9检测教案,小位移检测传感器与检测技术项目教程梁森授课教案

模块九、小位移检测技术授课教案项目一电感式小位移传感器【项目教学目标】☞知识目标1）了解电感式小位移传感器的基本工作原理。

2）掌握差动整流电路。

☞技能目标熟悉电感式位移传感器的安装与应用。

任务一认识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实验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2πLU U UIZ X fL=≈=（9-1）图9-2电感式位移传感器的结构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1．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须保持22N ALμδ≈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－理想输出特性提问：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？2．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？3．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？4．差动电感式位移传感器图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）。

5．测量转换电路（1）交流电桥电路（略）。

（2）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？采用相敏检波电路，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1－理想特性曲线2－实际特性曲线E0－零点残余电压Δx0－位移的不灵敏区二、差动变压器式位移传感器图9-8差动变压器的结构示意图1一次绕组2－二次绕组3－衔铁4－测杆5－被测工件图9-9 理想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－非相敏检波理想输出特性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）当衔铁处于中间位置时的情况；2）当衔铁偏离中间位置向左移动时的情况；3）当衔铁偏离中间位置向右移动时的情况。

2．主要性能（1）灵敏度；（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残余电压？3．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）第二个二次侧的整流波形d）a、b两点的对地电压差练习：当被测工件的直径等于设定的标准直径时，调节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U ab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）测微器结构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电感式工件表面轮廓测量仪原理图提问：工件表面轮廓测量的单位是微米还是米？项目二涡流式小位移传感器【项目教学目标】☞知识目标了解位移传感器的标定方法。

☞技能目标掌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该调节为多少？二、转速测量zfn 60= （9-3）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－被测物例9-1 用图9-17b 中的涡流式位移传感器测得T =20ms ，求：转轴的转速n 为多少转每分钟？解 f =1/T =1/20ms=50Hz ，z =8，所以转速5060=60r/min =375r/min 8f n z =⨯。

提问：为什么图9-17中的输出波形不是正弦波？项目三 接近开关任务一认识接近开关一、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）；（2）电容式接近开关；（3）干簧管；（4）霍尔式接近开关只对磁性或导磁性物体起作用。

二、接近开关的特点1）非接触检测；2）定位准确度；3）机械磨损；4）响应；5）密封；6）触点、火花、噪声，可适场合；7）与PLC或其他上位机的连接；8）体积；9）“触点”容量。

三、接近开关的主要技术指标（1）动作距离；（2）复位距离；（3）动作滞差；（4）重复定位准确度（重复性）；（5）响应频率；（6）额定工作距离δ0。

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？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．电感式接近开关的结构形式图9-21电感式接近开关的几种结构形式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）轴向接近；（2）侧向接近（径向接近）。

图9-22NPN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.在图9-22中，当被测金属体从远至近，距离小于δmax且大于δnin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？2.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？3．NPN型电感式接近开关的接线及使用注意事项（1）复位状态；（2）动作状态；（3）施密特特性；（4）续流二极管；（5）过电流保护。

提问：三线制接近开关的接线颜色是怎样规定的？如果漏接续流二极管，在什么情况下会产生过电压？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9-3LIONPOWER接近开关的主要技术指标参数名称指标壳体材料ABS触点控制功率/W 10最大触点电压/V DC 100最小击穿电压/V AC 250最大触点电流/A DC 1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/V DC 8~36二、接近开关与PLC的接线图9-24NPN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平时，PLC才认为输入有效？PNP呢？【PLC的输入/输出状态填表训练】金属与接近开关的距离接近开关状态光耦中的红外二极管状态光耦中的光敏晶体管施密特整形电路输入端施密特整形电路输出端远暗截止低电平近导通低电平三、两线制接近开关与交流接触器的接线图9-25常闭型两线制接近开关与380V交流接触器的接线图提问：图9-25的电路中，为什么需要利用KM的辅助触点？如果采用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-位置控制器提问：图9-25的电路中，如果正反馈电阻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。

如果b图中不用PNP晶体管，二改用NPN晶体管，则电阻R C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。

在图9-26中，当被测金属体从远至近，距离小于3mm且大于2mm时，该接近开关的输出为什么电平？距离小于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δ/mm∞→→→→→→→→∞电平状态低电平高电平低电平表9-4NPN常闭、PNP常闭型接近开关的施密特特性比较电路形式无金属物体靠近时金属物体靠近到动作距离后晶体管状态I C U o晶体管状态I C U oNPN输出导通/R LU CES，低电平)截止0 V CC(高电平)PNP输出导通/R LV（高电平)截止0 0V(低电平)【PNP常开型接近开关的特性填表训练（V CC=24V，R L=Ω）】金属与接近开关的距离晶体管状态I C/mA U o/V远截止近237任务三电容式接近开关的应用一、电容式接近开关的结构及工作原理图9-27圆柱形电容式接近开关a）结构示意图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－灵敏度调节电位器RP 8－动作指示灯9－电缆10－非齐平式安装板（金属，接地）U R－比较器的基准电压提问：被测物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的结构来看，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水纯酒精玻璃潮湿的木材纸橡胶石英尼龙、聚四氟乙烯动作距离（%）100 85 40 20~50 20~35 20~35 20~40 20表9-6TV618电容式接近开关的主要技术指标参数名称指标电源/V DC 12~36或AC 220测量距离/mm 2~50（与被测对象材料及外径有关）响应时间/s （0∼99可选）输出信号三线制直流NPN或PNP或触点输出重复性/mm ≤（导电材料时）探头材料1Cr18Ni9Ti或PTFE（聚四氟乙烯）电子单元工作温度/℃-20~80探头工作温度/℃-60~250（分体式）探头尺寸（圆柱螺纹）/mm M12×1、M18×1、M30×、M32×壳体密封级别IP65（铸铝壳体时）最大检测距离/mm2（M12×1）5（M18×1）15（M30×）18（M32×）三、电容式接近开关的使用图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.如果图9-30中的黑色与红色接反，在什么情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型硅霍尔元件结构示意图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.图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.图9-32b中，基极电阻R B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，如果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？2.如果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？3.如果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情况？图9-34霍尔式接近开关应用示意图a）霍尔式接近开关的外形b）被检测对象是铁磁材料c）被检测对象是永久磁铁d）被检测对象是旋转翼片1－机械手2－铁磁检测板3－工作台4－丝杠-螺母副5－分流翼片H－霍尔式接近开关M－电动机PC－角编码器。