传感器及检测技术教学设计3速度检测.docx
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传感器及检测技术教学设计3速度检测
项目二速度检测
教学目的:
1、能认识、了解检测速度的传感器器件,了解它们的特点和性能。
2、能理解电涡流传感器的工作原理、测量电路及应用电路。
3、能掌握霍尔传感器的工作原理和应用。
4、了解磁电式传感器的工作原理和它的特点。
5、能理解变磁通式和恒磁通式磁电传感器的工作原理和应用。
6、掌握光电效应的三种类型和常用光电传感器的工作原理。
7、掌握光电传感器的组成及理解光电传感器的应用电路。
课型:
新授课
课时:
4个任务,安排8个课时。
教学重点:
认识电涡流传感器的外形与结构,性能指标和各项参数。
霍尔传感器的外形与结构及其工作原理是基于霍尔效应;磁电式传感器的工作原理。
教学难点:
电涡流传感器的性能指标和各项参数。
霍尔传感器的工作原理是基于霍尔效应,霍尔元件产生的霍尔电压大小的决定因素,霍尔元件,霍尔传感器的测量电路及补偿;磁电式传感器的工作原理;光电传感器的组成及测量方法。
教学过程:
1.教学形式:
讲授课,教学组织采用课堂整体讲授和分组演示。
2.教学媒体:
采用启发式教学、案例教学等教学方法。
教学手段采用多媒体课件、视频等媒体技术。
作业处理:
完成项目后的思考题。
板书设计:
本课标题
检测技术与传感器的认知
课次
4
授课方式
理论课□讨论课□习题课□其他□
课时安排
8
学分
共2分
授课对象
院系、专业:
任课教师
教学基本内容
教学方法及教学手段
课堂导入
在各种车辆的运转、机械设备的运行中,都需要对旋转轴的转速进行测量,转速一般以每分钟的转数来表达,单位为r/min。
测量速度的方法很多,通常有霍尔传感器测速、电涡流测速、磁电感应测速、光电测速、光电编码器数字测速和测速发电机模拟测速等。
参考以下形式:
1.衔接导入
2.悬念导入
3.情景导入
4.激疑导入
5.演示导入
6.实例导入
7.其他形式
基本知识汇总
任务一电涡流传感器用于转速检测
机械设备的运行中,有大量涉及转轴的转速测量。
当被测对象是导电良好的金属物体时,一般可选用电涡流传感器进行测速。
电涡流传感器是利用电涡流效应制成的一种传感器。
它具有结构简单、体积小巧、
灵敏度高、频率响应宽、抗干扰能力强、价格较低、不受油污等介质的影响、无接触测量等优点。
它不仅广泛用于测量转速,而且也应用于测量位移、厚度、应力、材料损伤等场合。
基于法拉第电磁感应原理,将块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时,导体内会产生呈涡旋状的感应电流,该电流称为电涡流。
电涡流的产生必然要消耗一部分能量,使产生磁场的线圈阻抗发生变化的物理现象称为电涡流效应。
电涡流式传感器就是利用电涡流效应,将非电量转换成阻抗的变化而进行测量的一种传感器。
电涡流式传感器分为高频反射式和低频透射式两类。
(一) 电涡流传感器的外形
各种电涡流传感器的外形如图22所示。
(二) 电涡流式传感器的结构
电涡流传感器的结构如图23所示。
1—电涡流线圈;2—壳体;3—壳体上的位置调节螺纹;4—印制线路板;5—夹持螺母;
6—电源指示;7—阈值指示灯;8—输出屏蔽电缆线;9—电缆插头
1.本课程是机电一体化、自动控制、电气自动化、应用电子等专业的一门专业课程。
要求学生能认识常用传感器,掌握其工作原理、输出特性、误差补偿,理解各种测量转换电路,了解传感器的典型应用等知识,达到能正确使用常用传感器的目的。
2.检测技术的主要内容包括了自动检测系统中的信息提取、信息转换以及信息处理。
需要一定的测量理论、测量方法,相应的测量工具、装置,以及对测量结果进行正确的处理分析。
它涵盖了传感器技术、误差理论、测试计量技术、抗干扰技术以及电量间的互相转换技术等。
3.本课程教学内容的组织与安排:
由实例引入,按照“任务提出”“相关知识”“任务实施”“其他案例”“训练一下”几个部分递进完成。
采用任务引领的项目课程教学,将检测技术与传感器的技能和知识点融入项目的工作任务之中,在符合工作过程的基础上,充分考虑了学习者的认知心理过程,将课程内容划分为九个项目,再具化为多个工作任务的教学内容。
从检测的对象着手,选择合适的传感器,通过认识该类传感器的外形、性能指标,再到测量原理的介绍,在掌握基本知识的基础上,介绍相应的测量转换电路、信号处理电路,来完成该类检测任务。
再安排一个训练,供学习者在实践中掌握知识、提高技能。
(三)V系列电涡流传感器性能指标
① 线性距离:
2~10mm。
② 精度:
1.0%。
③ 响应时间:
5ms。
④ 工作电压:
15~30VDC。
⑤ 输出电压:
0.1VDC。
⑥ 输出电流:
≤5mA。
⑦ 静态功耗:
≤0.8W。
⑧ 环境温度、湿度:
-25~75℃、95%RH(25℃时)。
⑨ 使用寿命:
≥10000h。
二电涡流传感器的工作原理
在金属导体上方放置一个线圈L,当线圈中通以电流I1·时,线圈的周围空间就产生了交变磁场H1,在金属导体内就会产生电涡流I2·,由I2产生反向电磁场H2,由于H2与H1方向相反,H2抵消了部分原磁场H1,使导电线圈的阻抗发生了变化。
线圈阻抗Z的变化程度取决于线圈L的外形尺寸、线圈L至金属板之间的距离、金属板材料的电阻率和磁导率以及激励源的频率等参数。
当改变其中一个参量,而保持其余参数为常数时,则线圈阻抗Z就成为此参数的单值函数。
如保持其他参数不变,仅改变线圈与金属导体之间的距离,则此时线圈阻抗Z的变化量就反映了线圈与导体间距离的变化量。
若改变激励源频率f,可控制检测深度,频率越高,电涡流的渗透深度越浅。
因此,一般用高频激励源施加在线圈上,通过反射来检测与被测金属体的间距;用低频激励源施加在线圈上,通过透射来检测被测金属体的厚度。
三高频反射式电涡流传感器
在线圈前面放一块金属导体,电涡流传感器的线圈与被测金属导体间是非接触磁性耦合。
当高频电流施加在电感线圈上时,线圈产生的高频磁场作用于被测金属导体表面,形成电涡流,电涡流产生的磁场又反作用于线圈,从而改变了线圈的阻抗。
线圈阻抗由线圈与金属导体的距离决定。
通过测量线圈阻抗的变化就可确定电涡流传感器探头与金属板之间的距离。
被测物的电导率越高,传感器的灵敏度越高。
四低频透射式电涡流传感器
低频透射式电涡流传感器采用低频激励,贯穿深度
五电涡流传感器的测量电路
电涡流传感器的探头是一个电感线圈,改变它与被测金属板的间距,就改变了电感线圈的阻抗大小,阻抗的变化还要通过后续的测量电路转换为容易测量的电压的变化。
常用的测量电路有以下三种:
(一) 电桥测量电路
(二) 定频调幅测量电路
(三) 调频式测量电路
五电涡流传感器的测量电路
六实验用电涡流传感器检测位移
(一) 实验目的
了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。
(二) 需用器件与单元
① CSY—2000传感器与检测技术实验台。
(+15V电源,数显电压表)
② 电涡流传感器实验板。
③ 电涡流传感器。
④ 测微头。
⑤ 铁圆片。
(三) 实验原理
探头线圈通入高频电流,产生磁场,当有被测导体接近时,导体内的涡流效应产生涡流损耗,而涡流效应的强弱与该导体与线圈的距离有关,因此通过检测涡流效应的强弱即可以进行位移测量。
四) 实验步骤
① 根据图217所示安装电涡流传感器。
② 根据图218所示进行实验连线:
② 根据图218所示进行实验连线:
(a)将+15V电源接入模板。
(b)将模板输出电压V0接到数显电压表上。
(c)将模板上高频电流接入电涡流线圈中。
③ 打开主控台电源。
④ 使测微头与传感器线圈顶部接触,记录数显表的示数,然后每隔0.5mm读一个数,记入表21,直到输出几乎不变为止。
表21电涡流传感器位移x与输出电压U的实验数据
x/mm
U/V
(五) 实验数据分析
① 根据表21数据,画出Ux曲线。
② 计算量程为1mm、3mm和5mm时的灵敏度和线性度。
③ 由实验结果分析电涡流传感器是如何测量轴的振动和偏心的。
(六) 被测体材质对电涡流传感器特性的影响
① 将上述被测体铁圆片分别换成铜圆片和铝圆片,重复实验过程,实验数据分别记入表22和表23。
任务二汽车行车速度检测
一霍尔传感器的外形结构和性能
(一) 霍尔传感器的外形
(a)霍尔元件(b)霍尔接近开关(c)霍尔电流传感器
(二) 霍尔元件的结构和符号
a霍尔片
从矩形薄片半导体基片上的两个相互垂直方向侧面上,引出一对电极,其中1、2两电极用于控制电流,称控制电极。
另一对3、4电极用于引出霍尔电势,称输出电极。
在基片外面用金属或陶瓷、环氧树脂等封装作为外壳。
b霍尔元件的外形
c霍尔元件符号
(三) 霍尔接近开关介绍
1、特点
霍尔接近开关具有响应频率高,重复定位精度高,抗干扰能力强,多种保护功能,有工作状态指示灯,可以和控制器(PC)直接接口,可靠性高和使用寿命长等特点。
2、技术参数
二霍尔传感器的工作原理
(一) 霍尔效应
霍尔传感器的工作原理是基于霍尔效应。
1879年美国物理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应。
所谓霍尔效应是置于磁场中的导体或半导体中流过电流时,若是没有磁场的影响,则正电荷载流子能平稳地流过,此时输出端(从载流导体上平行于电流和磁场方向的两个面引出)的电压为零。
当加入一个与电流方向垂直的磁场时(图223),电荷载流子会由于洛伦兹力的作用而偏向一边,在输出端产生电压,即霍尔电压。
这一现象称为霍尔效应。
(二) 霍尔元件产生的霍尔电压大小的决定因素
由于UH=KHIB,所以霍尔元件产生的霍尔电压主要由三个方面的因素决定:
① 与电源提供的电流的大小有关。
② 与霍尔元件所处磁场的强度有关。
③ 与霍尔元件的物理尺寸有关。
霍尔电压是和元件厚度d成反比的,因此霍尔元件一般制作得较薄。
(三)霍尔元件
由于霍尔元件的灵敏度与材料的电阻率和电子迁移率(在单位电场强度作用下,载流子的平均速度值)成正比。
若要霍尔效应强,制造霍尔元件材料的电阻率和电子迁移率要大。
对于金属导体,电子迁移率大,但电阻率很小;而绝缘材料电阻率极高,但电子迁移率极小。
两者都不适宜制作霍尔元件。
只有半导体材料的电阻率和电子迁移率适中,且N型半导体的电子迁移率大于P型半导体的电子迁移率,因此一般用N型半导体制作霍尔元件。
制作霍尔元件常用的材料有N型锗、锑化铟、砷化铟、砷化镓及磷砷化铟等。
锑化铟产生的霍尔电势较大,但温度影响大;锗及砷化铟受温度影响小,线性好,但霍尔电势小;砷化镓温度特性好,但价格贵;磷砷化铟的温度特性最好。
三霍尔传感器的测量电路及补偿
(一) 霍尔传感器的测量电路
(二) 温度误差及补偿
由于霍尔元件的基片是半导体材料,因而对温度的变化很敏感。
为了减小霍尔元件的温度误差,可采取:
① 选用温度系数小的元件。
② 采用恒温措施。
③ 采用恒流源供电。
(三) 零位特性及补偿
1零位特性
零位特性是在无外加磁场或无控制电流的情况下,元件产生输出电压的特性。
2零位误差
零位误差是零位特性产生的误差。
3不等位电压
不等位电压是霍尔元件的激励电流为额定电流IN而磁感应强度为零时,所测到的空载霍尔电压UO。
4不等位电阻
不等位电阻R0:
R0=UO/IN。
不等位电压产生的主要原因:
霍尔电极安装时不在同一个电位面上,两者之间存在不等位电阻,如图225所示。
补偿方法:
利用桥路平衡的原理来补偿,
四实验直流激励时用霍尔传感器检测位移
(一) 实验目的
了解霍尔式位移传感器的原理与应用。
(二) 基本原理
根据霍尔效应,霍尔电势UH=KHIB,保持KH、I不变,若霍尔元件在梯度磁场B中运动,且B是线性均匀变化的,则霍尔电势UH也将线性均匀变化,这样就可以进行位移测量。
(三) 需用器件与单元
霍尔传感器实验模板,线性霍尔位移传感器,±4V、±15V直流电源,测微头,数显单元。
(四) 实验步骤
① 按图236所示安装霍尔传感器,霍尔传感器与实验模板之间按图237所示进行连接。
1、3为电源±4V输入,2、4为霍尔电压输出,R1与4之间的连线可暂时不接。
② 开启电源,接入±15V电源,将测微头旋至10mm处,左右移动测微头使霍尔片处在磁钢中间位置,此时数显表电压绝对值为最小,拧紧测量架顶部的固定镙钉,接入R1与4之间的连线,调节RW2使数显电压表指示为零(数显表置于2V挡)。
③ 旋转测微头,每转动1mm或2mm记下数字电压表的示数,并将读数填入表24。
将测微头回到10mm处,反向旋转测微头,重复实验过程,填入表24。
(五) 实验分析
作出Ux曲线,计算不同线性范围时的灵敏度S和非线性误差δ。
任务三磁电式传感器用于转速检测
一磁电式传感器的工作原理
当线圈旋转切割磁力线时,线圈两端的感应电势:
e=NBAdθdtsinθ=NBAωsinθ(213)
式中,θ为线圈平面的法线方向与磁场方向的夹角;A为线圈截面积;ω为旋转运动角速度。
当θ=90°时:
e=NBAω(214)
结论:
当N、B、A、l为定值时,感应电动势e与线圈和磁场的相对运动速度v(或ω)成正比。
磁电式传感器的工作原理是基于法拉第电磁感应原理。
当匝数为N的线圈在磁场中运动而切割磁力线,或通过闭合线圈的磁通量Φ发生变化时,线圈中将产生感应电势e,即:
e=-NdΦdt(29)
感应电势的大小取决于线圈匝数N和通过线圈的磁通变化率。
而磁通的变化与磁场强度、磁路磁阻、线圈与磁场相对运动等因素有关,改变其中任何一个因素都会改变线圈中的感应电势。
(一) 线圈直线运动切割磁力线
当线圈在恒定均匀磁场中做直线运动并且切割磁力线时,会产生感应电势。
若线圈运动方向与磁场方向如图238所示,B与v的夹角为θ,则线圈的磁通:
Φ=BS=Blxsinθ(210)
线圈两端的感应电势:
e=NBldxdtsinθ=NBlvsinθ(211)
式中,N为线圈的匝数;v为线圈与磁场相对运动的速度。
当θ=90°时:
e=NBlv(212)
(二) 线圈旋转切割磁力线
当线圈旋转切割磁力线时,线圈两端的感应电势:
e=NBAdθdtsinθ=NBAωsinθ(213)
式中,θ为线圈平面的法线方向与磁场方向的夹角;A为线圈截面积;ω为旋转运动角速度。
当θ=90°时:
e=NBAω(214)
结论:
当N、B、A、l为定值时,感应电动势e与线圈和磁场的相对运动速度v(或ω)成正比。
二变磁通式磁电传感器
变磁通式磁电传感器中产生磁场的永久磁铁和线圈都固定不动,通过磁通Φ的变化产生感应电动势e。
它要求被测物体或与被测物体连接部分用导磁材料制成,当被测物体运动时,磁路的磁阻发生变化,使穿过线圈的磁通量变化,从而在线圈中产生感应电势,所以变磁通式磁电传感器又称变磁阻式,常用于角速度的测量。
三恒磁通式磁电传感器
在这类磁电式传感器中,工作气隙中的磁通保持不变,线圈相对永久磁铁运动,并切割磁力线而产生感应电势。
任务四光电传感器用于转速检测
光电传感器是将光信号转换为电信号的一种传感器,可用于检测直接引起光强度变化的非电量,也可用来检测能转换为光量变化的其他非电量。
光电传感器具有高精度、高分辨率、高可靠性、非接触、响应快和结构简单等特点。
一光电传感器的工作原理
光照射在物体表面上可看成是物体受到一连串具有一定能量的光子轰击,于是物体中的电子吸收了光子的能量,导致物体的电学性质发生了变化,这种现象称为光电效应。
光电传感器的工作原理就是基于光电效应。
通常把光电效应分为三类:
1、外光电效应
2、内光电效应
3、半导体光生伏特效应
二光电传感器的工作原理
光电器件
(一) 光电管
1、光电管的外形
2、光电管的结构
光电管由一个涂有光电材料的阴极和一个阳极构成,并密封在一支真空玻璃管内,如图246所示。
光电管的阴极接受光照射,它决定器件的光电特性。
阳极由金属丝做成,用于收集电子。
3、光电管的工作原理
当阴极受到适当波长的光线照射时,电子克服金属表面对它的束缚而逸出金属表面,形成电子发射。
电子被带正电位的阳极所吸引,在光电管内就有了电子流,在外电路中便产生了电流。
电流的大小与入射光的强度成正比。
根据能量守恒定律:
光子能量=电子逸出功+电子动能
E=hγ=A+12mv2(218)
式中,γ为光波频率;h为普朗克常量,h=6.63×10-34Js;A为电子逸出功;m为电子质量;v为电子逸出的初速度。
(二) 光电倍增管
在入射光极为微弱时,光电管能产生的光电流是很小的。
而光电倍增管是在光电管的阳极和阴极之间增加若干个(11~14个)倍增极(二次发射体),来放大光电流,
(三) 光敏电阻
光敏电阻是采用半导体材料制成的利用内光电效应(光电导效应)工作的光电器件,又称光导管。
光敏电阻在光线的作用下,其电导率增大,电阻值变小。
(四) 光敏二极管和光敏三极管
(五) 光电池
三光电传感器的组成及测量方法
光电传感器通常由光源、光学通路和光电元件三部分组成,如图257所示。
Φ1是光源发出的信号,Φ2是光电元件接受的光信号,被测量是X1或X2,它们分别使光源本身或光学通路变化,从而使传感器输出的电信号I变化。
讨论题、思考题:
围绕本项目主题做情景模拟训练,以增强理解,加深印象。
可以参考教材、资料包、或者其他案例。
课后小结:
1、能认识、了解检测速度的传感器器件,了解它们的特点和性能。
2、能理解电涡流传感器的工作原理、测量电路及应用电路。
3、能掌握霍尔传感器的工作原理和应用。
4、了解磁电式传感器的工作原理和它的特点。
5、能理解变磁通式和恒磁通式磁电传感器的工作原理和应用。
6、掌握光电效应的三种类型和常用光电传感器的工作原理。
7、掌握光电传感器的组成及理解光电传感器的应用电路。
作业:
1.什么是电涡流?
什么是电涡流效应?
2. 简述电涡流传感器的工作原理。
3. 被测材料的磁导率不同,对电涡流传感器检测有什么影响?
说明理由。
4. 什么是霍尔效应?
5. 霍尔元件由什么材料制作?
为什么要用这种材料?
6. 霍尔灵敏度与霍尔元件的厚度之间有什么关系?
7. 简述霍尔传感器测量位移的原理。
8. 分析霍尔钳形电流表的工作原理。
9. 描述一个使用霍尔传感器的检测系统,并分析其工作原理。
10. 磁电式传感器的工作原理是什么?
11. 简述磁电式传感器两种类型的区别。
12. 简述磁电式传感器测量扭矩的工作原理。
13. 描述光电效应的三种类型和它们的区别。
14. 简述常用光电传感器的工作原理。
说明:
1. 每项页面大小可自行添减,可按节或课设计填写。
2. 课次为授课次序,填1、2、3……。
3. 授课方式主要包括填理论课、实验课、讨论课、习题课等。
4. 方法及手段如:
举例讲解、多媒体讲解、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、音像讲解等。
5.其他内容要求结构完整,逻辑清晰,具体详细。
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- 传感器 检测 技术 教学 设计 速度