机械检测技术ppt课件.ppt

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1、主 编 吴 静副 主 编 龚丽萍,机械检测技术,出版社,ISBN 978-5624-4188-5,传感器监视和测量着数控机床的每一步工作过程，它在数控机床中占据重要的 地位。1.1 传感器与数控机床1.1.1 传感器定义及组成实现这种转换技术的期间器件就是传感器。因此，传感器是一种能感受规定的,第1章 概 述,被测量，以一定的精度把被测量转换为与之有确定关系的、便于处理的电量信号(如电压、电流、频率等)输出的测量器件。传感器一般由敏感元件、传感元件及测量转换电路三部分组成，如图1.1所示。敏感元件是传感器中直接感受被测量的元件，它将被测量转换成与之有确定关系、,图1.1 传感器的组成,更易于处

2、理的非电量，如位移、应变等。传感元件通常不直接感受被测量，而是将敏感元件输出的物理量转换成电路的参数(电参量)。测量转换电路的作用是将传感元件输出的电参量转换成易于处理的电压、电流或频率等。传感器只完成被测量至电量的基本转换，然后输入到测控电路，进行放大、运算、处理等进一步转换，以获得被测值或进行过程控制。 图1.2为电位器式气体压力传感器结构简,图。当被测压力变化时，弹簧管自由端产生位移，通过齿条带动齿轮转动，从而使电位器的电刷产生角位移。电位器电阻的变化量反映了被测压力数值的变化。当电位器的两端加上电源后，电位器电刷上输出与压力成一定关系的电压，只要测量出该电压值，经过换算就可以求出压力的

3、 大小。 如图1.3来表示此例中传感器的组成及 原理。,结合上述工作原理，可将图1.2的内容具体化，见图1.3。,图1.2 电位器式压力传感器1弹簧管；2电位器；3电刷；4齿轮-齿条,1.1.2 数控机床及特点数控机床是机电一体化的典型产品，它是机、电、液、气和光等多学科的综合性组合，技术范围覆盖了机械制造、计算机、自动控制、伺服驱动、传感器及信息处理等领域。 数控机床一般由数控装置、伺服驱动系,图1.3 电位器式压力传感器原理框图,统、反馈检测系统、强电控制部分、机床主机及辅助装置组成。数控机床辅助装置主要包括工装卡具、换刀装置、回转工作台、液压系统、润滑系统、排屑装置等。 概括起来，数控机

4、床的加工有以下几方面的优点。(1)适应性强。 (2)精度高，质量稳定。 (3)零件加工所需的时间短，生产效率高。,(4)能实现复杂的运动。 1.1.3 数控机床中的各种传感器数控机床的各种运动和状态通过传感器测量、监视后输入给数控系统加以控制、补偿或调整，以提高机床的加工精度和稳 定度。(1)位置检测传感器在数控机床中广泛应用数字式角编码器、光栅传感器、感应同步器、旋转变压器、磁栅等来实现位置检测。,(2)数控转塔刀架中的传感器图1.4为某全功能数控刀架组成简图。,图1.4 某全功能数控刀架组成简图,刀架回转由刀架电机通过传动机构来实现，刀架回转时，与刀架同轴的二进制绝对编码器也一起转动。图1

5、.5所示为选刀的控制流程图。接近开关除了在刀架选刀控制外，还在数控机床中用作工作台、油缸及汽缸活塞的行程控制。(3)温度的检测 在数控机床上，常用温度传感器来检测温度从而进行温度补偿或过热保护。,图1.5 选刀的控制流程图,此外，在数控机床中，需要过热保护的部位有几十处，主要是监测一些轴温、压力油温、润滑油温、冷却空气温度、各个电动机绕组温度、变压器绕组温度等。 (4)压力的检测压力传感器是一种将压力转变成电信号的传感器。常用的有压电式传感器、压阻式传感器和电容式传感器。 (5)刀具磨损监控,刀具磨损到一定程度会影响到工件的尺寸精度和表面粗糙度，因此，对刀具磨损要进行监控。 (6)数控装置中的

6、其他传感器数控装置中还有很多的传感器的应用，如：光纤、光电耦合器、电涡流接近开关、流量传感器等。这样两者在电气上是完全隔离的，可以提高整个系统的抗干扰能力。如下图1.6为应用之一。,图1.6 光电耦合器用于信号的输入输出举例(a)系统信号的输出 (b)外部信号的输入,此外，在润滑、液压、气动等系统中，均安装有压力传感器、液位传感器、流量传感器，对这些辅助系统随时进行监控，保证数控机床的正常运行。1.2 传感器的分类及其特性参数1.2.1 传感器的分类传感器有许多分类方法，最常用的分类方法有两种：一种是按被测物理量来分；另一种是按传感器的工作原理来分。,(1)按被测物理量划分的传感器可分为位移、

7、力、力矩、转速、振动、加速度、温度、压力、流量、流速等传 感器。 (2)按工作原理划分的传感器可分为电阻、电容、电感、光栅、压电、热电耦、超声波、红外、光导纤维、激光等传感器。1)电阻式传感器 电阻式传感器是根据利用,电阻器将被测非电量转换为电信号的原理制成的。 2)电容式传感器 电容式传感器是根据改变磁路的几何尺寸或改变介质的性质，从而使电容量发生变化的原理制成的。 3)电感式传感器 电感式传感器是根据改变磁路的几何尺寸或改变电感或互感系数的电磁效应的原理制成的。 4)压电式传感器 压电式传感器是根据压电效应原理制成的，主要用于脉动力、振动,和加速度的测量。5)热电耦传感器 热电耦传感器是根

8、据热电效应原理制成的，它主要用于温度测量。6)光栅传感器 光栅传感器是根据莫尔条纹原理制成的一种脉冲输出数字式传感器，它广泛应用于数控机床中，能够形成闭环控制系统，测量精度可达微米级。7)超声波传感器 超声波传感器是利用了超声波的特点与超声波换能器一起构成。,8)光纤传感器 光纤传感器是利用光导纤维技术发展的新型传感器。广泛应用于热工参数、电工参数的测量、图像扫描和图像信息传输。1.2.2 传感器基本特性传感器所测量的非电量处在不断的变动之中，传感器能否将这些非电量的变化不失真地变换成相应的电量，取决于传感器的输入-输出特性。,传感器的这一基本特性可以用它的静态特性和动态特性来描述。当输入信号

9、不随时间变化时，输入与输出的关系称为传感器的静态特性；当输入信号随时间而变化时，输入与输出的关系称为传感器的动态特性。 传感器静态特性的主要技术指标有：灵敏度、线性度、迟滞、重复性等。(1)灵敏度,传感器的灵敏度是指传感器在稳态下，输出变化量与输入变化量的比值，用K来表示，如下所示：式中 x输入量；y输出量。 从输出曲线看，曲线越陡，灵敏度越高，如图1.7所示。通过作该曲线切线的方法求得曲线上任一点处的灵敏度。,(2)线性度传感器的线性度又称非线性误差，是指传感器实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差与传感器满量程输出的满度值之比。式中 L线性度；Lmax传感器实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏

10、差；,ymax-ymin传感器的输出范围。实际应用中传感器的输出-输入特性曲线只能接近直线，实际曲线与理论直线之间存在的偏差Lmax就是传感器的非线性误差，如图1.8所示。(3)分辨力分辨力时指传感器能够检测出的被测信号的最小变化量，即当传感器的输入从非零的任意值缓慢增加，只有超过某一输入,增量后输出才有变化，这个输入增量称为传感器的分辨力。,图1.7 灵敏度示意图(a)线性测量系统 (b)非线性测量系统,图1.8 线性度示意图1拟合直线y=ax；2实际特性曲线,(4)迟滞 迟滞现象是传感器在正向行程(输入量增大)和反向行程(输入量减小)期间，输出-输入特性曲线不一致的程度，如图1.9所示。产

11、生迟滞现象的主要原因是传感器的机械结构和制造工艺上的缺陷，如轴承摩擦、间隙、螺钉松动和元件腐蚀等。 (5)重复性 重复性是指在同一工作条件下，输入量,按同一方向在全量程范围内多次测试时，所得特性曲线不一致的程度。,图1.9 迟滞特性曲线1反向特性；2正向特性图1.10 重复性示意图,图1.10 重复性示意图,传感器输出特性的不重复性主要由传感器机械部分的摩损、间隙、松动，部件内摩擦、积尘，电路元件老化、工作点漂移等原因产生。 周围环境中，对传感器影响最大的是温度。另外，大气压、湿度、振动、电源电压及频率都会影响传感器的特性。,第2章 位置检测传感器 位置检测传感器是数控机床进给伺服系统中的重要

12、组成部分，主要由检测元件(传感器)和测量电路组成。 位置检测装置按其测量对象、工作原理和结构特点有着不同的分类方法，其常用类型见表2.1。2.1 编 码 器编码器又称编码盘或码盘，能把机械转角,转换成电脉冲，是数控机床上使用广泛的位置检测装置。编码器分为光电式、接触式和电磁感应式三种，从精度和可靠性方面来看，光电式编码器优于其他两种。 2.1.1 光电式编码器的结构与分类,光电式编码器是一种旋转式位置传感器，它的转轴通常与被测轴连接，随被测轴一齐转动，它能将被测轴的角位移转换成一串脉冲或二进制编码，其结构简图如图2.1所示。,图2.1 光电式编码器的结构示意图,光电式编码器有两种基本类型：绝对

13、式编码器和增量式编码器。2.1.2 绝对式光电编码器图2.2所示为一个4位二进制光电式编 码器。,图2.2 绝对式光电码盘,从以上分析可知，码道的圈数就是二进制的位数，且高位在内，低位在外。由此可以推断出，若是n位二进制码盘，就有n圈码道，且圆周均分2n个数据来分别表示其不同位置，所能分辨的角度为=360/2n分辨率=1/2n显然，位数n越大，所能分辨的角度就越小，测量精度就越高。所以，若要提,高分辨力，就必须增加码道数，即二进制位数。2.1.3 增量式光电编码器增量式脉冲编码器能够把回转件的旋转方向、旋转角度和旋转速度准确检测出来。增量式脉冲编码器的结构如图2.3所示，在它的码盘边缘等间隔地

14、制出n个透光 狭缝。 光电编码器的测量精度取决于它所能分辨,的最小角度，而这与码盘圆周上的狭缝条纹数n有关，即分辨角度为：,图2.3 增量式光电码盘结构示意图1转轴；2LED；3光栏板；4零标志位光槽；5光敏元件；6码盘；7电源及信号线连接座,2.1.4 编码器的应用编码器除了直接测量角位移外，还有以下用途：(1)测直线位移可根据滚珠丝杠的导程来计算移动部件的位移量。,(2)测转速在给定的时间内对编码器发出的脉冲进行计数，则回转件的转速n(单位为r/min)为：式中，t为测速采样时间；N1为t时间内测得的脉冲个数；N为编码器每转发出的脉冲数。图2.4是用脉冲频率法测转速的原理图，在,给定的t时

15、间内，使门电路导通，编码器输出的脉冲允许进入计数器计数，这样可算出，时间内编码器的平均转速。图2.5所示的是利用脉冲周期法测量转速的原理图。当编码器输出脉冲正半周时导通门电路，标准时钟脉冲通过控制门进入计数器计数，则由计数编码器在一个脉冲间隔内(脉冲周期)标准时钟脉冲个数来计算其转速n(单位为r/min)为：,式中，N为编码器每转脉冲数；N2为编码器一个脉冲间隔内标准时钟脉冲输出个数；T为标准时钟脉冲周期(s)。,图2.4 用频率测速简图,图2.5 用周期测速简图,(3)控制交流伺服电动机中的运行,图2.6 交流伺服电动机及控制系统(a)外形 (b)控制系统框图,(4)实现加工工件的定位由于绝

16、对式编码器每一转角位置均有一个固定的编码输出，若编码 器与转盘同轴相连，则转 盘上每一工位安装的被 加工工件均可以有一个 编码相对应，如图2.7 所示。,图2.7 转盘工位编码1绝对式编码器；2电动机；3转轴；4转盘；5工件；6刀具,2.2 光栅传感器光栅位移传感器是根据莫尔条纹原理制成的一种脉冲输出数字式传感，具有测量精度高、抗干扰能力强、动态测量范围广、响应速度快、易于实现测量及数据处理的自动化等优点，在坐标测量仪和高精度数控机床中有着广泛的应用。光栅传感器的种类很多，根据工作原理可分为物理光栅传感器和计量光栅传感器。光栅传感器按光线路径又可分为透射光栅,传感器和反射光栅传感器。现以直线型

17、透射光栅位移传感器为例进行介绍。,图2.8 计量光栅的分类图,(1)光栅传感器的组成和结构光栅位移传感器由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。图2.9所示的是垂直入射光栅传感器的组成。,图2.9 垂直入射光栅传感器的组成1光源；2透镜；3指示光栅；4光敏元件；5驱动电路,图2.10所示的是直线型透射光栅，它是在镀有铝箔的光学玻璃上均匀地刻上许多明暗相间、宽度相同的透光线，这些透光线称为栅线。,图2.10 直线型透射光栅示意图(a)标尺光栅 (b)指示光栅,通常，标尺光栅固定在机床的活动部件上，如工作台或丝杆上。,图2.11 莫尔条纹,(2)直线型透射光栅位移传感器的工作原理如图2.11所示，条纹方

18、向与刻线方向近似垂直。 由于光栅的遮光作用，透过光栅的光强随莫尔条纹的移动而变化，变化规律呈正弦规律，因此在光敏元件上产生的电信号也呈正弦规律变化，变化曲线如图2.12 所示。 莫尔条纹有如下特征：1)运动对应关系,光栅反向移动，莫尔条纹亦反向移动，详见表2.2所列。 光栅每移过一个栅距W，莫尔条纹就移过一个栅距L。通过测量莫尔条纹移过的数目，即可得出光栅的位移量。,图2.12 光敏元件输出与光栅位移的关系,2)位移放大作用 光栅移动一个栅距W，莫尔条纹恰好移动了一个栅距B，几者的关系如图2.11(b)所示。由图可得：,由于较小，可得式中 B莫尔条纹间距；W光栅栅距；两光栅刻线夹角，弧度(ra

19、d)。,从式(2.3)可得，越小，B就越大，相当于把微小的栅距扩大了1/倍。 3)均化误差的作用 综上所述，利用光栅传感器进行测量时，当光栅移动了x，莫尔条纹移过的条数与光栅移过的刻线数相等。 (3)细分和辨向技术1)细分技术 2)辨向原理,(4)光栅位移传感器在数控机床中的应用在现代数控机床中，光栅用于位置检测并作为位置反馈用于位置控制，图2.13为位置控制框图。,图2.13 位置控制框图1丝杆；2工作台；3光栅,2.3 磁栅传感器磁栅位移传感器是一种采用电磁方法记录磁波数目的位置检测传感器。 磁栅按其结构可分为长磁栅和圆磁栅两大类。长磁栅主要用于直线位移测量，圆磁栅主要用于角位移测量。2.

20、3.1 磁栅位移传感器的组成磁栅位移传感器由磁性标尺(简称磁尺)、读取磁头和检测电路组成，其结构如图2.14所示，它是利用录磁原理工作的。,图2.14 磁栅位移传感器的组成,图2.15 磁尺的基本结构,2.3.2 直线型磁栅位移传感器的结构和工作原理(1)磁尺磁尺是在非导磁材料的基体上(如铜、不锈钢、玻璃等)涂敷、化学沉淀或电镀上一层很薄的磁膜(导磁材料)，然后录上一定波长的磁信号。按照基体的形状，磁尺可分为尺型、带型和同轴型(又称线状磁尺)。,1)尺型磁尺,图2.16 长磁栅(a)尺型 (b)带型 (c)同轴型,2)带型磁尺 3)同轴型磁尺 (2)磁头按读取信号方式的不同，磁头可分为动态磁头

21、和静态磁头。1)动态磁头上只有一个输出绕组，只有当磁头和磁尺相对运动时才有信号输出，因此又称动态磁头为速度响应式磁头。 2)静态磁头上有两个绕组，一个是励磁绕组，一个是信号输出绕组。,图2.17 单磁头结构,单磁头结构如图2.17所示。当磁头靠近磁尺时，磁尺上磁信号产生的磁通在磁头气隙处进入磁头铁芯，并被励磁电流产生磁通1所调制。于是通过输出绕组磁心而产生感应电压输出，即：式中，Um为感应电压系数；为磁尺磁化信号的节距；x为磁头相对磁尺的位移；为励磁电流的角频率。,由式(2.4)可知，输出电压与磁头和磁性标尺间的相对速度无关，而由磁头在磁性标尺上的位置所决定。,图2.18 双磁头结构,图2.1

22、9 多间隙磁通响应型磁头,双磁头结构如图2.18所示。由于单个磁头读取磁性标尺上的磁化信号后输出的电压很小，同时降低对录制磁化信号正弦波形和节距误差的要求，为了提高输出信号的幅值，在实际使用时，常将多个磁头以一定的方式联系起来组成多间隙磁通响应型磁头，如图2.19所示。(3)检测电路根据检测方法的不同，检测线路可分为鉴相式测量和鉴幅式测量两种方式，其中以,鉴相式测量方式应用较多。1)鉴相式测量检测电路 如图2.20所示，将图中两组磁头通以同频、等幅，但相位相差90的励磁电流，则两组磁头的输出电压为：u1，u2在求和电路中相加，则得到磁头总输出电压为：,由式(2.5)可知，合成总输出电压u的幅值

23、恒定，而相位随磁头与磁尺的相对位移x变化而变化。因此，可利用图2.20所示的检测框图实现对位移量x的检测。 2)鉴幅式测量检测电路,图2.20 鉴相式测量检测电路框图,如果用检波器u1和u2中的高频载波sint滤掉，便可得到相位相差/2的两交流电压信号，即 检测电路方框图如图2.21所示。2.3.3 磁栅传感器的应用磁栅传感器有两个方面的应用：,图2.21 鉴幅式测量检测电路框图,1)可以作为高精度测量长度和角度的测量仪器用。 2)可以用于自动化控制系统中的元件(位移)检测。 2.4 感应同步器感应同步器是利用两个平面型绕组的互感随位置不同而变化的原理组成的精密传感器，可用来测直线位移和角位移

24、。测量直线位移的称为直线感应同步器，测量角位移的称为圆感应同步器。图2.22是标准式,直线感应同步器的外形及结构图。(1)感应同步器的结构和分类,图2.22 感应同步器实物简图1机床不动部件；2机床移动部件；3定尺座；4防护罩；5滑尺组件；6滑尺座；7调整板；8定尺组件,直线感应同步器是由相对平行移动的定尺和滑尺两部分组成，如图2.23所示。定尺和滑尺均由基板、绝缘层、绕组及屏蔽层组成。,图2.23 定尺、滑尺绕组结构(a)定尺绕组 (b)滑尺绕组,直线感应同步器可分为标准型、窄型、 带型。(2)感应同步器的工作原理感应同步器利用定尺和滑尺两个平面印刷电路绕组的互感随其相对位置的变化而变化的原

25、理，将位移量转换为电信号。 当励磁绕组用一定频率的正弦电压励磁时，将产生同频率的交变磁通，如图2.24所示(这里只绘出了一相励磁绕组)。,为了说明感应电势与位置的关系，如图2.25所示，先考虑S绕组单独励磁。当考虑,图2.24 感应同步器的工作原理示意图,图2.25 感应电动势与两相绕组相对位置的关系,C绕组单独励磁时，定尺感应电动势变化如曲线2所示，为余弦曲线，我们称C绕组为余弦绕组。当两个绕组同时励磁时，定尺上产生的总的感应电动势是正弦、余弦绕组分别励磁时产生的感应电动势之和。当激磁频率f等一些参数选定之后，通过信号处理电路就能得到被测位移与感应电动势的对应关系，从而达到测量的目的。 (3

26、)感应同步器的信号处理方式,对于感应同步器组成的检测系统，可以采用不同的励磁方式，并可对输出信号采取不同的处理方式。从励磁方式来说，可分为两大类，一类是以滑尺(或定子)励磁，由定尺(或转子)取出感应电动势信号；另一类是以定尺(或转子)励磁，由滑尺(或定子)取出感应电势 信号。 1)鉴相型,两个励磁绕组分别在定尺绕组上感应出电动势，将其叠加后定尺绕组上总的感应电动势为： 式中 K定、滑尺的电磁耦合系数；X定、滑尺相对位移量；W定尺节距。,2)鉴幅方式 如果给滑尺的正、余弦绕组以同频、同相但不等幅的激磁电压，即两个励磁绕组分别在定尺绕组上感应出电动势，将其叠加后定尺绕组上总的感应电动势为：,3)脉

27、冲调宽型 (4)感应同步器在数控机床中的应用1)定位控制系统 定位控制仅仅要求控制对象按指令进入要求的位置，在加工过程中，主要实现坐标的点到点的准确定位。比较典型的是卧式镗床、坐标镗床和镗铣床再切削加工前刀具的定位控制。例：鉴幅型滑尺励磁定位控制，如图2.26所示。2)随动控制系统 随动控制系统是在机床主动部件上安装检测元件，发出主动位置检,测信号，并用它作为控制系统的指令信号，而机床的从动部件，则通过从动部件的反馈信号和主动部件间始终保持严格的同步运动。鉴相型滑尺励磁随动控制，如,图2.26 鉴幅型滑尺励磁定位控制原理框图,图2.27所示。,图2.27 鉴相型滑尺励磁随动控制原理框图,2.5

28、 旋转变压器旋转变压器属于电磁式位置检测传感器，它将机械转角变换成与该转角成某一函数关系的电信号。 由于旋转变压器具有结构简单、动作灵敏、工作可靠、对环境要求低、输出信号幅度大、抗干扰能力强和测量精度较低的特点，所以在连续控制系统中得到普遍应用，一般用于精度要求不高的数控机床。(1)旋转变压器的结构,根据转子绕组引出方式的不同，可将旋转变压器分为有刷和无刷两种结构形式。无刷旋转变压器没有电刷和滑环，结构如图2.28所示。无刷旋转变压器具有输出信号大，可靠性高，寿命长等优点，广泛应用于数控机 床中。(2)旋转变压器的工作原理旋转变压器是根据互感原理工作的(图2.29)。,图2.28 无刷旋转变压

29、器结构图,图2.29 旋转变压器的工作原理,实际应用中多使用正、余弦旋转变压器，其定子和转子绕组各有相互垂直的两个绕组，如图2.30所示。 1)相位工作方式 给定子上的两个绕组通以相同幅值、相同频率且相位差为90的交流励磁电压，即：,应用叠加定理，则在转子绕组中的感应电压为这两个信号电压分别感应的电压的叠加，其大小为：式中 Um励磁电压幅值；K电磁耦合系数；转子偏转角。由式(2.9)可见，转子的输出电压U2和转子偏转角之间有严格的对应关系。,2)幅值工作方式 在定子的两个绕组上分别通以频率相同、相位相同，但幅值分别为Usm和Ucm的交流励磁电压，即：当给定电气角为时，交流励磁电压幅值分别为：,

30、式中，uSm=Umsin ，ucm=Umsin ，为给定电气角。应用叠加定理，在转子上产生的感应电压u2为：(3)旋转变压器在数控机床中的应用检测旋转变压器的转子绕组上的感应电动势u2的幅值或相位的变化，即可知转角的变化。,图2.31为幅值比较伺服 系统的原理框图。旋转 变压器输出的交流信号 经过鉴幅器、电压-频 率变相器后，产生相 应的反馈脉冲信号， 供给数控系统进行半 闭环控制使用。,图2.30 正、余弦旋转变压器原理图,图2.32是使用旋转变压器作为检测元件的进给系统示意图。图(a)中，假设丝杠导程为t(mm)，旋转变压器每转发出n个脉冲，,图2.31 旋转变压器幅值比较伺服系统原理框图

31、,Z1、Z2为传动齿轮的齿数，执行部件的脉冲当量为(mm脉冲)，几者存在如下 关系：图(b)中，假设蜗杆头数为ZK，蜗轮齿数为ZW，Z1、Z2为传动齿轮的齿数，旋转变压器每转发出n个脉冲，执行部件的脉冲当量为(mm脉冲)，几者存在如下关系：,2.6 霍尔传感器,图2.32 旋转变压器作检测元件的半闭环系统示意图(a)直线进给系统 (b)圆周进给系统,霍尔传感器是利用半导体材料的霍尔效应进行测量的一种传感器，它可以将电流、磁场、位移、压力、压差、转速等转换为霍尔电势输出。 2.6.1 霍尔效应在金属或半导体薄片相对的两个侧面通上控制电流I，在和此面相垂直的方向加上磁场B，则在半导体另外的两个侧面

32、会产生一个大小与控制电流I和磁场B乘积成正比的电动势EH，这个电动势为霍尔电势，而,这种现象称为霍尔效应。 霍尔电势的产生如图2.33所示。通过分析可得霍尔电势为： 式中，KH称为霍尔元 件的灵敏度。由上式可 知，霍尔电势与输入电 流I、磁感应强度B成正 比，且当I或B的方向改变时，,图2.33 霍尔效应原理图,霍尔电势的方向也随之改变。若所加磁场为交变磁场，则霍尔电势为同频率的交变电势。2.6.2 霍尔元件及其特性霍尔元件是一种半导体四端薄片，它一般做成正方形，在薄片的相对两边对称地焊上两对电极引出线，如图2.34(a)所示。 图2.34(b)为霍尔元件的图形符号。目前常用的霍尔元件材料是N

33、型硅，它的霍尔灵敏度系数、温度特性、线性度均较,好，而锑化铟、砷化铟、锗等也是常用的霍尔元件材料，砷化镓是新型的霍尔元件材料，今后将逐渐得到应用。,图2.34 霍尔元件(a)霍尔元件结构示意图 (b)霍尔元件图形符号 (c)霍尔元件外形,霍尔元件的壳体使用非导磁性金属、陶瓷、塑料或环氧树脂封装，如图2.34(c) 所示。霍尔元件常用到以下一些特性参数：1)输入电阻Ri和输出电阻Ro:2)最大激励电流IM3)灵敏度KH KH=EH/(IBcos)，单位为mv/ (mAT)4)最大磁感应强度BM,5)不等位电势在额定激励电流下，当外加磁场为零时，霍尔输出端之间的开路电压称为不等位 电势。 6)霍尔

34、电势的温度系数在一定的磁场强度和激励电流的作用下，温度每变化1 时霍尔电势变化的百分数称为霍尔电势的温度系数，它与霍尔元件的材料有关。,2.6.3 霍尔集成电路随着微电子技术的发展，霍尔元件及其激励电流源、放大电路多已集成于一个芯片上，做成霍尔集成电路。 霍尔传感器可分为线性型和开关型两 大类。线性型霍尔集成电路主要由霍尔元件、恒流源、线性放大器组成。 较典型的线性型霍尔器件如UGN3501等。(图2.35),开关型霍尔集成电路主要由霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、OC门等组成。,图2.35 线性型霍尔传感器(a)外形与尺寸 (b)内部电路框图 (c)输出特性曲线,2.6.4 霍尔传

35、感器在数控机床上的应用应用实例1 数控车床电动刀架上的应用国产LD4系列电动刀架及其结构如图2.37所示。,图2.36 开关型霍尔传感器(a)外形与尺寸 (b)内部电路框图 (c)输出特性曲线,图2.37 LD4系列电动刀架结构示意图1罩壳；2上刀架；3刀架座；4刀架电动机；5霍尔开关传感器；6永久磁铁；T1刀位1；T2刀位2；T3刀位3：T4刀位4,其工作原理如下：4个霍尔开关传感器分别对准4个刀位，当上刀架上升旋转时，带动4个霍尔开关传感器一起旋转。到达指定刀位后，霍尔开关传感器输出信号，控制器控制电动机反转，实现自动换刀。应用实例2 数控铣床或加工中心主轴准停装置图2.38是电气式主轴准

36、停装置的结构示 意图。,工作原理如下：在主轴上安装一个永久磁铁与主轴一起转动，在距离永久磁铁旋转轨迹外12 mm处，固定有一个霍尔传 感器。,图2.38 电气式主轴准停装置1主轴；2同步感应器；3主轴电动机；4永久磁铁；5霍尔传感器,第3章 温度检测传感器 为了减少热变形及其带来的影响，在数控机床结构中除了采将机床内部发热时产生热变形的主要热源尽可能地从主机中分离出去，改善机床结构等措施外，还必须采取对温度进行检测、控制、温度补偿等 措施。 3.1 热电阻传感器热电阻传感器是利用导体或半导体的电阻,随温度的变化而变化的原理制成的，实现了将温度的变化转化为元件电阻的变化。按其制造材料来分，可分为

37、金属(铂、铜等)热电阻和半导体热电阻(也称热敏电阻)。3.1.1 热电阻热电阻主要是利用导体的电阻随温度变化的特性，对温度和与温度有关的参数进行检测的装置。 (1)常用热电阻根据热电阻基本要求，纯金属是制造热电阻的主要材料。,铂热电阻的阻值与温度之间的关系近似于线性，其特性方程如下。当温度t范围在-2000 时：当温度t的范围在050 时：式中 Rt铂热电阻在t 时的电阻值；R0铂热电阻在0 时的电阻值；A，B，C温度系数。,铜热电阻的测量范围一般为-50150 。在测量温度范围内，铜热电阻的特性方 程为： 式中 Rt铜热电阻在t 时的电阻值；R0铜热电阻在0 时的电阻值；铜的电阻温度系数。铜

38、电阻的分度号有Cu50和Cu100。,镍和铁热电阻的使用温度范围分别是-50100 和-50150 。 其他热电阻：铟电阻是新兴的一种高精度低温热电阻，它在-269-258 温域内灵敏度比铂高10倍，但是这种材料比较软，复制性较差。 图3.1为几种常见热电阻的温度特性曲线。(2)热电阻传感器的结构普通工业用热电阻式温度传感器的结构如图3.2所示。,图3.1 几种热电阻的温度特性,图3.2 铂电阻结构图1铆钉；2铂电阻丝；3银质引脚,图3.3所示为热电阻传感器实物图。,图3.3 热电阻传感器实物图,(3)热电阻传感器的测量转换电路热电阻经常使用电桥作为传感器的测量电路，热电阻的测量转换电路如图3

39、.4所示。在图3.3(a)中，Rt可以感受温度的变化而产生阻值的改变，R2，R3，R4的温度系数小，可以认为是固定电阻。3.1.2 热敏电阻热敏电阻是用半导体材料制成的热敏器件，相对于一般的金属热电阻而言，它主,图3.4 热电阻的测量转换电路(a)二线制单臂电桥测量电路 (b)三线制单臂电桥测量电路,要有如下特点：电阻温度系数大，灵敏度高，比一般金属电阻大10100倍； 结构简单，体积小，可以测量点温度；电阻率高，热惯性小，适宜动态测量；阻值与温度变化呈非线性关系；稳定性和互换性较差。(1)热敏电阻的结构热敏电阻主要由热敏探头1、引线2、壳体3构成，如图3.5所示。根据不同的要求，可以把热电阻

40、做成不同的形状结构，其典,型结构如图3.5所示。 实际上热敏电阻的结构形 式和形状很多，常用的几 种如图3.6所示。(2)热敏电阻的分类热敏电阻按温度特性可分 为3类，如图3.7所示，是 3种类型热敏电阻的温度 特性曲线。,图3.5 热敏电阻的结构及符号(a)结构 (b)符号,图3.6 常用热敏电阻的结构形式和形状,负温度系数热敏电阻，简称NTC。 正温度系数热敏电阻，简称PTC。临界负温度系数热敏电阻，简称CTR。 (3)热敏电阻的应用热敏电阻主要应用在检测温度及电路的温度补偿、电路保护、报警等开关元件中，也用于检测与耗散系数有关的流速、流量、真空度及自动增益电路等。 1)热敏电阻测温,2)

41、热敏电阻用于温度补偿热敏电阻可在一定的 温度范围内对某些器 件进行温度补偿。为 了补偿掉热变形带来 的影响，在数控机床 的关键部位会预埋温 度传感器进行热补偿， 如图3.8所示。,图3.7 热敏电阻的温度特性曲线1NTC；2线性PTC；3非线性PTC；4CTR,图3.8 分别设置在刀架、床身和主轴进行热补偿的温度传感器,3)热敏电阻用于温度控制将临界温度型热敏电阻埋设在被测环境中，当周围环境温度发生变化，达到某一数值时，热敏电阻的阻值会发生突变，从而引起与之相连的继电器或其他执行元件动作，实现温度控制。3.2 热电偶传感器热电偶传感器其实是一种能将温度信号转换为电动势的传感器，是目前应用最广泛

42、的、比较简单的温度传感器。,热电偶测温的主要优点有：1)结构简单，使用方便。2)属于自发电型传感器，测量时可以不要外加电源。3)测温范围广，高温热电偶可达1 800 以上，低温热电偶可达-260 。4)性能稳定，精度高，测量准确可靠。3.2.1 热电偶的结构和工作原理(1)结构,(2)热电效应如图3.9(a)所示，将两种不同性质的导体A和B串接成一个闭合回路，如果两个结点温度不相同，则该回路中将产生电动势。这种现象称为热电效应。 热电偶产生的热电动势EAB(T,T0)，由接触电动势和温差电动势两部分组成。1)接触电动势 由于不同金属内自由电子的密度不同，将两种不同的金属互相接触，,如图3.9(

43、b)所示。这种在两种不同金属的接点处产生的电动势称为接触电动势。其大小可用式(3.4)表示：,图3.9 热电偶原理图(a)热电效应 (b)珀尔帖效应 (c)图形符号1工作端；2热电极；3指南针；4参考端,式中 eAB(T)A，B两种材料在温度为T时的接触电动势；T接触处的热力学温度；k玻尔兹曼常数(k=1.3810-2 JK)；e电子电荷(e=1.610-19C)；nA，nB热电极材料A，B的自由电子 密度。,2)同一导体中的温差电动势(3)热电偶的工作原理由于在热电偶回路中单一导体的温差电动势比接触电动势小很多，起主要作用的是两个结点的接触电动势。则取eAB(T)的方向为正方向，如图3.10

44、所示，可得,通过以上的分析，还可得出如下结论：如果热电偶两结点温度相同，回路总的热电动势必然等于零。如果热电偶两电极材料相同，即使两端温度不同，但总输出热电动势仍为零，因此必须由两种不同材料才能构成热电偶。热电动势的大小只与材料和结点温度有关，而与热电偶长短、粗细、形状无关。,(4)与热电偶有关的几个定律1)中间导体定律如图3.11所示，在热电偶回路中插入中间导体C，只要保证T01=T02，总的热电动势与C无关。,图3.10 热电偶的热电动势,利用热电偶来实际测温时，连接导线、显示仪表和接插件等均可看成是中间导体，只要保证这些中间导体两端的温度各自相同，则对热电偶的热电动势没有影响。 2)中间

45、温度定律,图3.11 具有中间导体的热电偶回路,中间温度定律，如图3.12所示。它可用式(3.6)表示：,图3.12 与中间温度定律有关的热电偶回路,式(3.6)中的Tn称为中间温度。所谓分度表就是热电偶自由端(冷端)温度为0 时，热电偶工作端(热端)温度与输出热电动势之间的对应关系的表格，(如表3.1，K型热电偶的分度表)。如果自由端温度不为0 ，则可通过式(3.6)及分度表求得工作端的温度t。3)参考电极定律由A，B两种热电极配对后的热电势EAB(t,t0)可按式(3.7)计算：,3.2.2 热电偶的种类及结构(1)常用热电偶(2)热电偶的结构形式1)普通型热电偶普通型热电偶主要用于测量气

46、体、蒸气和液体等介质的温度。如图3.13、图3.14所示为普通热电偶结构。2)铠装热电偶,铠装热电偶是由金属保护套管、绝缘材料和热电极三者组合成一体的特殊结构的热电偶，如图3.15所示。,图3.13 普通热电偶外形,图3.14 普通热电偶结构,3)薄膜热电偶,图3.15 铠装热电偶(a)外形图 (b)经向剖面图1内电极；2绝缘材料；3薄壁金属保护套管；4屏蔽层,薄膜热电偶如图3.16所示。它是用真空蒸镀的方法，把热电极材料蒸镀在绝缘基板上而制成。 3.2.3 热电偶的冷端处理,图3.16 薄膜热电偶1工作端；2薄膜热电极；3绝缘基板；4引脚接头；5引出线(相同材料的热电极),(1)热电偶冷端的

47、延长补偿导线测温电路如图3.17所示。,图3.17 利用补偿导线延长热电偶的冷端(a)补偿导线外形图 (b)接线图1测量端；2热电极；3接线盒1(中间温度)；4补偿导线；5接线盒2(新的冷端)；6铜引线(中间导体)；7毫伏表,(2)热电偶的冷端温度补偿为保证由热电偶测温原理可知，为保证热电偶输出的热电势与被测温度T成单值函数关系，必须保证冷端温度恒定。 1)冷端恒温法冷端冰浴法：将热电偶的冷端置于装有冰水混合物的恒温容器中，使冷端的温度保持在0 不变,这种方法一般只适用于实验室中。,冷端恒温法：通常可将热电偶的冷端置于电热恒温器中，或置于恒温空调房间中，或置于温度变化缓慢的大油槽中，使冷端温度

48、恒定。2)计算修正法当热电偶的冷端温度t00 时，根据中间温度定律可以利用式(3.8)计算修正测量 结果：,该方法适用于热电偶冷端温度较恒定的情况,在智能化仪表中，查表及运算过程均可由计算机完成。进行仪表机械零点调整时，应先将仪表的电源及输入信号切断，然后用螺钉旋具调节仪表面板上的螺钉使指针指到t0的刻 度上。 3)电桥补偿法电桥补偿法是利用不平衡电桥产生的不平,衡电压来自动补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值，如图3.18所示。,图3.18 冷端补偿器接线图,3.2.4 热电偶的应用(1)测量某点温度测量某点温度：可将热电偶和一个仪表配用测量某点温度，其基本连接线路如图3.19所示。,图3.19 热电偶与仪表配用测量某点温度的基本连接电路,其中：A、B为热电偶，A、是补偿导线，C是接线柱，D是铜导线。(2)测量两点温度的和与差,图3.20 测量两点的温度和与差,图(a)是两支同一型号的热电偶正向串联来测两点温度之和。图(b)是两支同一型号的热电偶反向串联来测两点温度之差。,图3.21 测平均温度,(3)平均温度的测量如图3.21所示,图3.22 采用补偿导线的镍铬-镍硅热电偶测温示意图,