1、正版可修改PPT課件傳感與檢測技術CH5 傳感與檢測技術模塊五 位移傳感器的應用陳金華模塊學習目標：1. 了解各位移傳感器的特性，掌握檢測方法及應用；2. 能夠按照電路要求對電位器式位移傳感 器、光柵傳感器、接近傳感器、電感式傳感器和超聲波傳感器根據(jù)應用電路進行電路組裝，并會使用萬用表等測量工具檢測調試電路；3. 能夠對測試數(shù)據(jù)進行正確的分析。項目一 電位器式位移傳感器在機械行程控制位置檢測電路中的應用任務描述： 在日常工作和生活中，電位器可以說是一種常用的機電元件，廣泛應用于各類電器和電子設備中。電位器式位移傳感器可將機械的直線位移或角位移輸入量轉換為與其成一定函數(shù)關系的電阻或電壓輸出。電位

2、器式位移傳感器除了用于線位移和角位移測量外，還可與相應的測量電路組成測力、測壓、稱重、測位移、測加速度、測扭矩、測溫度等檢測系統(tǒng)，電位器式位移傳感器結構簡單、線性和穩(wěn)定性較好，已成為生產過程檢測及實現(xiàn)生產自動化不可缺少的手段之一。 本項目利用電位器式位移傳感器制作和調試機械行程控制位置檢測電路，通過本項目的學習，學會正確選用電位器式位移傳感器并掌握其應用電路組裝調試技能。學習目標：1.理解電位器式位移傳感器的基本原理；2.掌握電位器式位移傳感器的特點；3.能正確選用電位器式位移傳感器；4.會調試和檢測位移傳感器的應用電路。學習準備：工具：電烙鐵、鑷子、偏口鉗、螺絲刀等常用電子裝接工具。儀器、儀

3、表：穩(wěn)壓電源、萬用表等。表5-1材料 元件、材料清單序號名稱型號單位數(shù)量1電位器式位移傳感器RP1 10K個12集成運算放大器LM324個13集成電路74LS08個14電位器RP2 8.2k個15電位器RP3 2K個16電阻R1 10K個17電阻R2 2K個18電阻R3 8.2K個19焊錫絲自選米110電路板或面包板75mm*150mm塊111導線自選米212松香自選盒1任務一 電位器式位移傳感器的識別、檢測和選用知識準備：1.電位器式位移傳感器電位器式位移傳感器是通過電位器元件將機械位移轉換成與之成線性或任意函數(shù)關系的電阻或電壓輸出。按照傳感器的結構，電位器式位移傳感器可分成兩大類，一類是直

4、線型電位器式位移傳感器，另一類是旋轉型電位器式位移傳感器。普通直線電位器和圓形電位器都可分別用作直線位移和角位移傳感器。電位器式位移傳感器是為實現(xiàn)測量位移目的而設計的電位器，在位移變化和電阻變化之間有一個確定關系，電位器式位移傳感器的可動電刷與被測物體相連。物體的位移引起電位器移動端的電阻變化，阻值的變化量反映了位移的量值，阻值的增加還是減小則表明了位移的方向。通常在電位器上通以電源電壓，以把電阻變化轉換為電壓輸出。1）直線型電位器式位移傳感器直線型電位器式位移傳感器原理和實物如圖5-1所示。直線型電位器式位移傳感器的工作臺與傳感器的滑動觸點相連，當工作臺左、右移動時，滑動勛點也隕之左、右移動

5、，從而改變與電阻接觸的位置，通過檢測輸出電壓的變化量，確定以電阻中心為基準位置的移動距離。圖 5-1 直線型電位器式位移傳感器直線型電位器式位移傳感器主要用于檢測直線位移，其電阻器采用直線型螺線管或直線型碳膜電阻，滑動觸點也只能沿電阻的軸線方向做直線運動。直線型電位器式位移傳感器的工作范圍和分辨率受電阻器長度的限制，線繞電阻、電阻絲本身的不均勻性會造成傳感器的輸入、輸出關系的非線性。2）旋轉型電位器式傳感器旋轉型電位器式位移傳感器的電阻元件呈圓弧狀，滑動觸點在電阻元件上做圓周運動。由于滑動觸點等的限制，傳感器的工作范圍只能小于360。把圖5-1中的電阻元件彎成圓弧形，可動觸點的另一端固定在團的

6、中心，并像時針那樣回轉時，由于電阻值隨著回轉角而改變，因此基于上述同樣的理論可構成角度傳感器。圖5-2為旋轉型電位器式位移傳感器的工作原理和實物。當輸入電壓加在傳感器的兩個輸入端時，傳感器的輸出電壓與滑動觸點的位置成比例。在應用時待測物體與傳感器的旋轉軸相連，這樣根據(jù)測量的輸出電壓的數(shù)值，即可計算出待測物對應的旋轉角度。圖 5-2 旋轉型電位器式位移傳感器2.電位器式位移傳感器的特點 電位器式位移傳感器具有性能穩(wěn)定、結構簡單、使用方便、尺寸小、質量小等優(yōu)點。它的輸入輸出特性可以是線性的，也可以根據(jù)需要選擇其他任意函數(shù)關系的輸入輸出特性；它的輸出信號選擇范圍很大，只需改變電阻器兩端的基準電壓，就

7、可以得到比較小的或比較大的輸出電壓信號。這種位移傳感器不會因為失電而丟失其已感覺到的信息。當電源因故斷開時，電位器的滑動觸點將保持原來的位置不變，只要重新接通電源，原有的位置信息就會重新出現(xiàn)。 電位器式位移傳感器的一個主要缺點是容易磨損，當滑動觸點和電位器之間的接觸面有磨損或有塵埃附著時會產生噪聲，使電位器的可靠性和壽命受到一定的影響。3. 電位器式位移傳感器的應用電位器式位移傳感器在機械設備的行程控制及位置檢測中占有很重要的地位，因其精度高、量程范圍大、移動平滑、舒暢、分辨率高、壽命長等特點，尤其在較大位移測量 中得到了廣泛的應用，如注塑機、成型機、壓鑄機、印刷機械、機床等。工程應用中，通過

8、電位器式位移傳感器將機械位移轉換成電阻的變化，再通過應用電路將電阻的變化轉換成電壓的變化，并制成分度表；相應地，根據(jù)輸出電壓的數(shù)值，即可知道位移的多少。任務二：電位器式位移傳感器的位置檢測電路制作（可用萬能電路板制作電路，也可用面包板或模塊制作電路。）知識準備： 圖 5-3 電位器式位移傳感器的位置檢測電路 電位器式位移傳感器RP1的電阻為10K,常見的阻值還有1K、 2K及5K等。在工程應用中，需將阻值的變化轉換成電壓或電流等標準信號，電壓主要有：0 5V、010V、5V和10V,電流為4mA20mA。圖中RP1滑動端輸出電壓經IC1A構成的電壓跟隨器送到由IC1B、和IC1C 組成的電壓比

9、較器，分別輸出行程下限和上限控制信號。RP1滑動端輸出電壓為05V,則IC1A輸出也為05V電壓。對于IC1C來說，若實際行程小于下限行程（即v+v-)時，則IC1C輸出為0V;若實際行程超過下限行程（即v+v-) 時，則IC1C輸出為5V;而此時IC1B因其v+v-而始終為5V。 對于IC1B來說，當實際行程小于上限（即V+V-)時，輸出的上限控制信號為5V;當 實際行程超過上限（即V+V-)時，此時IC1B輸出的上限控制信號為0V;而此時的IC1C 因V+V-直保持為5V。 圖中RP2用于調節(jié)上限位置，其調節(jié)范圍是20mm100mm; RP3用于調節(jié)下限位置，其 調節(jié)范圍是020mm。任務

10、實施：根據(jù)原理圖，組裝制作電路。電路制作完成后，只要元器件參數(shù)正確、沒有接錯，無虛焊、漏焊等，按照調試方法調試即可工作。任務三：電位器式位移傳感器的位置檢測電路調試調試方法與步驟：1. 下限位置調節(jié):將電位器式傳感器調節(jié)到下限位置（如5mm的位置），此時調節(jié)RP3使IC2B輸出為低電平；在工作過程中，當電位器的位移小于5mm時，IC2B輸出為低電平。2.上限位置調節(jié): 將電位器調到上限位置（如80mm),調節(jié)RP2,使IC2A輸出為低電平，此時，當傳感器 運動超過此位置時，IC2B輸出為低電平。該電路輸出的兩個信號可作為系統(tǒng)工作的上、下限位置檢測信號，此信號類似于機械運動中的行程開關。可將此信

11、號送到控制電路作為往復運動的控制信號，也可將此信號送到MCU,作為工件的位置信號。RP1滑動端輸出電阻IC1B輸出電壓IC1C輸出電壓上限位置調節(jié)下限位置調節(jié)表5-2 實驗測試記錄表表 5-3 任務評價表評價項目評價內容自評互評師評學習態(tài)度（10）能否認真觀察實驗現(xiàn)象、認真完成任務安全意識（10）是否注意保護所用儀表儀器完成任務情況（70）是否了解電位器式位移傳感器是如何測位移的(20)是否能進行電位器式位移傳感器元件的檢測(10)是否能正確制作位置檢測電路(20)是否掌握觀測位置變化的方法(20)協(xié)作能力（10）與同組成員交流討論解決不太清楚的問題總評好（85-100）較好（70-85）一般

12、（少于70）項目二 光柵傳感器在數(shù)控機床位移檢測電路中的應用任務描述：光柵傳感器指采用光柵疊柵條紋原理測量位移的傳感器。由光柵形成的疊柵條紋具有光學放大作用和誤差平均效應，因而能提高測量精度。光柵傳感器的優(yōu)點是量程大，精度高和響應速度快。其主要應用在程控、數(shù)控機床和三坐標測量機構中，可測量靜、動態(tài)的直線位移和整圓角位移。另外，在機械振動測量、變形測量等領域也有應用。本項目利用光柵傳感器制作和調試數(shù)控機床位移檢測電路，通過本項目的學習，學會光柵傳感器位移檢測電路的安裝和調試。通過光柵傳感器的位移檢測應用訓練，達到了解常用光柵傳感器檢測位移的方法。 學習目標：1.了解光柵傳感器的類型和結構；2.掌

13、握光柵傳感器的特性和工作原理；3.能正確識別和選用光柵傳感器；4.能完成光柵傳感器檢測位移電路組裝并正確測量位移。學習準備：工具：電烙鐵、鑷子、尖嘴鉗、偏口鉗、螺絲刀等常用電子裝接工具。儀器、儀表：直流穩(wěn)壓電源、萬用表、示波器，數(shù)據(jù)采集卡，排線；任務一 光柵傳感器的識別、檢測和選用知識準備：光柵傳感器是數(shù)控機床上應用較多的一種檢測裝置，主要用來檢測高精度的直線位移和角位移。光柵傳感器為動態(tài)測量元件，按運動方式分為長光柵和圓光柵，如圖5-4所示。長光柵用來測量直線位移，圓光柵用來測量角度位移。下面首先介紹光柵傳感器的基本知識。(a)測量線位移的長光柵 (b)測量角位移的圓光柵 圖 5-4 光柵傳

14、感器1. 光柵在玻璃基體上刻有均勻分布的細小條紋，這些條紋黑白相間、間隔相同，沒有刻劃的白的地方透光，刻劃的發(fā)黑，不透光 , 這就是光柵 。如圖5-5所示。光柵是一種新型的位移檢測元件，是一種將機械位移或模擬量轉變?yōu)閿?shù)字脈沖的測量裝置，有直線光柵和圓光柵兩種。它的特點是測量精確度高（可達1um）、響應速度快、量程范圍大（一般為12m，連接使用可達到10m）及可進行非接觸測量等。因其易于實現(xiàn)數(shù)字測量和自動控制，廣泛用于數(shù)控機床和精密測量中。 圖 5-5 光柵 (a)長光柵 （b）圓光柵2. 光柵傳感器的結構 光柵傳感器的結構如圖5-6所示。主要由光源、標尺光柵、指示光柵和光電接收元件組成。通常，

15、標尺光柵和被測物體相連，隨被測物體的直線位移而產生位移。一般標尺光柵和指示光柵的刻線密度是相同的，而刻線之間的距離W稱為柵距。光柵條紋密度一般為每毫米25、50、100、250條等。在測量時，一般指示光柵固定不動，標尺光柵隨測量工作臺(或主軸)一起移動。但在使用長光柵尺的數(shù)控機床中，標尺光柵往往固定在床身上不動，而指示光柵隨拖板一起移動。標尺光柵的尺寸常由測量范圍確定，指示光柵則為一小塊，只要能滿足測量所需的莫爾條紋數(shù)量即可。圖 5-6 光柵傳感器的結構3光柵傳感器的檢測原理 1）莫爾條紋將柵距W相同的兩塊光柵的刻線面相對重疊在一起，并且使二者柵線有很小的交角，這樣就可以看到在近似垂直柵線方向

16、上出現(xiàn)明暗相間的條紋， 稱為莫爾條紋。 如圖5-7所示。圖 5-7 莫爾條紋莫爾條紋具有如下特點：（1） 莫爾條紋的位移與光柵的移動成比例。當指示光柵不動，標尺光柵向左右移動時，莫爾條紋將沿著近于柵線的方向上下移動；光柵每移動過一個柵距W，莫爾條紋就移動過一個條紋間距B，查看莫爾條紋的移動方向，即可確定主光柵的移動方向。（2） 莫爾條紋具有位移放大作用。莫爾條紋的間距B與兩光柵條紋夾角之間關系為 (式5.1)式中的單位為rad，B、W的單位為mm。所以莫爾條紋的放大倍數(shù)為 (式5.2)可見越小，放大倍數(shù)越大。實際應用中，角的取值范圍都很小。例如當=10時，K=1/=1/0.029rad345。

17、也就是說指示光柵與標尺光柵相對移動一個很小的距離W時，如 若W0.01mm，把莫爾條紋的寬度調成l0mm，即利用光的干涉現(xiàn)象把光柵間距放大1 000 倍，得到一個很大的莫爾條紋移動量，可以用測量條紋的移動來檢測光柵微小的位移，從而實現(xiàn)高靈敏度的位移測量，因而大大減輕了電子線路的負擔。（3） 莫爾條紋具有平均光柵誤差的作用。莫爾條紋是由一系列刻線的交點組成，它反映了形成條紋的光柵刻線的平均位置，對各柵距誤差起了平均作用，減弱了光柵制造中的局部誤差和短周期誤差對檢測精度的影響。2）光柵傳感器測量位移的工作原理在利用光柵傳感器測量位移時，是由一對光柵副中的主光柵（即標尺光柵）和副光柵（即指示光柵）進

18、行相對移動時，標尺光柵固定在機床不動部件上，長度等于工作臺移動的全行程，指示光柵固定在機床移動部件上，標尺光柵和指示光柵保持一定間隔、重疊在一起，并在自身的平面內轉一個角度，如圖5-7，當光源以平行光照射光柵時，在光的干涉與衍射共同作用下產生黑白相間（或明暗相間）的規(guī)則條紋圖形，即莫爾條紋。由（式5.1）可知，直線位移反映在光柵的柵距上，當光柵移動一個柵距，莫爾條紋相應移動一個紋距。根據(jù)柵距移動與莫爾條紋移動的對應關系，經過光電器件轉換使黑白（或明暗）相間的條紋（光強信號）轉換成正弦波變化的電壓信號，再經過放大器放大，整形電路整形后，得到兩路相差為90o 的正弦波或方波，由此可知，每產生一個方

19、波，就表示光柵移動了一個柵距，最后通過鑒向倍頻電路中的微分電路變?yōu)橐粋€窄脈沖，這樣就變成了由脈沖表示柵距，通過對脈沖計數(shù)便可得到工作臺的移動距離。工作原理如圖5-8所示。圖 5-8 光柵傳感器測量位移的工作原理任務二：光柵傳感器的位移檢測電路制作（可用萬能電路板制作電路，也可用面包板或模塊制作電路。）知識準備： 由于長光柵輸出的是數(shù)字信號，便于與數(shù)控系統(tǒng)連接，而且精度較高，所以在數(shù)控機床中得到廣泛應用。本任務是利用光柵位移傳感器構成一個檢測直線位移的檢測電路。所使用的傳感器如圖5-9和與其配套的實驗模塊如圖5-10。圖 5-9 光柵位移傳感器圖 5-10 光柵傳感器實驗模塊任務實施：準備好傳感

20、器和實驗模塊，按下面的調試方法和步驟進行操作即可完成本實訓任務。任務三：光柵傳感器的位移檢測電路調試調試方法與步驟：（1）將光柵位移傳感器和光柵傳感器實驗模塊接通電源（15V,5V）。（2）將采集卡的地線接到電源地，采集卡接口D01D04分別接到圖 5-9 光柵位移傳感器“步進電機驅動模塊”的A、B、C、D。光柵位移傳感器輸出通過一根排線接到圖 5-10 光柵傳感器實驗模塊的“光柵傳感器輸入線位移”打開固定電壓源開關。（3）通過USB數(shù)據(jù)線將數(shù)據(jù)采集卡與計算機相連，并打開虛擬示波器，在彈出的窗口中點擊“電機控制”，彈出“電機控制對話框”，在“設置單位步長”對話框中輸入表5-4所示的單位步長時間

21、，“控制方式”選擇步進電機，電機“啟動”鍵步進電機開始旋轉，帶動絲杠一起旋轉，螺母隨著絲杠的旋轉開始做直線運動，產生位移，光柵傳感器檢測后，在光柵傳感器實驗模塊上顯示其位移量，啟動半分鐘后，電機“停止”鍵，并記錄下30s時間段內絲杠螺母的直線位移量。（4）按照表5-4改變“設置單位步長”的單位步長時間，控制步進電機轉動的速度，記錄30s時間段絲杠螺母的直線位移量。完成表5-4。（5）實驗完畢，關閉電源，按規(guī)范要求整理實驗設備和工作現(xiàn)場。表 5-4 實驗記錄表單位步長時間（ms）102030405060708090100直線位移（mm）表5-5 任務評價表評價項目評價內容自評互評師評學習態(tài)度（1

22、0）能否認真觀察實驗現(xiàn)象、認真完成任務安全意識（10）是否注意保護所用儀表儀器完成任務情況（70）是否正確識別光柵傳感器(10)是否能進行光柵傳感器元件檢測(10)是否能正確制作光柵傳感器位移檢測電路(30)是否掌握光柵傳感器位移檢測電路的調試方法(20)協(xié)作能力（10）與同組成員交流討論解決不太清楚的問題總評好（85-100）較好（70-85）一般（少于70）項目三 接近傳感器在防觸電警告電路中的應用任務描述：接近傳感器，是對接近它的物件有“感知”能力的元件，這類傳感器不需要接觸到被檢測物體，當有物體移向該傳感器，并接近到一定距離時，接近傳感器就有“感知”。利用位移傳感器對接近物體的敏感特性

23、制作的開關，就是接近開關，是以無需接觸檢測對象進行檢測為目的的傳感器，通過檢測對象的移動信息和存在信息并轉換為電氣信號來實現(xiàn)檢測目的。本項目利用接近傳感器制作和調試防觸電警告電路，通過本項目的學習，了解接近傳感器的特點，學會正確使用接近傳感器，并掌握接近傳感器應用電路的安裝和檢測技能。學習目標：1.理解接近傳感器的基本原理；2.掌握接近傳感器的特點；3.能正確選用接近傳感器；4.會調試和檢測接近傳感器的應用電路。學習準備：工具：電烙鐵、鑷子、偏口鉗、螺絲刀等常用電子裝接工具。儀器、儀表：穩(wěn)壓電源、萬用表等。表5-6 元件、材料清單序號名稱型號單位數(shù)量1接近傳感器RD627A個12集成運算放大器

24、LM393個13集成運算放大器LM386個14集成電路555個25電位器100K個16電阻10K個27電阻100K個28電阻15K個19電阻1M個110電阻100個111電阻190K個112電阻390個113電阻11K個114電解電容10uF個315電解電容47 uF個216電解電容100uF個217電解電容1uF個118瓷片電容0.01uF個219三極管850個120穩(wěn)壓管2CW52個121揚聲器8個122焊錫絲1米123電路板或面包板150mm*150mm塊24導線若干米225松香1盒1任務一 接近傳感器的識別、檢測和選用知識準備：1.認識接近傳感器在傳感器中能以非接觸方式檢測到物體的接近

25、和附近檢測對象有無的產品總稱為“接近開關”。接近開關又稱無觸點行程開關。它能在一定的距離內檢測有無物體靠近。當物體與其接近到設定距離時，就可以發(fā)出“動作”信號。常用作位置檢測。 接近開關的核心部分是“感辨頭”，它對正在接近的物體有很高的感辨能力。 常用的接近開關如圖5-11，有電渦流式（俗稱電感接近開關）、電容式、磁性干簧開關、霍爾式、光電式、微波式 、超聲波式等。 本項目中主要介紹微波式接近傳感器。圖 5-11 接近傳感器2.接近傳感器的特點接近開關與被測物不接觸、不會產生機械磨損和疲勞損傷、工作壽命長、響應快、無觸點、無火花、無噪聲、防潮、防塵、防爆性能較好、輸出信號負載能力強、體積小、安

26、裝、調整方便。 缺點是觸點容量較小、輸出短路時易燒毀。 3.接近傳感器的主要性能指標 1）動作（檢測）距離: 動作距離是指檢測體按一定方式移動時，從基準位置（接近開關的感應表面）到開關動作時測得的基準位置到檢測面的空間距離。額定動作距離是指接近開關動作距離的標稱值。 2）設定距離：指接近開關在實際工作中的整定距離，一般為額定動作距離的0.8倍。被測物與接近開關之間的安裝距離一般等于額定動作距離，以保證工作可靠。安裝后還須通過調試，然后緊固。3）復位距離：接近開關動作后，又再次復位時的與被測物的距離，它略大于動作距離。4）回差值: 動作距離與復位距離之間的絕對值?；夭钪翟酱?，對外界的干擾以及被測

27、物的抖動等的抗干擾能力就越強。5）響應頻率f ：按規(guī)定，在1秒的時間間隔內，接近開關動作循環(huán)的最大次數(shù)，重復頻率大于該值時，接近開關無反應。6）響應時間t ：接近開關檢測到物體時刻到接近開關出現(xiàn)電平狀態(tài)翻轉的時間之差。 可用公式換算： t=1/ f7）輸出狀態(tài)：常開/常閉型接近開關。當無檢測物體時，對常開型接近開關而言，由于接近開關內部的輸出三極管截止，所接的負載不工作（失電）；當檢測到物體時，內部的輸出級三極管導通，負載得電工作；對常閉型接近開關而言，當未檢測到物體時，三極管反而處于導通狀態(tài)，負載得電工作；反之則負載失電。8）導通壓降：接近開關在導通狀態(tài)時，開關內部的輸出三極管集電極與發(fā)射極

28、之間的電壓降。一般情況下，導通壓降約為0.3V。4. 微波式接近傳感器及工作原理1）微波式接近傳感器的結構微波振蕩器和微波天線是微波傳感器的重要組成部分。微波振蕩器是產生微波的裝置。由于微波波長很短，頻率很高，要求振蕩回路非常小的電感和電容，因此，不能用普通晶體管構成微波振蕩器。構成微波振蕩器的器件有速調管、磁控管或某些固體元件。小型微波振蕩器也可以采用場效應管。由微波振蕩器產生的振蕩信號需要用波導管波長在10cm以上可用同軸線傳輸，并通過天線發(fā)射出去，為了使發(fā)射的微波信號具有一致的方向性，天線應具有特殊的結構和形狀。常用的天線有喇叭形天線和拋物面天線等。2）微波式接近傳感器的工作原理由發(fā)射天

29、線發(fā)出的微波，遇到被測物體時將被吸收或反射，使其功率發(fā)生變化。若利用接收天線接收透過被測物或由被測物反射回來的微波，并將它轉換成電信號，再由測量電路處理，就實現(xiàn)了微波檢測。任務二：接近傳感器的位置檢測電路制作（可用萬能電路板制作電路，也可用面包板或模塊制作電路。）圖5-12 微波式接近傳感器組成的防觸電警告電路知識準備： 微波式防觸電告警器可在人體接近防范區(qū)時，將人體位移信號轉換成電聲信號，由揚聲器發(fā)出“有電危險，請勿靠近”的警告聲。圖5-12所示，微波式接近防觸電告警器電路主要由微波發(fā)射與探測電路、比較器、觸發(fā)延時電路、放大及語音報警電路等組成。IC1為多普勒傳感器模塊，其內部由振蕩器、微波

30、發(fā)射、多普勒接受、放大檢波及限幅等電路組成，工作時，IC1內部振蕩器產生的微波信號經天線向周圍的空間發(fā)射出去，形成一個約100m2的防范空間。當人體在這個區(qū)域走動時，反射回來形成的多普勒頻率經IC1內部電路的一系列處理，在IC1的7腳輸出一個和人體移動相應的直流電平，該電平的幅值隨人體離天線的距離大小而變化，人體離天線越近，該電平變化的幅值也越大。IC2為雙電壓比較器，用來對IC1輸出的電平進行比較鑒別。A1和A2組成窗口比較器，若輸出信號電平位于A1和A2比較器門限電平之間時，兩比較器均輸出高電平；當輸出信號電平超出門限電平范圍，兩比較器均輸出低電平。用此低電平觸發(fā)IC3組成的單穩(wěn)延時電路，

31、在暫穩(wěn)的時間內，IC3的3腳輸出高電平，使達林頓管VT1導通，由IC4和IC4組成的語音及功率放大電路得電工作，告警語音信號經放大后由揚聲器發(fā)出告警聲。待IC3暫穩(wěn)態(tài)過后，IC3的3腳恢復低電平，使VT1截止，IC4和IC5失電，告警停止。此時，若防范區(qū)內仍有人在，則重復上述過程，直到來人離開防范區(qū)后，告警才結束。任務實施：按圖5-12將電路焊接在實驗板上認真檢查電路正確無誤后，將各集成塊安裝在對應的底座上。任務三：接近傳感器的位置檢測電路調試調試方法與步驟：電路組裝完成檢查無誤后，接通電源，改變人離天線的距離，按照下述步驟進行電路調試，并將結果填在下表內。（1）人站在距離IC1天線1m遠的地

32、方，根據(jù)表5-7測試并記錄相應數(shù)據(jù)。（2）人站在距離IC1天線3m遠的地方，根據(jù)表5-7測試并記錄相應數(shù)據(jù)。（3）人站在距離IC1天線5m遠的地方，根據(jù)表5-7測試并記錄相應數(shù)據(jù)。（4）實驗完畢，關閉電源，按規(guī)范要求整理實驗設備和工作現(xiàn)場。表5-7 實驗參數(shù)記錄表人離天線的距離IC1的7腳電壓LM393的1腳電壓LM393的7腳電壓1m3m5m表5-8 任務評價表評價項目評價內容自評互評師評學習態(tài)度（10）能否認真觀察實驗現(xiàn)象、認真完成任務安全意識（10）是否注意保護所用儀表儀器完成任務情況（70）是否了解接近傳感器是如何測位移的(20)是否能進行接近傳感器元件的檢測(10)是否能正確制作接近

33、傳感器防觸電警告電路(20)是否掌握電路測試的方法(20)協(xié)作能力（10）與同組成員交流討論解決不太清楚的問題總評好（85-100）較好（70-85）一般（少于70）項目四 電感式傳感器在電動測微儀中的應用任務描述：電感式傳感器是利用電磁感應把被測的物理量如位移，壓力，流量，振動等轉換成線圈的自感系數(shù)或互感系數(shù)的變化，再由電路轉換為電壓或電流的變化量輸出，實現(xiàn)非電量到電量的轉換。數(shù)控機床加工工件時經常要對工件尺寸進行檢測是否達到加工要求的精度，可以使用電感式傳感器構成電動測微儀進行檢測。工件的尺寸變化將引起電感測微儀的測微頭位移發(fā)生變化，所以電動測微儀是電感傳感器測位移的一個典型應用。本項目利

34、用差動變壓器式電感傳感器制作和調試電動測微儀中位移檢測電路，通過本項目的學習，學會正確使用差動變壓器式電感傳感器測位移。學習目標：1.理解差動變壓器式電感傳感器測量微小位移的基本原理；2.能識別并正確選用差動變壓器式電感傳感器；3.掌握差動變壓器測量位移的方法；4.會調試和檢測差動變壓器式電感傳感器的應用電路。學習準備：工具：電烙鐵、鑷子、偏口鉗、螺絲刀等常用電子裝接工具。儀器、儀表：穩(wěn)壓電源、萬用表、示波器。表 5-9 器件、材料清單序號名稱型號單位數(shù)量1差動變壓器式電感傳感器T1個12集成運算放大器U1，U2 LM741CN個25集成電路U3 NE555 個16瓷片電容C1，C2，C6，0

35、.1uF個37瓷片電容C3 0.22uF 個18瓷片電容C4 1uF個19瓷片電容C5 0.01uF個110二極管D1D4 1N4148個411二極管D5 D6 1N4007個212三極管Q1 2sc1815個113電阻R1R4 51K個414電阻R5，R13 2K個215電阻R6 5.1K個116電阻R7 33.9K個117電阻R8 15.39K個118電阻R9 3K個119電阻R10 150K個120電阻R11 130K個121電阻R12 4.7K個122電阻R14 10K個123電阻R15 R16 1K個224電位器W1 W3 10K個225電位器W2 470K個126焊錫絲自定卷127

36、電路板或面包板150mm*150mm塊128導線自定米229松香自定盒1任務一 差動變壓器式傳感器的識別、檢測和選用知識準備：電感傳感器是由鐵心和線圈構成的將直線或角位移的變化轉換為線圈電感量變化的傳感器，又稱電感式位移傳感器。這種傳感器的線圈匝數(shù)和材料導磁系數(shù)都是一定的，其電感量的變化是由于位移輸入量導致線圈磁路的幾何尺寸變化而引起的。當把線圈接入測量電路并接通激勵電源時，就可獲得正比于位移輸入量的電壓或電流輸出。常用電感式傳感器有變間隙型、變面積型和螺管插鐵型。在實際應用中，這三種傳感器多制成差動式，以便提高線性度和減小電磁吸力所造成的附加誤差。本項目主要介紹差動變壓器式電感傳感器。1.差

37、動變壓器的結構差動變壓器式傳感器，又稱為差動變壓器，是一種線圈互感隨銜鐵位移變化而變化的變磁阻式傳感器，與變壓器的不同之處是：前者為開磁路，后者為閉合磁路；前者初次級間的互感隨銜鐵移動而變，且兩個次級繞組按差動方式工作，而后者初次級間的互感為常數(shù)。差動變壓器式傳感器與自感式傳感器統(tǒng)稱為電感式傳感器。差動變壓器的結構形式主要有變氣隙式、變面積式和螺管式，目前應用最廣的是螺管式差動變壓器，結構圖如圖5-13，它可以測量1100mm范圍的機械位移，并具有測量精度高、靈敏度高、結構簡單、性能可靠等優(yōu)點。常見的差動變壓器如圖5-14所示。圖 5-13差動變壓器式傳感器結構示意圖（1：一次側線圈；2：二次

38、側線圈；3：銜鐵；4：測桿）（a）測直線位移的差動變壓器 （b）測角位移的差動變壓器圖 5-14 常見的差動變壓器差動變壓器式電感傳感器主要由一個一次繞組、兩個二次繞組和銜鐵構成，當銜鐵移動時，引起一、二次繞組之間的互感量發(fā)生變化，由于兩個二次繞組反向串聯(lián)，差動輸出，故此得名差動變壓器式傳感器。2. 差動變壓器的工作原理工作原理如圖5-15所示，當一次線圈加入激勵電源后，其二次線圈會產生感應電動勢。當銜鐵處于中間位置時，互感系數(shù)相等，兩個線圈的互感M1=M2=M，U21=U22。由于兩個二次繞組反向串聯(lián)，所以差動變壓器的輸出電壓U0=0,此時處于平衡位置。當銜鐵隨被測量移動偏離中間位置時，互感

39、系數(shù)不相等，兩個線圈的電感一個增加，一個減小，形成差動形式，此時M1和M2不再相等，經測量電路轉換成一定的輸出電壓，銜鐵移動方向不同，輸出電壓的相位也不同。差動變壓器的輸出特性如圖5-16所示，圖中x表示銜鐵位移量。當差動變壓器的結構及電源電壓一定時，互感系數(shù)M1、M2的大小與銜鐵的位置有關。U21M1 M2圖 5-15 差動變壓器式傳感器原理圖圖 5-16 差動變壓器的輸出特性（1為理想輸出特性，2為實際輸出特性）任務二：電感式傳感器的電動測微儀檢測電路制作（可用萬能電路板制作電路，也可用面包板或模塊制作電路。）1.電路組成及原理直流差分變壓器電路可用于差分變壓器與控制室相距較遠(大于lOO

40、m)、要求設備之間不產生干擾、便于攜帶測量的場合。直流差分變壓器組成的電感式測微儀檢測電路如圖5-17所示，由多諧振蕩器、差分整流電路、放大電路、濾波電路和直流電源五部分組成。Ql、U3、R13、R14、R15、R16、D5、D6、C5 、C6組成多諧振蕩器;T1、D1、D2組成簡單的差分整流電路;R1、R2、R3、R4、R5、R6、D3、D4、U1、W1、W2組成差分運算放大電路 ;R7、R8、R9、Rl0、R11、R12、C1、C2、C3、C4、U2、W3組成有源低通濾波電路。（1）多諧振蕩器電路由U3(555)、R15、R16、D5、D6、C5、C6構成多諧振蕩器，振蕩頻率為6kHz的方

41、波信號(可微調R15、R16改變振蕩頻率)，由555的3腳輸出經R14、Ql、R13倒相后為直流差分變壓器電路提供有一定功率的激勵信號源。（2）差分整流電路Tl二次繞組同名端串接成差分方式輸出，由二極管Dl和D2分別對兩個二次繞組的感應電動勢分別整流并送入下級進行放大。這種差分整流電路結構簡單，不需考慮相位調整和零位輸出電壓的影響，不需比較電壓繞組，也不必考慮感應和分布電容的影響，且整流電路在差分電路一側，兩根直流輸送線連接方便，可進行遠距離輸送。當磁芯在差分變壓器式傳感器的中間位置時，兩個二次繞組的互感相同，由一次激勵引起的感應電動勢相同，差分輸出電壓為零。當磁芯受被測對象牽動向二次繞組2-

42、邊移動時，則繞組2的互感大，繞組4的互感小，繞組2內感應電動勢大于繞組4內感應電動勢，差分輸出有電壓。反之，當磁芯向二次繞組4-邊移動時，差分輸出電壓反相。在傳感器的量程內，磁芯移動量越大，差分輸出電壓也越大。因此，由差分輸出電壓的大小和方向便可判斷出被測對象的移動方向和移動量的大小。（3）放大電路放大電路由Ul運放741和Rl、R2、R3、R4、R5、R6、D3、D4、Wl、W2組成常用的差分運算放大器.對前級送來的差分整流信號進行放大，D3和D4為保護限幅二極管，Wl為差分運算放大器的調零用，W2可調整差分運算放大器的增益。（4）濾波電路濾波電路由U2運放741和R7、R8、R9、Rl0、

43、Rll、R12、Cl、C2、C3、C4、W3組成有源低通濾波器，將調制的高頻載波濾掉，從而檢出磁芯位移產生的有用信號。由濾波器輸出的OUT信號為正負變化的直流電壓信號，此信號可提供給A/D轉換器進行模數(shù)轉換供單片機進行處理，或供電壓比較器進行電壓比較構成限位開關或限位報警。2. 制作步驟、方法和工藝要求：（1）對照元件清單清點元件數(shù)量，檢測差動變壓器的質量好壞。（2）按照圖5-17制作電路。集成電路U1，U2，U3使用集成電路插座安裝，安裝時先將集成電路插座焊好，等所有元器件焊接完成后再安裝集成塊。元件擺放要整齊，連接導線要橫平豎直，焊點要大小均勻、光亮有光澤。（3）所有焊接完成，檢查無誤后進

44、行通電調試。任務實施：按圖5-17將電路焊接在實驗板上并認真檢查電路確保正確無誤。任務三：電感式傳感器的電動測微儀檢測電路調試調試方法和步驟：電路組裝完成檢查無誤后，接通電源，改變磁芯的位置，按照下述步驟進行電路調試，并將結果填在下表內。（1）磁芯在中間位置時，根據(jù)表5-10測試并記錄相應數(shù)據(jù)。（2）磁芯從中間位置開始上移一定距離，根據(jù)表5-10測試并記錄相應數(shù)據(jù)。（3）磁芯從中間位置開始下移一定距離，根據(jù)表5-10測試并記錄相應數(shù)據(jù)。（4）實驗完畢，關閉電源，按規(guī)范要求整理實驗設備和工作現(xiàn)場。表5-10 實驗測試記錄表差分輸出電壓LM741的6腳電壓輸出端OUT電壓磁芯在中間位置磁芯上移磁芯

45、下移表5-11 任務評價表評價項目評價內容自評互評師評學習態(tài)度（10）能否認真觀察實驗現(xiàn)象、認真完成任務安全意識（10）是否注意保護所用儀表儀器完成任務情況（70）識別和檢測差動變壓器 (10)是否能安裝差動變壓器和測微頭 (20)是否能正確安裝電路板(20)是否能正確調試，掌握調節(jié)位移，測量輸出電壓的方法(20)協(xié)作能力（10）與同組成員交流討論解決不太清楚的問題總評好（85-100）較好（70-85）一般（少于70）項目五 超聲波車載雷達在測距電路中的應用任務描述：隨著汽車的日益普及，停車場變的越來越擁擠，低速行駛的車輛與其他車輛非常接近，在停車場穿行，掉頭或倒車時碰撞和拖掛的事故時有發(fā)生

46、，尤其夜間更為突出。超聲波車載雷達能測量并顯示汽車后部障礙物離汽車的距離。利用超聲波檢測迅速，方便，計算簡便，易于實時控制。本項目利用超聲波傳感器制作和調試超聲波車載雷達測距電路，通過本項目的學習，學會正確使用超聲波傳感器測位移。學習目標：1了解超聲波的特點；2理解解超聲波傳感器的工作原理；3能夠運用超聲波傳感器進行測距。學習準備：工具：電烙鐵、鑷子、偏口鉗、螺絲刀等常用電子裝接工具。儀器、儀表：穩(wěn)壓電源、萬用表、示波器。器件、材料： 表 5-12 器件、材料清單序號名稱型號單位數(shù)量1超聲波傳感器TCT40-16T/R個12超聲波脈沖變壓器B個15單片機AT89S52 個16晶振Y1個17電解

47、電容C1，C3 220Uf個28電解電容C9 10uF個19瓷片電容C5 C6 22P個210瓷片電容C2，C4，C7,C8 104個411二極管D1，D2，D3，D4，D7 1N4001個512二極管D5 D6 1N4148個213三極管BG1,BG5,BG6,BG7，BG9 9012個514三極管BG2，BG3，BG4，BG8 9013個415電阻R1,R2,R4,R6，R7，R10,R11,R12 4.7K個816電阻R3，R5 150K個217電阻R8 10K個118三位一體數(shù)碼管LED個119集成電路IC3 7805個120蜂鳴器BY個121繼電器JDQ個122下載線JP2個123按

48、鍵K1，K2個224焊錫絲自定卷125電路板或面包板150mm*150mm塊126導線自定米227松香自定盒1任務一 超聲波傳感器的識別、檢測和選用知識準備：1.認識超聲波傳感器聲波是一種機械波。當它的振動頻率在20 Hz20 kHz的范圍內時，可為人耳所聽到，稱為可聞聲波，低于20 Hz的機械振動人耳不可聞，稱為次聲波，但許多動物卻能感受到，例如地震發(fā)生前的次聲波就會引起許多動物的異常反應。頻率高于20 kHz的機械振動稱為超聲波。超聲波有許多不同于可聞聲波的特點，例如，它的指向型很好，能量集中，因此穿透本領大，能穿透幾米厚的鋼板，而能量損失不大。在遇到兩種介質的分界面(如鋼板與空氣的交界面

49、)時，能產生明顯的反射和折射現(xiàn)象，這一現(xiàn)象類似于光波，超聲波的頻率越高，其聲場的指向性就越好，與光波的反射、折射特性就越接近。超聲波為直線傳播方式，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好，能夠成為射線而定向傳播等。超聲波對液體、固體的穿透本領很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質會產生顯著反射形成回波，碰到活動物體能產生多普勒效應。因此超聲波測量在國防、航空航天、電力、石化、機械、材料等眾多領域具有廣泛的作用，它不但可以保證產品質量、保障安全，還可起到節(jié)約能源、降低成本的作用。為此，利用超聲波的這種性質可制成超聲波傳感器。以超聲波作為檢測手段，必須能夠

50、產生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習慣上稱為超聲波換能器，或者稱為超聲波探頭。常見的超聲波傳感器如圖5-18所示。圖 5-18 超聲波傳感器2. 超聲波測距的原理超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到發(fā)射波就立即停止計時。假設超聲波在空氣中的傳播速度為 ，根據(jù)計時器記錄的時間 ，發(fā)射點距障礙物的距離 ，如圖5-19所示。 圖5-19 超聲波測距原理圖中被測距離為H，兩探頭中心距離的一半用M表示，超聲波單程所走過的距離用 表示，由圖可得： (式5.3) (式5.4)將式(5.4)帶入式(5

51、.3)得： (式5.5)在整個傳播過程中，超聲波所走過的距離為： (式5.6)式中： 為超聲波的傳播速度， 為傳播時間，即為超聲波從發(fā)射到接收的時間。將式(5.6)帶入式(5.5)可得： (式5.7)當被測距離H遠遠大于M時，式(5.7)變?yōu)椋?(式5.8) 這就是所謂的時間差測距法。首先測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經歷的時間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離。 由于是利用超聲波測距，要測量預期的距離，所以產生的超聲波要有一定的功率和合理的頻率才能達到預定的傳播距離，同時這是得到足夠的回波功率的必要條件，只有得到足夠的回波頻率，接收電路才能檢測到回波信號和防止外界干擾

52、信號的干擾。經分析和大量實驗表明，頻率為40 左右的超聲波在空氣中傳播效果最佳，同時為了處理方便，發(fā)射的超聲波被調制成具有一定間隔的調制脈沖波信號。 倒車雷達只需要在汽車倒車時工作，為駕駛員提供汽車后方的信息。由于倒車時汽車的行駛速度較慢，和聲速相比可以認為汽車是靜止的，因此在系統(tǒng)中可以忽略多普勒效應的影響。在許多測距方法中，脈沖測距法只需要測量超聲波在測量點與目標間的往返時間。如圖5-20所示，設計要求當駕駛員將手柄轉到倒車擋后，系統(tǒng)自動啟動，超聲波發(fā)送模塊向后發(fā)射40kHz的超聲波信號，經障礙物反射，由超聲波接收模塊收集，進行放大和比較，單片機AT89s52將此信號送入顯示模塊，當與障礙物

53、距離小于1 m, 0.5 m, 0.25 m時，發(fā)出不同的報警聲，提醒駕駛員停車，同時觸發(fā)語音電路發(fā)出同步語音提示。圖5-20 倒車雷達電路框圖3.超聲波傳感器的應用1）超聲波傳感器在測距系統(tǒng)中的應用超聲測距大致有以下方法:取輸出脈沖的平均值電壓,該電壓 (其幅值基本固定)與距離成正比,測量電壓即可測得距離;測量輸出脈沖的寬度,即發(fā)射超聲波與接收超聲波的時間間隔 t,故被測距離為 S=1/2vt。如果測距精度要求很高,則應通過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕ?。超聲波測距適用于高精度的中長距離測量。 把超聲波傳感器安裝在合適的位置,對準被測物變化方向發(fā)射超聲波,就可測量物體表面與傳感器的距離。超聲波傳感器

54、有發(fā)送器和接收器,但一個超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。超聲波傳感器是利用壓電效應的原理將電能和超聲波相互轉化,即在發(fā)射超聲波的時候,將電能轉換,發(fā)射超聲波;而在收到回波的時候,則將超聲振動轉換成電信號。安裝于汽車中的超聲波距離傳感器結構如圖5-21所示。 發(fā)射傳感器 接收傳感器圖 5-21 超聲波距離傳感器2）超聲波傳感器在醫(yī)學上的應用 超聲波在醫(yī)學上的應用主要是診斷疾病,它已經成為了臨床醫(yī)學中不可缺少的診斷方法。超聲波診斷的優(yōu)點是:對受檢者無痛苦、無損害、方法簡便、顯像清晰、診斷的準確率高等。 醫(yī)學超聲成像(超聲檢查、超聲診斷學)是一種基于超聲波的醫(yī)學影像學診斷技術，使肌肉和

55、內臟器官 - 包括其大小、結構和病理學病灶可視化。產科超聲檢查在妊娠時的產前診斷廣泛使用。如圖5-22所示。圖5-22 產科超聲檢查3）超聲波傳感器在測量液位的應用 超聲波測量液位的基本原理是:由超聲探頭發(fā)出的超聲脈沖信號,在氣體中傳播,遇到空氣與液體的界面后被反射,接收到回波信號后計算其超聲波往返的傳播時間,即可換算出距離或液位高度。超聲波測量方法有很多其它方法不可比擬的優(yōu)點:(1)無任何機械傳動部件,也不接觸被測液體,屬于非接觸式測量,不怕電磁干擾,不怕酸堿等強腐蝕性液體等,因此性能穩(wěn)定、可靠性高、壽命長;(2)其響應時間短可以方便的實現(xiàn)無滯后的實時測量。如圖5-23為超聲波液位儀。 圖5-23 超聲波液位儀任務二：超聲波車載雷達測距電路制作（可用萬能電路板制作電路，也可用面包板或模塊制作電路。）知識準備： 1. 超聲波測距單片機系統(tǒng)超聲波測距單片機系統(tǒng)主要由：AT89S52單片機、晶振、復位電路、電源濾波部份構成。由K1，K2組成測距系統(tǒng)的按鍵電路。用于設定超聲波測距報警值。如圖5-24。圖5-24倒車雷達測距單片機系統(tǒng)2 超聲波發(fā)射、接收電路超聲波發(fā)射如圖5-25，接收電路如圖5-26。超聲波發(fā)射電路由電阻R1、三極管BG1、超聲波脈沖變壓器B及超聲波發(fā)送頭T40構成，超聲波脈沖變壓器，在這里的作用是提高加載到超聲波