【正文】 一個(gè)高輸入阻抗的前置放大器。在動(dòng)態(tài)檢測(cè)時(shí)，變化快，漏電相對(duì)小，所以壓電傳感器適宜于動(dòng)態(tài)檢測(cè)。如果負(fù)載不是無(wú)窮大，電路將會(huì)按照指數(shù)規(guī)律放電，極板上的電荷無(wú)法保持不變，從而造成檢測(cè)誤差。圖413 壓電材料壓電效應(yīng)可看作一個(gè)當(dāng)量的電容器，如果施加在晶片上的外力不變，積聚在極板上的電荷無(wú)內(nèi)部泄露，外電路負(fù)載無(wú)窮大。圖413壓電材料壓電傳感器的工作原理基于壓電效應(yīng)。圖410所示為霍爾無(wú)刷直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的原理圖。因此應(yīng)大力開展對(duì)無(wú)刷直流測(cè)速發(fā)電圖410霍爾無(wú)刷直流測(cè)速發(fā)電機(jī)原理圖機(jī)的研制，如霍爾無(wú)刷直流測(cè)速發(fā)電機(jī)、電子換向式無(wú)刷直流測(cè)速發(fā)電機(jī)、兩極管式測(cè)速發(fā)電機(jī)等。在電機(jī)的外部采用適當(dāng)?shù)木€路，產(chǎn)生一個(gè)校正電壓來抵消電機(jī)所產(chǎn)生的剩余電壓。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)等都可減小剩余電壓。減小剩余電壓的措施如下。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?gòu)淖鴺?biāo)的原點(diǎn)開始。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。（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。（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。異步測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出特性如圖49所示。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。由于輸出繞組的軸線與勵(lì)磁繞組的軸線相差90176。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)。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)。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)?？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。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。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。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。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(wú)限增加，所以輸出電壓不可避免要產(chǎn)生脈動(dòng)。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。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。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。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。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。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?？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?？梢娊佑|電阻與電流成反比。電刷接觸電阻是非線性的，它與流過的電流密度有關(guān)。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。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。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)。永磁式測(cè)速發(fā)電機(jī)原理如圖43所示。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)。（6）摩擦轉(zhuǎn)矩和慣性要小。（4）溫度變化對(duì)輸出特性的影響小。（2）剩余電壓（轉(zhuǎn)速為零時(shí)的輸出電壓）要小。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。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。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。講解激光三角法檢測(cè)原理圖。學(xué)生分組討論圖形傳感器的用途。學(xué)生分組討論不同結(jié)構(gòu)的可變磁阻傳感器。學(xué)生分組討論電容式傳感器的特點(diǎn)，教師總結(jié)。根據(jù)圖33引導(dǎo)學(xué)生討論電容的變化量及靈敏度。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)。，要求檢測(cè)速度能跟得上流水線生產(chǎn)的速度。〖實(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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)設(shè)計(jì)。此類光纖傳感器無(wú)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。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。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。因此，光纖具有“傳”和“感”的功能。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。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。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。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。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。光纖的集光能力越強(qiáng)，光纖與光源之間的耦合越容易。光在界面上經(jīng)無(wú)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。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。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。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(zhǎng)了實(shí)驗(yàn)中的有效光程并仍能保持很低的噪聲?；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。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。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。最后將抽取所得特征與預(yù)先置入的諸文字特征相比較，以判斷與識(shí)別輸入的文字。把OCR 的“讀取頭”傳感過來的信號(hào)放大后，經(jīng)A/D 變換后的二進(jìn)制信號(hào)通過特別濾光片后，文字更加清晰，然后把文字逐個(gè)斷切出來。其主要由光源、紅外濾光片、透鏡、圖像傳感器、后向處理電路等組成。與此同時(shí)，上一次的一串電荷信號(hào)沿移位寄存器順序地轉(zhuǎn)移并串行輸出。在光照射下，光生少數(shù)載流子在光敏元中積聚，每個(gè)單元所積蓄的電荷量與該單元所收到的光照度和電荷積蓄時(shí)間成正比，在光敏元接受光照一定時(shí)間后，轉(zhuǎn)移控制柵打開，各光敏元所積蓄的電荷并行地轉(zhuǎn)移到CCD讀取寄存器上。圖324所示為一維線性圖像傳感器（PSD）的結(jié)構(gòu)原理，光敏元陣列與CCD之間有一層轉(zhuǎn)移控制柵，CCD作為移位寄存器。在構(gòu)造上，圖像傳感器是一種小型固態(tài)集成元件，它的核心是CCD。圖316 差動(dòng)變壓器傳感器差動(dòng)變壓器式位移傳感器的使用具有的特點(diǎn)。圖313 電渦流測(cè)量金屬板厚度電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器工作原理如圖314所示。圖312所示為渦流傳感器的工作原理。螺線管傳感器也可采用差動(dòng)形式，以提高靈敏度和線性度，在實(shí)際檢測(cè)傳感器中經(jīng)常采用。圖311（c）所示是單螺線管線圈型位移傳感器結(jié)構(gòu)，當(dāng)鐵芯在線圈中移動(dòng)時(shí)，磁阻改變，使得線圈自感發(fā)生改變。圖311（b）所示是差動(dòng)型位移傳感器結(jié)構(gòu)，銜鐵位移時(shí)，可以使兩個(gè)線圈的間隙一個(gè)變大而另一個(gè)相應(yīng)減小。圖310 可變磁阻式傳感器的構(gòu)造原理圖311列出了幾種常用可變磁阻位移傳感器的典型結(jié)構(gòu)方案。圖中所示膜片為動(dòng)電極，兩個(gè)在凹形玻璃上的金屬鍍層為固定電極，構(gòu)成差動(dòng)電容器。電容式傳感器廣泛地應(yīng)用在位移、振動(dòng)、角度和加速度等機(jī)械量的精密檢測(cè)，而且目前檢測(cè)范圍已經(jīng)擴(kuò)大到了壓力、液面和成分等方面的檢測(cè)。（3）自身發(fā)熱小。（2）小的靜電引力和良好的動(dòng)態(tài)特性。電容傳感器的電容量很小，一般為幾十到幾百皮法，具有較高的輸出阻抗。電容式傳感器的特點(diǎn)如下。圖36 調(diào)頻電路的測(cè)量原理（2）運(yùn)算放大器式測(cè)量電路。圖35 電容式傳感器的等效2）測(cè)量電路（1）調(diào)頻測(cè)量電路。Rs 代表串聯(lián)損耗，即代表引線電阻、電容器支架和極板電阻的損耗。圖中考慮了電容器的損耗和電感效應(yīng)，Rp為并聯(lián)損耗電阻，它代表極板間的泄漏電阻和介質(zhì)損耗。圖33 極距變化型電容傳感器結(jié)構(gòu)與特性在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高傳感器的靈敏度和穩(wěn)定性，常常采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)，如圖34所示。圖31 電容式傳感器1）變面積型電容傳感器 圖32 電容傳感器的形式2）極距變化型電容傳感器如圖33（a）所示，如平行電容器兩個(gè)極板間覆蓋面積和極間介質(zhì)不變，則其電容量C與極距呈現(xiàn)非線性關(guān)系。教學(xué)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)：了解位移傳感器檢測(cè)的一般原理和使用條件，掌握各種位移傳感器的量程和精度等檢測(cè)性能； 能力目標(biāo)：了解工業(yè)中常用的位移檢測(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)各種位移傳感器的量程和精度等檢測(cè)性能教學(xué)難點(diǎn)各種位移傳感器的量程和精度等檢測(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)6教 學(xué) 內(nèi) 容 與 教 學(xué) 過 程 設(shè) 計(jì)注 釋項(xiàng)目三 精密位移檢測(cè)系統(tǒng)〖理論學(xué)習(xí)〗任務(wù)一 高精度位移傳感器的應(yīng)用一、電容式傳感器電容式傳感器實(shí)質(zhì)上是利用電容自身性質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)的傳感器，如圖31所示。學(xué)生分組討論光柵尺在使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)的問題及解決方法。掌握光柵傳感器的組成及原理。教師講解磁柵的工作原理，學(xué)生分析其特點(diǎn)。學(xué)生分組討論感應(yīng)同步器的有點(diǎn)，教師總結(jié)。，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)超聲波傳感器的使用說明書?！妓伎寂c練習(xí)〗，試述各廠家的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。具體的設(shè)置可在如圖234所示的傳感器中通過按鍵進(jìn)行設(shè)置，左側(cè)的燈亮則表示為模擬量輸出，右側(cè)的燈亮則表示為開關(guān)量輸出。圖230 氣流對(duì)超聲波檢測(cè)的影響圖231 反射面角度對(duì)超聲波檢測(cè)的影響在檢測(cè)時(shí)，超聲波傳感器引線為5條，如圖233所示。在某一點(diǎn)上，傳感器將不能“看到”目標(biāo)物體，如圖231所示。還需要注意的是，一個(gè)垂直于聲波軸的平直的目標(biāo)物體將把大部分的能量反射回傳感器。圖229 工業(yè)測(cè)距超聲波傳感器由于風(fēng)、鼓風(fēng)機(jī)、氣動(dòng)設(shè)備或其他來源的氣流可以使超聲波的傳播方向偏轉(zhuǎn)或擾亂其路徑，如圖230所示，這樣傳感器將不能識(shí)別目標(biāo)物體的正確位置。~15176。一些傳感器具有較窄的6176。波長(zhǎng)越長(zhǎng)，頻率越小，檢測(cè)距離越大，如具有毫米級(jí)波長(zhǎng)的緊湊型傳感器的檢測(cè)范圍為300~500 mm。 圖228 超聲波傳感器工業(yè)上，多將超聲波傳感器制成一體封裝，類似于接近開關(guān)，輸出模擬量，如圖229所示。5．光柵尺故障及處理三、光柵尺專用數(shù)顯表頭圖222所示為機(jī)床常用的光柵尺專用數(shù)顯表，光柵尺指示光柵所處在標(biāo)尺光柵的位置顯示到如圖所示的左上部分，分為x、y和z三個(gè)方向，據(jù)此可實(shí)現(xiàn)空間上三個(gè)坐標(biāo)的定位。 ℃的環(huán)境中制造，光柵的熱性能直接影響到檢測(cè)精度，在使用