傳感器及檢測技術 教學PPT課件

傳感器及檢測技術 教學PPT課件,傳感器及檢測技術,教學PPT課件,傳感器,檢測,技術,教學,PPT,課件 PPT模板下載： 位移檢測目錄1 1任務一 數(shù)控機床的位移檢測（光電編碼器）2 2任務二 數(shù)控機床的位移檢測（光柵傳感器）3 3任務三 數(shù)控機床的位移檢測（磁柵傳感器）4 4任務四 軸承滾柱的直徑檢測 項目三 位移檢測學習目標能認識、了解檢測位移量的傳感器器件，了解它們的主要特點和性能。能了解絕對式和增量式光電編碼器的基本知識。會用光電編碼器測量位移。能了解光柵傳感器的組成和結構。能理解莫爾條紋測量位移的原理。能了解磁柵傳感器的組成和特點。了解磁柵、磁頭的結構和工作原理。能理解自感式電感傳感器和差動變壓器的工作原理、測量電路及應用電路。項目三 位移檢測 位移是物體在一定方向上的位置變化。位移測量，可分為線位移測量和角位移測量兩種，它是機械加工的重要參數(shù)。另外，許多其他參數(shù)，如力與壓力、形變、厚度、間距、振動、速度、加速度等非電量的測量也可以轉換為位移的測量，由位移的變化測出這些參數(shù)的變化。任務一 數(shù)控機床的位移檢測（光電編碼器）任務提出 以數(shù)控機床（圖3-1）為核心的先進制造技術是世界各國加速經(jīng)濟發(fā)展、提高綜合國力和國家地位的重要途徑。數(shù)控機床是機電一體化的典型產(chǎn)品，它是機、電、氣、液、光等多學科的綜合，技術涉及機械制造、傳感器、信息處理、計算機、自動控制、伺服驅動等多個領域。其中傳感器在數(shù)控機床中具有重要地位，它監(jiān)視和測量著數(shù)控機床工作過程的每一步。任務一 數(shù)控機床的位移檢測（光電編碼器）任務提出任務一 數(shù)控機床的位移檢測（光電編碼器）相關知識 光電編碼器也是一種光電傳感器，只是它將光源、透鏡、隨軸旋轉的碼盤、窄縫和光敏元件組成在一起。當碼盤轉動時，光敏元件接收到一串亮暗相間的光線，由后續(xù)電路轉換為一串脈沖，光電編碼器將轉速信號直接轉換為脈沖輸出。因此光電編碼器是一種數(shù)字式傳感器。光電編碼器廣泛應用于測量轉軸的轉速、角位移，絲桿的線位移等方面。它具有測量精度高、分辨率高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強、便于與計算機接口、適宜遠距離傳輸?shù)忍攸c。光電編碼器由于它的碼盤和內部結構的不同而分為增量式編碼器和絕對式編碼器兩種。任務一 數(shù)控機床的位移檢測（光電編碼器）一、光電編碼器和碼盤的外形圖光電編碼器的外形如圖3-2所示，絕對式和增量式碼盤的外形如圖3-3所示。任務一 數(shù)控機床的位移檢測（光電編碼器）二、增量式編碼器 如圖3-4所示為增量式編碼器的結構圖。它由光源、光柵板、碼盤和光敏元件組成。碼盤與轉軸連在一起，它是用玻璃材料制成，表面涂有一層不透光的金屬鉻，然后在邊緣制成向心透光窄縫，透光窄縫在碼盤圓周上等分，數(shù)量從一百多條到幾千條不等。（一）增量式編碼器的結構和組成任務一 數(shù)控機床的位移檢測（光電編碼器）二、增量式編碼器 光電編碼器的光柵板外圈上A、B兩個窄縫的間距是碼盤上的兩個窄縫距離的（m+1/4）倍，m 為正整數(shù)，由于彼此錯開1/4節(jié)距，兩組窄縫相對應的光敏元件所產(chǎn)生的信號A、B彼此相差90相位。當碼盤隨軸正轉時，A信號超前B信號90；當碼盤反轉時，B信號超前A信號90，波形如圖3-5所示。這樣可以判斷碼盤旋轉的方向。（二）增量式編碼器的工作原理任務一 數(shù)控機床的位移檢測（光電編碼器）二、增量式編碼器（二）增量式編碼器的工作原理任務一 數(shù)控機床的位移檢測（光電編碼器）三、絕對式編碼器 碼盤由光學玻璃制成，如圖3-6所示為六位二進制碼盤結構，上面刻有同心碼道，每位碼道都按一定規(guī)律制成透光和不透光部分，其中黑的區(qū)域為不透光區(qū)，又稱暗區(qū)，用“0”表示；白的區(qū)域為透光區(qū)，又稱亮區(qū)，用“1”表示。這樣在任意角度都有對應的二進制編碼。（一）六位二進制碼盤結構任務一 數(shù)控機床的位移檢測（光電編碼器）三、絕對式編碼器 如圖3-7所示為絕對式編碼器組成示意圖。它由光源、透鏡、碼盤和光敏元件組成。其中光敏元件是一組，它的排列與碼道一一對應。（二）絕對式編碼器的組成任務一 數(shù)控機床的位移檢測（光電編碼器）三、絕對式編碼器 光源透過透鏡照射到碼盤上，當碼盤隨軸轉動時，通過亮區(qū)（透光窄縫）的光線由光敏元件接收，輸出為“1”；而在暗區(qū)，輸出為“0”。碼盤旋至不同的位置時，一組光敏元件輸出信號的組合反映了一定規(guī)律編碼的數(shù)字量，代表了碼盤軸的角位移的大小。（三）絕對式編碼器的工作原理任務一 數(shù)控機床的位移檢測（光電編碼器）任務實施 由上面的相關知識可知，光電編碼器有增量式編碼器和絕對式編碼器兩種，要對數(shù)控機床的位置進行檢測，一般選用增量式光電編碼器，對于重要的測量可選用絕對式光電編碼器。一、合理選擇光電編碼器的類型任務一 數(shù)控機床的位移檢測（光電編碼器）二、正確使用增量式光電編碼器數(shù)控機床內部結構如圖3-8所示。（一）數(shù)控機床內部結構任務一 數(shù)控機床的位移檢測（光電編碼器）二、正確使用增量式光電編碼器 拖板的橫向運動為Z軸，由Z軸進給伺服電動機通過Z軸滾珠絲桿來實現(xiàn)；拖板上刀架的徑向運動為X軸，由X軸進給伺服電動機通過X軸滾珠絲桿來實現(xiàn)。伺服電動機端部配有光電編碼器，用于角位移測量和數(shù)字測速，角位移通過絲桿螺距間接反映拖板或刀架的直線位移。（二）光電編碼器進行位移檢測的原理任務一 數(shù)控機床的位移檢測（光電編碼器）二、正確使用增量式光電編碼器 例如某帶有光電編碼器的伺服電動機與滾珠絲桿直連（傳動比為11），光電編碼器的分辨率為1024個脈沖/周，絲桿螺距為8mm，數(shù)控系統(tǒng)中斷時間內計數(shù)脈沖為2048個脈沖，求在這段時間內工作臺的位移是多少？（二）光電編碼器進行位移檢測的原理任務一 數(shù)控機床的位移檢測（光電編碼器）二、正確使用增量式光電編碼器解：編碼器旋轉一周，對應絲桿移過一個螺距。而編碼器的分辨率為1024個脈沖/周，在中斷時間內，測得2048個脈沖，即轉了兩周。所以就得到了這段時間內工作臺的位移是兩個螺距16mm。具體的控制過程以Z軸為例，它的伺服控制框圖如圖3-9所示。伺服電機帶動拖板移動，光電編碼器產(chǎn)生與直線位移成正比的脈沖信號，此信號反映了拖板的實際位置值Pf與數(shù)控系統(tǒng)設置位置值Pc進行比較，產(chǎn)生偏差信號Pe，經(jīng)信號轉換電路變換成速度控制信號nc，nc與速度反饋信號nf比較后，經(jīng)信號調節(jié)和功率驅動帶動伺服電機，再由滾珠絲桿螺母副帶動拖板繼續(xù)向前作直線運動。當拖板運動至Pc=Pf時，Pe=0，伺服電機停轉，拖板停在設置位置Pc所要求的地方。任務一 數(shù)控機床的位移檢測（光電編碼器）二、正確使用增量式光電編碼器任務一 數(shù)控機床的位移檢測（光電編碼器）二、正確使用增量式光電編碼器（三）編碼器的機械安裝編碼器軸與電機輸出軸之間必須采用彈性軟連接，并要確?？煽窟B接，可避免電機軸的串動、跳動造成編碼器的損壞。安裝時要注意允許的軸負載。保證編碼器軸與被測軸的不同軸度小于02mm，與軸線的偏角小于15。安裝時，嚴禁碰撞、敲擊和摔打。編碼器要確保固定牢固，無松動，并定期檢查。任務一 數(shù)控機床的位移檢測（光電編碼器）二、正確使用增量式光電編碼器（四）編碼器的電氣連接光電編碼器的連接線建議采用屏蔽電纜。光電編碼器的連線應確保正確無誤后，再通電。接地線應盡量粗，其橫截面面積一般應大于15mm2。與編碼器相連的電機等設備，應接地良好，不能有靜電。避免在強電磁環(huán)境中使用。任務一 數(shù)控機床的位移檢測（光電編碼器）二、正確使用增量式光電編碼器 對采用增量式位置檢測裝置的伺服系統(tǒng)（如增量式光電編碼器），因為輸出信號是增量值（一串脈沖），失電后控制器就失去了對當前位置的記憶。因此，每次開機啟動后要回到一個基準點，然后從這里算起，來記錄增量值，這一過程稱為回參考點。（五）注意點任務一 數(shù)控機床的位移檢測（光電編碼器）光電編碼器除了用于檢測位移以外，還大量應用于檢測轉速。將光電編碼器安裝在被測轉軸上，當被測軸旋轉時，光電編碼器隨軸一起旋轉，輸出脈沖正比于轉軸的轉速。對于高速轉軸和低速轉軸的測速采用不同的方法。其他案例任務一 數(shù)控機床的位移檢測（光電編碼器）高速旋轉測速一般采用在給定的時間間隔T內對編碼器的輸出脈沖進行計數(shù)，這種方法測量的是平均速度，又稱為M法測速。它的原理框圖如圖3-10a所示，輸出脈沖示意圖如圖3-10b所示。（一）高速旋轉測速其他案例任務一 數(shù)控機床的位移檢測（光電編碼器）（一）高速旋轉測速其他案例任務一 數(shù)控機床的位移檢測（光電編碼器）低轉速測速一般采用脈沖周期作為計數(shù)器的門控信號，時鐘脈沖作為計數(shù)脈沖，時鐘脈沖周期遠小于輸出脈沖周期。這種方法測量的是瞬時轉速，又稱為T法測速。它的原理框圖如圖3-11a所示，輸出脈沖示意圖如圖3-11b所示。（二）低轉速測速其他案例任務一 數(shù)控機床的位移檢測（光電編碼器）（二）低轉速測速其他案例任務一 數(shù)控機床的位移檢測（光電編碼器）在實訓室借助電機、光電編碼器及連接器、調節(jié)電機轉速的變頻器、示波器（或頻率計）、電源等器件和設備，用連接器將光電編碼器與電機轉軸連接，通過變頻器調節(jié)電機轉速，光電編碼器輸出端連接示波器或頻率計來觀察電機轉速的變化。訓練一下任務二 數(shù)控機床的位移檢測（光柵傳感器）各種數(shù)控機床的位移檢測是一個關鍵的技術，直接關系到機床的加工精度。在高精度數(shù)控機床中，位移檢測裝置可采用直線光柵，它可直接檢測出工作臺的直線位移量，但檢測裝置要和行程等長。它的測量精度比光電編碼器高，但價格也較貴。目前，數(shù)控機床使用的光柵分辨率可達1m，更高精度的可達01m。任務提出 光柵式位移傳感器是一種數(shù)字式傳感器，直接把非電量轉換成數(shù)字量輸出。它主要用于長度和角度的精密測量和數(shù)控系統(tǒng)的位置檢測等，還可以檢測能夠轉換為長度的速度、加速度、位移等其他物理量。它具有檢測精度和分辨率高、抗干擾能力強、穩(wěn)定性好、易與微機接口、便于信號處理和實現(xiàn)自動化測量等特點。相關知識任務二 數(shù)控機床的位移檢測（光柵傳感器）直線光柵位移傳感器的外形及內部剖面結構如圖3-12所示。（一）直線光柵位移傳感器的外形及內部結構一、光柵傳感器的外形與結構任務二 數(shù)控機床的位移檢測（光柵傳感器）幾種光柵傳感器如圖3-13所示。（二）幾種光柵傳感器一、光柵傳感器的外形與結構任務二 數(shù)控機床的位移檢測（光柵傳感器）光柵傳感器中使用的光柵為計量光柵，由標尺光柵（主光柵）和指示光柵組成，又稱光柵副。光柵傳感器主要由光源、光柵副和光敏元件三大部分組成。從光柵的光線走向來看，計量光柵可分為透射式光柵和反射式光柵兩類。透射式光柵用光學玻璃作基體，在上面均勻地刻劃出等間距、等寬度的條紋，如圖3-14所示，刻劃的地方為黑，不透光；沒有刻劃的地方為白，透光，形成連續(xù)的透光區(qū)和不透光區(qū)。（二）幾種光柵傳感器二、光柵的類型與結構任務二 數(shù)控機床的位移檢測（光柵傳感器）（二）幾種光柵傳感器二、光柵的類型與結構任務二 數(shù)控機床的位移檢測（光柵傳感器）在透射式直線光柵中，如圖3-15所示，把柵距相同的兩光柵（主光柵和指示光柵）的刻線面疊合在一起，中間留有小間隙，且兩者柵線錯開一個很小的角度，在兩光柵的刻線重合處，光從縫隙透過，形成亮帶；在兩光柵刻線錯開處，由于相互擋光作用形成暗帶。因此在接近垂直柵線方向出現(xiàn)明暗相間的條紋，這種條紋稱為莫爾條紋。（一）莫爾條紋的形成三、莫爾條紋的形成及特性任務二 數(shù)控機床的位移檢測（光柵傳感器）（一）莫爾條紋的形成三、莫爾條紋的形成及特性任務二 數(shù)控機床的位移檢測（光柵傳感器）（二）莫爾條紋的特性三、莫爾條紋的形成及特性任務二 數(shù)控機床的位移檢測（光柵傳感器）當兩光柵沿著與柵線垂直的方向相對移動時，莫爾條紋也沿著近似垂直光柵移動方向運動。光柵柵距很小，肉眼很難分辨，而莫爾條紋清晰可見。因此莫爾條紋是放大了的光柵柵距，具有放大作用。1.對應關系莫爾條紋由光柵的大量柵線共同形成的，所以對光柵柵線的刻劃誤差有平均作用。通過莫爾條紋所獲得的精度比柵線刻劃的精度要高。2.放大作用3.平均效應1.鎢絲燈泡 鎢絲燈泡工作范圍為40130，與光電元件相組合的轉換效率低，使用壽命短。2.半導體發(fā)光器件 半導體發(fā)光器件如砷化鎵發(fā)光二極管的工作范圍為60100，轉換效率高達30%左右，使用壽命長，響應速度快。（一）光源四、光柵傳感器的組成任務二 數(shù)控機床的位移檢測（光柵傳感器）光柵副由柵距相等的主光柵和指示光柵組成，它們互相重疊，又不完全重合，兩者柵線間錯開一個小角度，以便得到莫爾條紋。主光柵固定在被測體上，指示光柵與光電元件固定在一起。（二）光柵副四、光柵傳感器的組成任務二 數(shù)控機床的位移檢測（光柵傳感器）通過感測隨主光柵的移動而產(chǎn)生的莫爾條紋的移動，來測定位移量。（三）光電接收元件四、光柵傳感器的組成任務二 數(shù)控機床的位移檢測（光柵傳感器）將長度與測量范圍一致的主光柵固定在運動零件上，隨零件一起運動，短的指示光柵與光電元件固定不動，如圖3-17所示。當兩塊光柵相對移動時，可以觀測到莫爾條紋的光強的變化。設初始位置為接收亮帶信號，隨著光柵的移動，光強的變化如圖3-18b所示，由亮進入半亮半暗、全暗、半暗半亮、全亮，光柵移動了一個柵距，莫爾條紋也經(jīng)歷了一個周期，移動了一個條紋間距。五、光柵傳感器測量位移的原理任務二 數(shù)控機床的位移檢測（光柵傳感器）光強的變化需要通過光電轉換電路轉換為輸出電壓的變化，如圖3-18a所示，輸出電壓的變化曲線近似為正弦曲線。再通過后續(xù)的放大整形電路的處理，就變成一個脈沖輸出。運動零件的位移值就等于脈沖數(shù)與柵距的乘積。五、光柵傳感器測量位移的原理任務二 數(shù)控機床的位移檢測（光柵傳感器）五、光柵傳感器測量位移的原理任務二 數(shù)控機床的位移檢測（光柵傳感器）光電元件接收光信號后，由光電轉換電路轉換為電信號，再經(jīng)過后續(xù)的測量電路輸出反映位移大小、方向的脈沖信號。圖3-19所示為測量電路的原理框圖。六、光柵傳感器的測量電路任務二 數(shù)控機床的位移檢測（光柵傳感器）在實際應用中，由于被測物的移動往往是往復運動，既有正向運動，又有反向運動。若只安裝一套光電元件，則無論光柵作正向移動還是反向移動，光敏元件都產(chǎn)生相同的正弦信號，是無法分辨移動方向的。因此，要正確辨別光柵的運動方向，必須加入辨向電路。（一）辨向原理六、光柵傳感器的測量電路任務二 數(shù)控機床的位移檢測（光柵傳感器）通常可在相距四分之一柵距的位置安裝兩個光電器件，它們能獲得兩個相位相差90的信號。輸出信號有方波和正弦波兩種，這里以正弦波為例進行分析。辨向電路如圖3-20所示。（一）辨向原理六、光柵傳感器的測量電路任務二 數(shù)控機床的位移檢測（光柵傳感器）（一）辨向原理六、光柵傳感器的測量電路任務二 數(shù)控機床的位移檢測（光柵傳感器）細分電路是用來提高測量精度的。當利用光柵測量時，零件每移動一個柵距，輸出一個脈沖，測量的分辨率即為一個柵距。若要提高精度，可以增加柵線的密度，減小柵距，但這種方法受到制造工藝和成本的限制。細分的方法有很多種，常用的細分方法是直接細分，細分數(shù)為4，故又稱四倍頻細分。實現(xiàn)的方法有如下兩種：（二）細分技術六、光柵傳感器的測量電路任務二 數(shù)控機床的位移檢測（光柵傳感器）六、光柵傳感器的測量電路任務二 數(shù)控機床的位移檢測（光柵傳感器）（二）細分技術如圖3-22所示，在一個莫爾條紋間距內并列等間距放置4個光電元件S1、S2、S3、S4，當莫爾條紋移動時，4個光電器件依次輸出相位相差90的電壓信號，經(jīng)過零比較器鑒別出4個信號的零電平，并發(fā)出計數(shù)脈沖，即一個莫爾條紋周期內發(fā)出4個脈沖，實現(xiàn)了四細分。六、光柵傳感器的測量電路任務二 數(shù)控機床的位移檢測（光柵傳感器）（二）細分技術采用在間距w/4的位置上放置兩個光電元件，首先得到兩路相位相差90的正弦電壓信號S和C，再將這兩路信號輸入圖3-23所示的四倍頻細分辨向電路。這兩路信號經(jīng)過放大器放大，再由整形電路整形為兩路方波信號，并經(jīng)過反相器得到相位依次為0、90、180、270的四路方波信號，經(jīng)微分電路輸出4個尖脈沖信號，波形如圖3-24所示，也即移動一個光柵柵距輸出4個脈沖信號。（二）細分技術六、光柵傳感器的測量電路任務二 數(shù)控機床的位移檢測（光柵傳感器）（二）細分技術六、光柵傳感器的測量電路任務二 數(shù)控機床的位移檢測（光柵傳感器）數(shù)控機床的線位移檢測，根據(jù)光柵傳感器的相關知識，可選用直線光柵位移傳感器。一、合理選擇光柵傳感器任務實施任務二 數(shù)控機床的位移檢測（光柵傳感器）如圖3-25所示為直線光柵位移傳感器的結構示意圖。光源、透鏡、指示光柵和光電器件固定在機床床身上，主光柵固定在機床的運動部件上，可往復移動。安裝時，指示光柵和主光柵之間保證有一定的間隙。（一）光柵位移傳感器在機床上的應用二、正確使用直線光柵位移傳感器任務二 數(shù)控機床的位移檢測（光柵傳感器）傳感器應盡量安裝在靠近設備工作臺的床身基面上。根據(jù)設備的行程選擇傳感器的長度，光柵傳感器的有效長度應大于設備行程。標尺光柵固定在機床的工作臺上，隨機床的走刀而動，它的有效長度即為測量范圍。如長度超過15m，需在標尺中部設置支撐。讀數(shù)頭固定在機床上，安裝在標尺光柵的下方，與標尺光柵之間的間隙控制在115mm以內，并盡可能避開切屑和油液的濺落。在機床導軌上要安裝限位裝置，以防機床工作時標尺撞到讀數(shù)頭。（二）直線光柵位移傳感器的安裝二、正確使用直線光柵位移傳感器任務二 數(shù)控機床的位移檢測（光柵傳感器）二、正確使用直線光柵位移傳感器任務二 數(shù)控機床的位移檢測（光柵傳感器）（二）直線光柵位移傳感器的安裝傳感器應盡量安裝在靠近設備工作臺的床身基面上。根據(jù)設備的行程選擇傳感器的長度，光柵傳感器的有效長度應大于設備行程。標尺光柵固定在機床的工作臺上，隨機床的走刀而動，它的有效長度即為測量范圍。如長度超過15m，需在標尺中部設置支撐。讀數(shù)頭固定在機床上，安裝在標尺光柵的下方，與標尺光柵之間的間隙控制在115mm以內，并盡可能避開切屑和油液的濺落。在機床導軌上要安裝限位裝置，以防機床工作時標尺撞到讀數(shù)頭。二、正確使用直線光柵位移傳感器任務二 數(shù)控機床的位移檢測（光柵傳感器）（三）光柵位移傳感器的檢查光柵傳感器安裝完畢后，接通數(shù)顯表，移動工作臺，觀察讀數(shù)是否變化。在機床上任選一點，來回移動工作臺，回到起始點，數(shù)顯表讀數(shù)應相同。使用千分表和數(shù)顯表同時檢測工作臺的移動值，比對后進行校正，確保數(shù)顯表測量正確。二、正確使用直線光柵位移傳感器任務二 數(shù)控機床的位移檢測（光柵傳感器）（四）光柵傳感器使用注意事項在使用環(huán)境有油污、鐵屑等情況時，建議采用防護罩，防護罩應將主體全部防護。應關閉電源后，插拔光柵傳感器的電源插頭。經(jīng)常檢查安裝螺釘是否松動。及時清理濺落在光柵傳感器表面上的切屑和油液，盡可能外加保護罩，定期清洗光柵表面。應避免劇烈震動，以防損壞。應避免在嚴重腐蝕環(huán)境中工作。在使用光柵時要注意運動速度必須在允許的范圍內。當速度過高時，光電元件來不及相應，造成輸出信號的幅值降低，波形變壞。任務二 數(shù)控機床的位移檢測（光柵傳感器）到企業(yè)或學校實訓車間，實地觀察一下用光柵傳感器測量位移的數(shù)控機床上的光柵傳感器的安裝、連接等，并了解機床型號、技術指標、性能、價格和使用特點等，寫一篇調研報告。訓練一下任務三 數(shù)控機床的位移檢測（磁柵傳感器）在各種數(shù)控機床的位移檢測中，特別是大型機床的數(shù)字檢測、自動化機床的定位控制等方面大量使用了磁柵式位移傳感器。任務提出 磁柵傳感器也是一種用于檢測位移的傳感器。它的價格低于光柵，具有制作簡單、易于安裝、調整方便、測量范圍（0001十幾米）寬、抗干擾能力強等一系列優(yōu)點。目前，可實現(xiàn)測量分辨率為15m，系統(tǒng)精度為001mm/m。磁柵可分為長磁柵和圓磁柵，長磁柵主要用于直線位移的測量，圓磁柵主要用于角位移的測量。相關知識任務三 數(shù)控機床的位移檢測（磁柵傳感器）磁柵傳感器的外形如圖3-26所示。一、磁柵傳感器的外形任務三 數(shù)控機床的位移檢測（磁柵傳感器）磁尺又稱磁柵。按其基體形狀有長磁柵和圓磁柵兩種。磁柵由磁柵基體和磁性薄膜組成，結構如圖3-27所示，磁柵基體是用非導磁材料做成的，上面鍍一層均勻的磁性薄膜，經(jīng)過錄磁，其磁信號排列情況如圖327所示，錄磁信號幅度均勻，幅度變化小于10，節(jié)距均勻。目前長磁柵的磁信號節(jié)距一般為005mm、01mm、02mm，圓磁柵的角節(jié)距一般為幾分至幾十分。二、磁尺任務三 數(shù)控機床的位移檢測（磁柵傳感器）二、磁尺任務三 數(shù)控機床的位移檢測（磁柵傳感器）長磁柵又分為尺型、同軸型和帶型三種，如圖3-28所示。二、磁尺任務三 數(shù)控機床的位移檢測（磁柵傳感器）圓磁柵如圖3-29所示。磁盤圓柱面上的磁信號由磁頭讀取，安裝時在磁頭與磁盤之間應有微小的間隙以免磨損。二、磁尺任務三 數(shù)控機床的位移檢測（磁柵傳感器）三、磁頭的結構和原理任務三 數(shù)控機床的位移檢測（磁柵傳感器）1.動態(tài)磁頭 動態(tài)磁頭只有一組繞組繞在磁頭鐵芯上，當磁頭磁柵有相對運動時，切割磁力線，就有信號輸出，故不適用于速度不均勻、時走時停的設備。錄音機信號屬于此類。當磁頭沿著磁柵表面作相對位移時，在N相重疊處繞組輸出電壓為正最大，而在S相重疊處繞組輸出電壓為負最大，如圖3-30所示。這樣，輸出電壓波形為周期性的正弦信號，再經(jīng)過放大整形，由計數(shù)器記錄脈沖數(shù)，則位移量：（為節(jié)距）。三、磁頭的結構和原理任務三 數(shù)控機床的位移檢測（磁柵傳感器）1.動態(tài)磁頭三、磁頭的結構和原理任務三 數(shù)控機床的位移檢測（磁柵傳感器）2.靜態(tài)磁頭 靜態(tài)磁頭與動態(tài)磁頭的不同之處在于磁頭與磁柵之間在沒有相對運動的情況下，也有信號輸出。它有兩個繞組，一個為勵磁繞組，另一個為輸出繞組。靜態(tài)磁頭的工作原理如圖3-31所示。三、磁頭的結構和原理任務三 數(shù)控機床的位移檢測（磁柵傳感器）2.靜態(tài)磁頭四、磁柵傳感器的組成和測量原理任務三 數(shù)控機床的位移檢測（磁柵傳感器）1.組成 磁柵式傳感器主要由磁尺、磁頭和檢測電路組成。2.測量原理 磁柵上錄有等間距的磁信號，它是利用磁帶錄音的原理將等節(jié)距的周期變化的電信號（正弦波或矩形波）用錄磁的方法記錄在磁性尺或圓盤上而制成的。任務實施任務三 數(shù)控機床的位移檢測（磁柵傳感器）數(shù)控機床的線位移檢測，根據(jù)磁柵傳感器的相關知識，可選用靜態(tài)磁頭長磁柵位移傳感器。一、合理選擇磁柵傳感器任務實施任務三 數(shù)控機床的位移檢測（磁柵傳感器）如圖3-32所示為磁柵數(shù)顯表檢測機床進給軸坐標的示意圖。它用磁柵來檢測位移，并用數(shù)顯表顯示，代替了傳統(tǒng)的標尺刻度讀數(shù)，提高了加工精度和加工效率。圖中以y軸運動為例，磁尺固定在立柱上，磁頭固定在主軸箱上，當主軸箱沿著機床立柱上下移動時，數(shù)顯表顯示出位移量。二、正確使用磁柵位移傳感器任務實施任務三 數(shù)控機床的位移檢測（磁柵傳感器）二、正確使用磁柵位移傳感器任務提出任務四 軸承滾柱的直徑檢測 在裝配軸承滾柱時，為保證軸承的質量，一般要先對滾柱的直徑進行分選，各滾柱直徑的誤差在幾個微米，因此要進行微位移檢測，可選用電感測微儀（圖3-33）。相關知識任務四 軸承滾柱的直徑檢測 電感式傳感器是利用電磁感應原理，將被測非電量轉換成線圈電感（或互感系數(shù)）的變化的一種機電轉換裝置。電感式傳感器有自感式（電感式）、互感式（差動變壓器式）兩種類型。它具有的特點如下：優(yōu)點：結構簡單、工作可靠、測量精度高、零點穩(wěn)定、輸出功率較大。缺點：靈敏度、線性度和測量范圍互相制約；頻率響應較低，不適用于快速動態(tài)測量；對電源頻率和穩(wěn)定度要求較高。相關知識任務四 軸承滾柱的直徑檢測各種電感式測微傳感器的外形如圖3-34所示。一、電感式測微傳感器的外形與結構二、自感式電感傳感器任務四 軸承滾柱的直徑檢測1.變間隙式電感傳感器變間隙式電感傳感器如圖3-35所示。（一）自感式電感傳感器的工作原理二、自感式電感傳感器任務四 軸承滾柱的直徑檢測（1）組成變間隙式電感傳感器由線圈、鐵芯和銜鐵等組成。（2）工作原理框圖變間隙式電感傳感器的工作原理框圖如圖3-36所示。（一）自感式電感傳感器的工作原理二、自感式電感傳感器任務四 軸承滾柱的直徑檢測（3）工作原理（一）自感式電感傳感器的工作原理二、自感式電感傳感器任務四 軸承滾柱的直徑檢測2.變面積式電感傳感器（一）自感式電感傳感器的工作原理二、自感式電感傳感器任務四 軸承滾柱的直徑檢測3.螺管插鐵式電感傳感器（一）自感式電感傳感器的工作原理 螺管插鐵式電感傳感器如圖3-37所示，它的銜鐵隨被測對象移動，線圈磁力線路徑上的磁阻發(fā)生變化，線圈電感量也因此而變化，線圈電感量的大小與銜鐵位置有關。二、自感式電感傳感器任務四 軸承滾柱的直徑檢測4.差動電感傳感器（一）自感式電感傳感器的工作原理 實際使用中，常采用兩個相同的傳感器線圈共用一個銜鐵，構成差動式電感傳感器，如圖3-38所示為各種差動電感傳感器的結構示意圖。采用差動式可以提高傳感器的靈敏度，減小測量誤差。二、自感式電感傳感器任務四 軸承滾柱的直徑檢測（一）自感式電感傳感器的工作原理二、自感式電感傳感器任務四 軸承滾柱的直徑檢測1.電阻平衡臂電橋（二）自感式電感傳感器的測量電路電阻平衡臂電橋如圖3-39所示。二、自感式電感傳感器任務四 軸承滾柱的直徑檢測2.變壓器式電橋（二）自感式電感傳感器的測量電路變壓器式電橋如圖3-40a所示。二、自感式電感傳感器任務四 軸承滾柱的直徑檢測3.帶相敏整流的交流電橋（二）自感式電感傳感器的測量電路如圖3-41a所示為帶相敏整流的交流電橋。三、互感式電感傳感器任務四 軸承滾柱的直徑檢測（一）差動變壓器的組成及工作原理1.差動變壓器的組成如圖3-43所示，差動變壓器由銜鐵、一次繞組和二次繞組等組成。三、互感式電感傳感器任務四 軸承滾柱的直徑檢測（一）差動變壓器的組成及工作原理2.差動變壓器的工作原理 差動變壓器的等效電路如圖3-44所示。初級次級繞組間的耦合能隨銜鐵的移動而變化，即繞組間互感隨被測位移改變而變化。三、互感式電感傳感器任務四 軸承滾柱的直徑檢測 如圖3-45所示為差動變壓器的輸出特性曲線。圖中E21、E22分別為兩個次級繞組的輸出感應電動勢，U2為次級差動輸出電壓，x為銜鐵偏離中心位置的距離。圖中虛線為實際輸出特性，E0就是零點殘余電壓。零點殘余電壓的存在會造成零位誤差，使得傳感器在零點附近的輸出特性不靈敏，給測量帶來了誤差。三、互感式電感傳感器任務四 軸承滾柱的直徑檢測三、互感式電感傳感器任務四 軸承滾柱的直徑檢測1.零點殘余電壓產(chǎn)生的原因零點殘余電壓由基波分量和高次諧波構成，產(chǎn)生的主要原因如下：基波分量主要是傳感器兩個次級線圈的電氣參數(shù)和幾何尺寸不對稱、以及構成電橋另外兩臂的電器參數(shù)不一致，從而使兩個次級線圈感應電勢的幅值和相位不相等，即使調整銜鐵位置，也不能同時使幅值和相位都相等。高次諧波主要由導磁材料磁化曲線的非線性引起。當磁路工作在磁化曲線的非線性段時，激勵電流與磁通的波形不一致，導致了波形失真；同時由于磁滯損耗和兩個線圈磁路的不對稱，造成了兩個線圈中某些高次諧波成分，于是產(chǎn)生了零位電壓的高次諧波。激勵電壓中包含的高次諧波及外界電磁干擾，也會產(chǎn)生高次諧波。三、互感式電感傳感器任務四 軸承滾柱的直徑檢測2.零點殘余電壓的消除為了減小零點殘余電動勢，可采用以下方法：盡量使傳感器幾何尺寸、線圈電氣參數(shù)及磁路相互對稱。采用良好的導磁材料制作殼體，進行屏蔽抗干擾。將傳感器工作區(qū)域設置在磁化曲線的線性區(qū)內。選用相敏檢波電路作為測量電路，既可判別銜鐵移動方向又可改善輸出特性，減小零點殘余電動勢。進行外電路補償。主要有如圖3-46所示的幾類補償電路，圖中電阻是用康銅絲繞制的，串聯(lián)電阻值為055，并聯(lián)電阻值為數(shù)十至數(shù)百千歐，并聯(lián)電容為100500pF之間，實際參數(shù)要通過實驗確定。三、互感式電感傳感器任務四 軸承滾柱的直徑檢測2.零點殘余電壓的消除三、互感式電感傳感器任務四 軸承滾柱的直徑檢測（三）差動變壓器的測量電路 差動變壓器的輸出電壓是交流電壓，若用交流電壓表測量，只能反映銜鐵位移的大小，不能反映銜鐵移動的方向。為了辨別銜鐵的移動方向，并消除零點殘余電壓，在實際測量中常采用差動相敏檢波電路和差動整流電路。三、互感式電感傳感器任務四 軸承滾柱的直徑檢測（三）差動變壓器的測量電路 1.差動相敏檢波電路 如圖3-47所示為差動相敏全波檢波和半波檢波電路。相敏檢波電路要求參考電壓與差動變壓器次級輸出電壓頻率相同，相位相同或相反，因此常接入移相電路。為了提高檢波效率，參考電壓的幅值取信號電壓的35倍。圖中RW是調零電位器。三、互感式電感傳感器任務四 軸承滾柱的直徑檢測（三）差動變壓器的測量電路三、互感式電感傳感器任務四 軸承滾柱的直徑檢測（三）差動變壓器的測量電路2.差動全波整流電路 差動全波整流電路如圖3-48所示。對兩個次級線圈的輸出電壓分別整流后輸出，圖中可調電阻用來調整零點輸出電壓。這種電路不需要參考電壓，不需要考慮相位調整和零位電壓的影響，對感應和分布電容影響不敏感，經(jīng)差動整流后變成直流輸出，便于遠距離輸送，因此應用廣泛。三、互感式電感傳感器任務四 軸承滾柱的直徑檢測（三）差動變壓器的測量電路任務實施任務四 軸承滾柱的直徑檢測一、合理選擇電感傳感器 根據(jù)測微儀的檢測范圍及靈敏度要求，結合電感式傳感器相關知識，選用差動螺管插鐵型電感傳感器作為測微儀的檢測頭。二、正確使用電感傳感器任務四 軸承滾柱的直徑檢測（一）電感測微儀及其測量電路 電感測微儀的軸向式測頭及其系統(tǒng)原理框圖如圖3-49所示。測量時，被測軸承直徑的微小變化帶動測量桿和銜鐵一起在差動線圈中移動，從而使兩線圈的電感產(chǎn)生差動變化，接入交流電橋，經(jīng)過放大、相敏檢波就得到了反映位移量大小和方向的直流輸出信號。這種測微儀的動態(tài)測量范圍可達1mm，分辨率可達1m，精度可達3。二、正確使用電感傳感器任務四 軸承滾柱的直徑檢測（一）電感測微儀及其測量電路二、正確使用電感傳感器任務四 軸承滾柱的直徑檢測（二）使用注意事項傳感器探頭和測桿不能有任何變形和彎曲。探頭與被測鋼柱要垂直接觸。系統(tǒng)接線應牢固，接觸良好。安裝測微頭時，應調節(jié)夾住位置，使位移變化不超出測量范圍。其他案例任務四 軸承滾柱的直徑檢測（一）力和壓力測量 如圖3-50所示為差動變壓器式力和壓力傳感器的結構原理圖，主要由模盒、隨模盒的膨脹和收縮而移動的銜鐵、差動變壓器等組成。變壓器的初次繞組與振蕩線圈相連，產(chǎn)生交流激勵電壓，并在線圈周圍產(chǎn)生磁場，在兩個次級繞組中產(chǎn)生感應電勢。其他案例任務四 軸承滾柱的直徑檢測（一）力和壓力測量其他案例任務四 軸承滾柱的直徑檢測（二）振動和加速度測量 如圖3-51所示，為差動變壓器式加速度傳感器的結構原理圖，由懸臂彈簧和差動變壓器等組成。測量時，將銜鐵的一端與被測體相連，當被測體振動時，銜鐵同時振動，差動變壓器的輸出也按相同規(guī)律變化。通過測量輸出電壓的大小變化間接反映被測體的振動和加速度的變化。其他案例任務四 軸承滾柱的直徑檢測（二）振動和加速度測量其他案例任務四 軸承滾柱的直徑檢測（三）液位測量 如圖3-52所示為差動變壓器沉筒式液位計的原理示意圖。當液位變化時，沉筒所受浮力變化，帶動銜鐵產(chǎn)生位移，從而改變差動變壓器的輸出電壓，輸出電壓值就反映了液位的變化值。訓練一下任務四 軸承滾柱的直徑檢測 到企業(yè)設備現(xiàn)場，實地觀察一下用測微儀進行微位移測量，了解測微儀型號、技術指標、性能、價格和使用特點等，寫一篇調研報告。結合下面實驗，用差動變壓器進行位移檢測。其他案例任務四 軸承滾柱的直徑檢測（三）液位測量 如圖3-52所示為差動變壓器沉筒式液位計的原理示意圖。當液位變化時，沉筒所受浮力變化，帶動銜鐵產(chǎn)生位移，從而改變差動變壓器的輸出電壓，輸出電壓值就反映了液位的變化值。