所得數(shù)據(jù)的能力大大提升，以及單模光纖的應(yīng)用增長了實(shí)驗(yàn)中的有效光程并仍能保持很低的噪聲。電子技術(shù)的發(fā)展使人們不必再去觀察干涉儀產(chǎn)生的干涉條紋，而可以對(duì)相干光的相位差直接進(jìn)行測(cè)量。三、光纖式傳感器光導(dǎo)纖維是用比頭發(fā)絲還細(xì)的石英玻璃絲制成的，每一根光導(dǎo)纖維由一個(gè)圓柱形芯子、包層、保護(hù)套組成。光導(dǎo)纖維的芯子是用玻璃材料制成的，折射率為n1；包層是用玻璃或塑料制成的，折射率為n2；且n1＞n2，這樣可以保證入射到光纖內(nèi)的光波集中在芯子內(nèi)傳輸。當(dāng)光線以各種不同角度入射到芯子并射至芯子與包層的交界面時(shí)，光線在該處有一部分透射，一部分反射。但當(dāng)光線在纖維端面中心的入射角θ小于臨界入射角θc 時(shí)，光線就不會(huì)透射出界面，而全部被反射。光在界面上經(jīng)無數(shù)次反射，呈鋸齒形狀路線在芯內(nèi)向前傳播，最后從光纖的另一端傳出，這就是光纖的導(dǎo)光原理。(1)數(shù)值孔徑是光纖的一個(gè)重要性能參數(shù)，它表示光纖的集光能力。光纖的集光能力越強(qiáng)，光纖與光源之間的耦合越容易。(2)光纖的第二個(gè)性能參數(shù)是色散。當(dāng)一個(gè)光脈沖信號(hào)通過光纖時(shí)，由于光纖的色散，在輸出端的光脈沖被展寬，出現(xiàn)明顯失真，這種現(xiàn)象稱為色散。色散影響著光纖傳輸信息的容量。由于光纖的信息容量很大，用其制作傳感器，色散不是主要問題。(3)光纖的另一個(gè)性能參數(shù)是傳輸損耗。當(dāng)光從光纖的一端射入從另一端射出時(shí)，光強(qiáng)將減弱，光在光纖中傳播時(shí)產(chǎn)生了損耗。導(dǎo)致傳輸損耗的原因主要是光吸收和光散射。光纖傳感器是一種將被測(cè)對(duì)象的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)的光信號(hào)傳感器。光纖傳感器的工作原理是將光源入射的光束經(jīng)由光纖送入調(diào)制器，在調(diào)制器內(nèi)與外界被測(cè)參數(shù)的相互作用，使光的光學(xué)性質(zhì)，如光的強(qiáng)度、波長、頻率、相位、偏振態(tài)等發(fā)生變化，成為被調(diào)制的光信號(hào)，再經(jīng)過光纖送入光電器件、經(jīng)解調(diào)器后獲得被測(cè)參數(shù)。整個(gè)過程中，光束經(jīng)由光纖導(dǎo)入，通過調(diào)制器后再射出，其中光纖的作用首先是傳輸光束，其次是起到光調(diào)制器的作用。1)功能型光纖傳感器光纖一方面起傳輸光的作用，另一方面是敏感元件，是靠被測(cè)物理量調(diào)制或影響光纖的傳輸特性，把被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)檎{(diào)制的光信號(hào)。因此，光纖具有“傳”和“感”的功能。光纖的輸出端采用光電器件，所接受的光信號(hào)便是被測(cè)量調(diào)制后的信號(hào)，并使其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。此類傳感器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高，但是它需用特殊光纖和先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)，因此，成本高。如光纖陀螺、光纖水聽器等。2)非功能型光纖傳感器在非功能型傳感器中，光纖不是敏感元件，即只“傳”不“感?！彼抢迷诠饫w的端面或在兩根光纖中間，放置光學(xué)材料及機(jī)械式或光學(xué)式的敏感元件，感受被測(cè)物理量的變化。此類光纖傳感器無需特殊光纖及其他特殊技術(shù)，比較容易實(shí)現(xiàn)，成本低，但靈敏度也較低，應(yīng)用于對(duì)靈敏度要求不太高的場(chǎng)合。目前，已實(shí)用化的光纖傳感器，大都是非功能型的?！紝?shí)訓(xùn)〗〖思考與練習(xí)〗，使用電感式位移傳感器檢測(cè)物體表面，對(duì)于檢測(cè)頭需要什么要求，可根據(jù)表面粗糙度的國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)設(shè)計(jì)。，請(qǐng)思考能否使用激光位移傳感器作為檢測(cè)物體表面粗糙度的傳感器。，要求檢測(cè)速度能跟得上流水線生產(chǎn)的速度。請(qǐng)思考并論述：在高速度檢測(cè)過程中，使用激光位移傳感器和電感高精度位移傳感器在原理上是否可行。講解電容式傳感器原理及常見介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。結(jié)合圖片講解各種形式的傳感器及其特點(diǎn)。根據(jù)圖33引導(dǎo)學(xué)生討論電容的變化量及靈敏度。教師講解等效電路，引導(dǎo)學(xué)生分組討論電容的實(shí)際相對(duì)變化量。學(xué)生分組討論電容式傳感器的特點(diǎn)，教師總結(jié)。結(jié)合圖片講解可變磁阻式傳感器的構(gòu)造原理。學(xué)生分組討論不同結(jié)構(gòu)的可變磁阻傳感器。教師講解差動(dòng)變壓器傳感器原理及輸出特性，學(xué)生分組討論其使用特點(diǎn)。學(xué)生分組討論圖形傳感器的用途。了解激光的特點(diǎn)。講解激光三角法檢測(cè)原理圖。教師講解功能型光纖傳感器及非功能型光纖傳感器的原理，學(xué)生分析其異同點(diǎn)。教學(xué)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)：了解速度傳感器檢測(cè)的一般原理和使用條件，掌握各種速度傳感器的量程、精度等檢測(cè)性能。能力目標(biāo)：認(rèn)識(shí)磁電式速度傳感器及其檢測(cè)適應(yīng)性，了解工業(yè)中常用的速度檢測(cè)特點(diǎn)及位移傳感器的基本選用原則。素質(zhì)目標(biāo)： 教學(xué)重點(diǎn)各種速度傳感器的量程、精度等檢測(cè)性能教學(xué)難點(diǎn)各種速度傳感器的量程、精度等檢測(cè)性能教學(xué)手段理實(shí)一體實(shí)物講解小組討論、協(xié)作教學(xué)學(xué)時(shí)7教 學(xué) 內(nèi) 容 與 教 學(xué) 過 程 設(shè) 計(jì)注 釋項(xiàng)目四 速度和加速度檢測(cè)系統(tǒng)〖理論學(xué)習(xí)〗任務(wù)一 認(rèn)識(shí)速度傳感器一、測(cè)速發(fā)電機(jī)傳感器的要求測(cè)速發(fā)電機(jī)(tachogenerator)是一種檢測(cè)機(jī)械轉(zhuǎn)速的電磁裝置。它能把機(jī)械轉(zhuǎn)速變換成電壓信號(hào)，其輸出電壓與輸入的轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)測(cè)速發(fā)電機(jī)的要求，主要是精確度高、靈敏度高、可靠性好等，具體如下。（1）輸出電壓與轉(zhuǎn)速保持良好的線性關(guān)系。（2）剩余電壓（轉(zhuǎn)速為零時(shí)的輸出電壓）要小。（3）輸出電壓的極性和相位能反映被測(cè)對(duì)象的轉(zhuǎn)向。（4）溫度變化對(duì)輸出特性的影響小。（5）輸出電壓的斜率大，即轉(zhuǎn)速變化所引起的輸出電壓的變化要大。（6）摩擦轉(zhuǎn)矩和慣性要小。二、直流測(cè)速發(fā)電機(jī)直流測(cè)速發(fā)電機(jī)實(shí)際上是一種微型直流發(fā)電機(jī)，按勵(lì)磁方式可分為兩種類型。圖42所示為電磁式測(cè)速發(fā)電機(jī)原理，定子常為二極，勵(lì)磁繞組由外部直流電源供電，通電時(shí)產(chǎn)生磁場(chǎng)。目前，我國生產(chǎn)的CD 系列直流測(cè)速發(fā)電機(jī)為電磁式。永磁式測(cè)速發(fā)電機(jī)原理如圖43所示。定子磁極由永久磁鋼做成。永磁式測(cè)速發(fā)電機(jī)由于沒有勵(lì)磁繞組，所以可省去勵(lì)磁電源，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便等特點(diǎn)。 圖42 電磁式測(cè)速發(fā)電機(jī)原理圖43 永磁式測(cè)速發(fā)電機(jī)原理影響直流測(cè)速發(fā)電機(jī)誤差的因素有以下幾種。1．電樞反應(yīng)的影響當(dāng)直流測(cè)速發(fā)電機(jī)帶負(fù)載時(shí)，負(fù)載電流流經(jīng)電樞，產(chǎn)生電樞反應(yīng)的去磁作用，使電機(jī)氣隙磁通減小。因此，在相同轉(zhuǎn)速下，負(fù)載時(shí)電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)比空載時(shí)電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)小。負(fù)載電阻越小或轉(zhuǎn)速越高，電樞電流就越大，電樞反應(yīng)的去磁作用越強(qiáng)，氣隙磁通減小的越多，輸出電壓下降越顯著，致使輸出特性向下彎曲。2．電刷接觸電阻的影響測(cè)速發(fā)電機(jī)帶負(fù)載時(shí)，由于電刷與換向器之間存在接觸電阻，會(huì)產(chǎn)生電刷的接觸壓降，使輸出電壓降低。電刷接觸電阻是非線性的，它與流過的電流密度有關(guān)。當(dāng)電樞電流較小時(shí)，接觸電阻大，接觸壓降也大；電樞電流較大時(shí)，接觸電阻小?？梢娊佑|電阻與電流成反比。只有電樞電流較大，電流密度達(dá)到一定數(shù)值后，才可近似認(rèn)為電刷接觸壓降是常數(shù)?？紤]電刷接觸壓降的影響時(shí)，直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出特性如圖46所示。圖46 考慮電刷接觸壓降后的輸出特性3．電刷位置的影響當(dāng)直流測(cè)速發(fā)電機(jī)帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)，若電刷沒有嚴(yán)格地位于幾何中性線上，會(huì)造成測(cè)速發(fā)電機(jī)正反轉(zhuǎn)時(shí)輸出電壓不對(duì)稱，即在相同的轉(zhuǎn)速下，測(cè)速發(fā)電機(jī)正反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，輸出電壓不完全相等。這是因?yàn)楫?dāng)電刷偏離幾何中性線一個(gè)不大的角度時(shí)，電樞反應(yīng)的直軸分量磁通在一種轉(zhuǎn)向下起著去磁作用，而在另一種轉(zhuǎn)向下起著增磁作用。因此，在兩種不同的轉(zhuǎn)向下，盡管轉(zhuǎn)速相同，但電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不相等，其輸出電壓也不相等。4．溫度的影響電磁式直流測(cè)速發(fā)電機(jī)在實(shí)際工作時(shí)，由于周圍環(huán)境溫度的變化以及發(fā)電機(jī)本身發(fā)熱（由發(fā)電機(jī)各種損耗引起），都會(huì)引起發(fā)電機(jī)中勵(lì)磁繞組電阻的變化。當(dāng)溫度升高時(shí)，勵(lì)磁繞組電阻增大。這時(shí)即使勵(lì)磁電壓保持不變，勵(lì)磁電流也將減小，磁通也隨之減小，導(dǎo)致電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和輸出電壓降低。 ℃1，即當(dāng)溫度每升高25 ℃，其電阻值相應(yīng)增加10%。所以，溫度的變化對(duì)電磁式直流測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出特性的影響是很大的。5．紋波的影響實(shí)際上直流測(cè)速發(fā)電機(jī)，在Φ和n為定值時(shí)，其輸出電壓并不是穩(wěn)定的直流電壓，而總是帶有微弱的脈動(dòng)，通常把這種脈動(dòng)稱為紋波。引起紋波的因素很多，主要由電機(jī)本身的固有結(jié)構(gòu)及加工誤差引起。電樞繞組的電動(dòng)勢(shì)是每條支路中電樞元件電動(dòng)勢(shì)的疊加。由于發(fā)電機(jī)中每個(gè)電樞元件的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是變化的，所以電樞電動(dòng)勢(shì)也不是恒定的，即存在紋波。增加每條支路中串聯(lián)的元件數(shù)，可以減小紋波。但由于工藝所限，電機(jī)的槽數(shù)、元件數(shù)及換向片數(shù)不可能無限增加，所以輸出電壓不可避免要產(chǎn)生脈動(dòng)。另外，由于電樞鐵芯有齒有槽，氣隙不均勻，鐵芯材料的導(dǎo)磁性能各向相異等，也會(huì)使輸出電壓中紋波幅值上升。三、交流異步測(cè)速發(fā)電機(jī)交流測(cè)速發(fā)電機(jī)分為同步測(cè)速發(fā)電機(jī)和異步測(cè)速發(fā)電機(jī)兩大類。同步測(cè)速發(fā)電機(jī)又分為永磁式、感應(yīng)子式和脈沖式三種。異步測(cè)速發(fā)電機(jī)按其結(jié)構(gòu)可分為鼠籠轉(zhuǎn)子和空心杯轉(zhuǎn)子兩種。它的結(jié)構(gòu)與交流伺服電動(dòng)機(jī)相同。鼠籠轉(zhuǎn)子異步測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出斜率大，但線性度差，相位誤差大，剩余電壓高，一般只用在精度要求不高的控制系統(tǒng)中?？招谋D(zhuǎn)子異步測(cè)速發(fā)電機(jī)的精度較高，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也小，性能穩(wěn)定?？招谋D(zhuǎn)子異步測(cè)速發(fā)電機(jī)的工作原理如圖48所示?？招谋D(zhuǎn)子可以看成一個(gè)鼠籠導(dǎo)條數(shù)目很多的鼠籠轉(zhuǎn)子。當(dāng)電機(jī)的勵(lì)磁繞組加上頻率為f的交流電壓f，則在勵(lì)磁繞組中就會(huì)有電流f通過，并在內(nèi)外定子間的氣隙中產(chǎn)生脈振磁場(chǎng)。脈振的頻率與電源頻率f相同，脈振磁場(chǎng)的軸線與勵(lì)磁繞組Wf的軸線一致。當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止（n=0）時(shí)，轉(zhuǎn)子杯導(dǎo)條與脈振磁通d相匝鏈，并產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。這時(shí)勵(lì)磁繞組與轉(zhuǎn)子杯之間的電磁耦合情況和變壓器一次側(cè)和二次側(cè)的情況完全一樣。因此，脈振磁場(chǎng)在勵(lì)磁繞組和轉(zhuǎn)子杯中分別產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)稱為變壓器電動(dòng)勢(shì)。若忽略勵(lì)磁繞組Wf的電阻R1及漏阻抗X1，則根據(jù)變壓器的電壓平衡方程式，電源電壓f與勵(lì)磁繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)f相平衡，電源電壓的大小近似地等于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小，即f≈f(42)又因?yàn)閒∝d，所以電源電壓f一定時(shí)，磁通d也基本保持不變。由于輸出繞組的軸線與勵(lì)磁繞組的軸線相差90176。電角度，因此，磁通d與輸出繞組無匝鏈，不會(huì)在輸出繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，輸出電壓2為0，如圖48（a）所示。圖48異步測(cè)速發(fā)電機(jī)的工作原理當(dāng)轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子杯中除了上述變壓器電動(dòng)勢(shì)外，轉(zhuǎn)子杯導(dǎo)條切割磁通d而產(chǎn)生切割電動(dòng)勢(shì)r（或稱旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)），如圖48（b）所示。電于磁通d為脈振磁通，所以電動(dòng)勢(shì)r亦為交變電動(dòng)勢(shì)，其交變頻率為磁通d的脈振頻率f。若磁通d的幅值為恒定時(shí)，則電動(dòng)勢(shì)r與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n成正比關(guān)系。圖48 異步測(cè)速發(fā)電機(jī)的工作原理在理想情況下，異步測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出特性應(yīng)是直線，但實(shí)際上異步測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出電壓與轉(zhuǎn)速之間并不是嚴(yán)格的線性關(guān)系，而是非線性的。異步測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出特性如圖49所示。圖49 異步測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出特性為減少上述測(cè)速發(fā)電機(jī)的非線性，可采取以下措施。（1）常采用增大轉(zhuǎn)子電阻的辦法，來滿足輸出特性的線性要求。（2）異步測(cè)速發(fā)電機(jī)對(duì)勵(lì)磁電源電壓的幅值、頻率和波形要求都比較高。（3）電機(jī)溫度的變化會(huì)使勵(lì)磁繞組和空心杯轉(zhuǎn)子的電阻以及磁性材料的磁性能發(fā)生變化，從而使輸出特性發(fā)生改變。在理論上測(cè)速發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為零時(shí)，輸出電壓也為零。但實(shí)際上異步測(cè)速發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為零時(shí)，輸出電壓并不為零，這就會(huì)使控制系統(tǒng)產(chǎn)生誤差。這種測(cè)速發(fā)電機(jī)在規(guī)定的交流電源勵(lì)磁下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速為零時(shí)，輸出繞組所產(chǎn)生的電壓，稱為剩余電壓（或零速電壓）。它的數(shù)值一般只有幾十毫伏，但它的存在卻使輸出特性曲線不再從坐標(biāo)的原點(diǎn)開始。它是引起異步測(cè)速發(fā)電機(jī)誤差的主要部分。減小剩余電壓的措施如下。（1）改進(jìn)電機(jī)的制造材料及工藝。選用磁通密度較低的鐵芯，降低磁路的飽和度；采用可調(diào)鐵芯結(jié)構(gòu)或定子鐵芯旋轉(zhuǎn)疊裝法；采用具有補(bǔ)償繞組的結(jié)構(gòu)等都可減小