小位移检测技术 授课教案

模块九、小位移检测技术授课教案课程名称：检测技术 课题：模块九、小位移检测技术

课时安排：3

授课人：

难点

差动整流电路、接近开关施密特特性的状态分析。转速测量、接近开关的状态分析、接线。教学目的和要求

生疏小位移的根本概念生疏自感式和互感式小位移传感器的工作原理。生疏差动式传感器的特性。了解相敏检波电路的特性。生疏差动整流电路的特性及电路分析。生疏介绍电感式测微器用于测量小位移。生疏涡流传感器用于测量小位移。把握接近开关的分类、特性和指标。把握电感式〔涡流原理〕接近开关的特性、常见类型〔NPN、PNP常开、常闭、三线制、二线制等、接线和使用。生疏霍尔接近开关的原理和特性。各教

训位移检测的根本概念

器、接近开关学 表9-1 常用小位移传感器的分类及特点环 区分力节 构造型式 测量原理 量程/mm和内 电位器式 欧姆定律 ~200容差动电感式〔差动变压器 自感、互感 10-3~20式〕

/m100

特点差应慢构造简洁，非接触式测量；线性差，涡流式 涡流效应电容变气隙式应

1~1010-3~1

5灵敏度易受被测对象材质的影响1 非接触式测量，区分力高；线性差

霍尔效应应

~20~510-6~10-3

5010010-4

输出信号大；温漂大，需要磁路系统非接触式测量，体积小；光路简单性较低；主要用于科学争论工程一电感式小位移传感器【工程教学目标】学问目标了解电感式小位移传感器的根本工作原理。把握差动整流电路。技能目标生疏电感式位移传感器的安装与应用。任务一生疏自感式传感器与差动变压器一、自感式位移传感器图9-1 铁心气隙与电感量及电流的关系试验1－固定铁心2－气隙 3－线圈 4－衔铁5－弹簧 6－磁力线 7－绝缘外壳IUU U 〔9-1〕Z X 2fLL图9-2 电感式位移传感器的构造a〕变气隙式b〕变面积式c〕螺线管式1－线圈2－铁心 3－衔铁4－测杆5－导轨6－工件7－转轴变气隙电感式位移传感器提问：变气隙电感式位移传感器必需保持L

00

A中的哪些函数为为常数？图9-3电感式位移传感器的特性曲线a〕L-δ特性曲线 b〕L-A特性曲线1－实际输出特性 2－抱负输出特性提问：变气隙电感式位移传感器的输入输出是何种关系？δ越小，灵敏度就越？变面积电感式位移传感器提问：变面积电感式位移传感器的输入输出是何种关系？螺线管电感式位移传感器提问：螺线管电感式位移传感器的特点有哪些？差动电感式位移传感器9-4差动电感式位移传感器a〕变气隙式差动传感器b〕螺线管式差动传感器1－上差动线圈2－铁心 3－衔铁 4－下差动线圈5－测杆 6－工件7－基座图9-5 差动线圈与单线圈变气隙电感式位移传感器的特性比较1－上线圈特性2－下线圈特性3－L1、L2差接后的特性提问：请分析差动变气隙电感式位移传感器的特性〔线性、灵敏度、吸力、温漂等。测量转换电路沟通电桥电路〔略。相敏检波电路“检波”与“整流”的含义……提问：相敏检波电路的输出电压与衔铁的位移方向之间有何关系？承受相敏检波电路得到的输出信号既能反映 的大小也能反映 的方向。图9-7 不同检波方式的输出特性曲线a〕非相敏检波b〕相敏检波01－抱负特性曲线2－实际特性曲线 E0－零点剩余电压－位移的不灵敏区0二、差动变压器式位移传感器9-8差动变压器的构造示意图1一次绕组 2－二次绕组3－衔铁4－测杆5－被测工件图9-9 抱负差动变压器原理图图9-10 差动变压器的三种状态a〕衔铁向左位移b〕衔铁处于两个二次绕组的对称位置c〕衔铁向右位移d〕输出特性曲线1－非相敏检波抱负输出特性2－非相敏检波实际输出特性3－相敏检波实际输出特性请分析：1〕当衔铁偏离中间位置向左移动时的状况；3〕当衔铁偏离中间位置向右移动时的状况。主要性能〔1〕2〕线性范围。提问：衔铁处于线圈中间对称位置时，怎样从图9-10中看出差动变压器的零点剩余电压？测量转换电路图9-12 差动整流电路a〕差动整流电路b〕第一个二次侧的整流波形c〕其次个二次侧的整流波形d〕a、b两点的对地电压差练习RP时差动整流的输出为零。上述调零步骤之后，当被测工件的直径小于设定的标准直径时，画出Uab的波形。任务二电感式位移传感器测量小位移一、电感式测微器图9-13 轴向电感式测微器及测微仪a〕测微器构造b〕模拟指针式测微仪外形c〕数字式测微仪外形d〕测微器在工件直径测量中的使用1－引线电缆2－固定磁筒 3－衔铁4－线圈5－测力弹簧 6－防转销7－钢球导轨〔直线轴承〕8－测杆9－密封套10－测端 11－被测工件12－基准面二、圆度测量图9-14 圆度测量a〕被测轴类工件b〕计算机处理结果c〕圆度测量仪外形1－被测物 2－耐磨测端3－电感式传感器提问：圆度的单位是毫米还是米？三、工件截面轮廓测量图9-15 电感式工件外表轮廓测量仪原理图提问：工件外表轮廓测量的单位是微米还是米？工程二涡流式小位移传感器【工程教学目标】学问目标了解位移传感器的标定方法。技能目标把握涡流式小位移传感器测量转速的原理。任务一涡流式位移传感器测量小位移一、轴向位移的监测图9-16 汽轮机主轴轴向位移的监测1－旋转设备〔汽轮机〕2－主轴 3－刚性联轴器4－涡流式位移传感器探头5－夹紧螺母6－涡流式传感器支架 7－发电机8－基座提问：当图9-16中的涡流式位移传感器探头与被测联轴器的间隙为设定的标准间隙时，涡流式位移传感器的输出电压应当调整为多少？二、转速测量n60f 〔9-3〕z图9-17 涡流式转速测量方法a〕带有凹槽的转轴及输出波形b〕带有凸起的转轴及输出波形1－传感器 2－被测物9-19-17bT=20msn为多少转每分钟？解f=1/T=1/20ms=50Hz，z=8，所以转速f 50n60

=60 r/min=375r/min。z 8提问9-17中的输出波形不是正弦波？工程三接近开关任务一任务一生疏接近开关一、常用接近开关的分类〔1〕电感式接近开关〔实际工作原理是涡流效应〔〕电容式接近开关〔〕干〔4〕二、接近开关的特点4〕响应；5〕密封；6〕触点、火〕与PLC〕“触点”容量。三、接近开关的主要技术指标〔1〕〔〕〔〕〔〕重复定位准确度〔重复性；〔5〕〔〕额定工作距离。提问：1.动作距离、复位距离、动作滞差三者之间是何关系？哪个数值最大？2.动作距离与额定工作距离的数值哪个大？只对磁性或导磁性物体起作用。任务二电感式〔涡流原理〕接近开关的应用一、电感式接近开关的规格及接线方式1．电感式接近开关的构造形式图9-21 电感式接近开关的几种构造形式a〕圆柱形〔非齐平式〕b〕平面安装型 c〕矩形d〕槽形 e〕贯穿型2．被测金属体接近电感式接近开关的方式〔1〕〔〕侧向接近〔径向接近。图9-22 NPN型三线制电感接近开关的原理、特性及接线a〕NPN型三线制电感接近开关原理框图b〕x、y方向的两种接近方式c〕齐平式NPN型、OC门常开输出电路d〕NPN型接近开关滞差特性提问：1.9-22中，当被测金属体从远至近，距离小于δmaxδnin时，该接近开关的输出为什么电平？距离小于δnin时，该接近开关的输出为什么电平？当被测金属体与探头的距离大于δmax时，该接近开关的输出为什么电平？NPN型电感式接近开关的接线及使用留意事项〔1〕〔〕〕4〕〔〕保护。提问：三线制接近开关的接线颜色是怎样规定的？假设漏接续流二极管，在什么状况下会产生过电压？有可能导致什么器件损坏？图9-23 接近开关的接线方式a〕NPN型常开二线制 b〕PNP型常闭二线制c〕NPN型常开三线制d〕PNP型常开三线制e〕NPN型常开、常闭四线制f〕PNP型常开、常闭四线制表9-3 LIONPOWER接近开关的主要技术指标参数名称指标壳体材料ABS触点掌握功率/W10最大触点电压/VDC100最小击穿电压/VAC250最大触点电流/ADC1最大接触电阻/mΩ100最小绝缘电阻/Ω108最大动作时间/ms最大复位时间/ms工作电压/VPLC的接线

DC8~36图9-24 NPN型、PNP型两线制接近开关与PLC的接线a〕低电平有效的无源输入电路b〕高电平有效的有源输入电路提问：NPN型两线制接近开关接到PLC的输入端后，接近开关处于什么电寻常，PLC才认为输入有效？PNP呢？【PLC的输入/输出状态填表训练】金属与离远近

关状态导通

光耦中的暗

管截止

输入端低电平

输出端低电平三、两线制接近开关与沟通接触器的接线图9-25 常闭型两线制接近开关与380V沟通接触器的接线图提问：图9-25的电路中，为什么需要利用KM的关心触点？假设承受常开型两线制接近开关，电路需要怎样变化？能实现怎样的功能？图9-26 工件的加工定位与计数a〕接近开关的安装位置b〕感辨头及调幅式转换电路c〕PNP型接近开关动作滞差特性1－加工机床2－刀具 3－金属工件4－加工位置5－减速接近开关6－定位接近开关 7－传送机构8－计数器-位置掌握器提问：图9-25的电路中，假设正反响电阻Rf开路，接近开关的输出特性将如何变化？请画出输出特性曲线。bPNPNPNRC要接到哪一个节点上？输出特性又有怎样的变化？请画出输出特性曲线。9-26中，当被测金属体从远至近，距离小于3mm2mm时，该接近开2mm时，该接近开关的输出为什么电平？反之距离大于3mm时，该接近开关的输出为什么电平？【PNP型接近开关〔已接下拉电阻〕的施密特特性状态填表训练】接近开关端面与金属板的距离

∞ → → → → → → → → ∞低电 高电 低电电平状态平 平 平NPN常闭、PNP常闭型接近开关的施密特特性比较电路形式NPN输出

管导通

无金属物体靠近时I UC oUCES

晶体管PNP输出

L/RL

)V〔高电平)V R状态ICUo截止0VCC(V R状态ICUo截止0VCC(高电平)截止00V(低电平)CC L金属与离远近

晶体管

IC/mA237

Uo/V任务三电容式接近开关的应用一、电容式接近开关的构造及工作原理图9-27 圆柱形电容式接近开关a〕构造示意图b〕调幅式测量转换电路原理框图1－被测物 2－上检测极板〔或内圆电极〕3－下检测极板〔或外圆电极〕4－充填环氧树脂5－测量转换电路板6－塑料外壳7－灵敏度调整电位器RP 8－动作指示灯9－电缆10－非齐平式安装板〔金属，接地〕UR－比较器的基准电压提问1为尼龙以及纸板时，两者的灵敏度哪个大？为什么该电容式接近开关的有效输出是低电平？请分析当纸板靠近该接近开关时的整个工作过程。图9-28 电容式接近开关的外形a〕齐平式〔允许金属安装平面与探头的端面齐平〕b〕非齐平式 c〕非齐平夹具安装式提问从图a和图b的构造来看齐平式和非齐平式接近开关的灵敏度哪个略大？二、电容式接近开关的特性图9-29 动作距离与被检测物体的材料、性质、尺寸的关系提问：从图9-29可以看出，纸板和金属板对电容式接近开关的影响哪个大？表9-5 不同非金属检测物对电容式接近开关动作距离的影响材料

纯酒 玻璃

纸 橡胶

尼龙、聚四〔%〕

精材氟乙烯100854020~5020~35精材氟乙烯100854020~5020~3520~3520~4020电源/V

参数名称

指标DC12~36AC220响应时间/s输出信号重复性/mm探头材料电子单元工作温度/℃探头工作温度/℃探头尺寸〔圆柱螺纹〕/mm

2~50〔与被测对象材料及外径有关〕〔0 99可选〕NPN或PNP或触点输出≤〔导电材料时〕1Cr18Ni9Ti或PTFE〔聚四氟乙烯〕-20~80-60~250〔分体式〕M12×1、M18×1、M30×、M32×壳体密封级别 IP65〔铸铝壳体时〕2〔M12×1〕5〔M18×1〕最大检测距离/mm三、电容式接近开关的使用

15〔M30×〕18〔M32×〕图9-30 电容式接近开关的应用a〕外挂式电容接近开关b〕内装式电容接近开关1－塑料容器外壁2－下料管 3－含水颗粒4－电容式接近开关5－物位提问：1.图9-30a可以用于医院的哪个场合？2.9-30中的黑色与红色接反，在什么状况下该接近开关会产生过电流？任务四霍尔式接近开关的应用一、霍尔式传感器工作原理图9-31 霍尔元件示意图a〕霍尔效应原理图b〕N型硅霍尔元件构造示意图c〕图形符号 d〕外形图9-32 开关型霍尔式集成电路外形及内部电路a〕外形尺寸b〕内部电路框图提问：1.9-32a中，霍尔器件的a、b端称为什么端？c、d端称为什么端？2.9-32b中，基极电阻RB左边的矩形框表示什么器件？起何作用？图9-33 开关型霍尔式集成电路的施密特输出特性曲线提问：1.图9-33中，假设霍尔器件感受到的磁感应强度大于，该接近开关的输出为什么电平？假设霍尔器件感受到的磁感应强度小于于，该接近开关的输出为什么电平？假设感受到的磁感应强度大于于，且小于于，则又可以分为那两种状况？图9