《传感器与自动检测技术》电子教案（模块6）

《模块6数字传感器》教案PAGE1第1页共10页《单元1光栅式传感器》教案课题单元1光栅式传感器教学目的了解光栅的结构和类型和光栅传感器的应用2、熟悉光栅的基本工作原理和光栅数显表构成及功能教学重点光栅的基本工作原理和光栅数显表教学难点光栅的基本工作原理教学资源多媒体教学课件教学手段多媒体课堂教学教学过程及教学内容教学方法引入模块六数字传感器所谓数字传感器就是将被测量（一般是位移量）转化为数字信号，并进行精确检测和控制的传感器。目前，它们在机床业的数控技术、自动化技术以及计量技术中已被日益广泛地采用。本章介绍光栅式传感器、光电编码器、磁栅式传感器、感应同步器等。【图示】数字传感器在数控机床加工中的应用单元1光栅传感器光栅式传感器实际上是光电式传感器的一个特殊应用。优点：结构简单、测量精度高、易于实现自动化和数字化等。提纲挈领法图示展演法提纲挈领法概念分析一、光栅的结构和类型光栅主要由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。【图示】光栅读数头的组成1．分类（1）按运动形式分：直线型和旋转型（2）按光学形式分：透射式和反射式【图示】直线光栅传感器实物图；旋转光栅实物图2．光栅尺：由标尺光栅和光栅读数头中的指示光栅构成【图示】光栅尺的组成3．光栅读数头：由光源、透镜、指示光栅、光敏元件和驱动电路组成。【图示】三类光栅读数头的结构示意图；反射式光栅结构示意图；投射式光栅结构示意图；旋转式光栅工作原理示意图【注意】光源与光电元件的光频谱范围要求基本一致。二、光栅的工作原理1．莫尔条纹所谓莫尔（Moire），法文的原意是水面上产生的波纹。莫尔条纹是指两块光栅尺叠合时，出现光的明暗相间的条纹。【动画】直线型莫尔条纹动画；旋转型莫尔条纹动画【图示】莫尔条纹间距与光栅栅距之间的关系莫尔条纹有如下几个重要特性：①消除光栅刻线的不均匀误差：准确性②位移的放大特性：放大性和可调性③移动特性：同步性和方向性④光强与位置关系：莫尔条纹的光强度变化近似正弦变化【图示】光栅位移与光强及光电元件输出电压的关系图【注意】光栅的放大作用与安装角度有关，与两光栅的安装间隙无关；莫尔条纹的宽度必须大于光敏元件的尺寸，否则光敏元件无法分辨光强的变化。【动画】光栅位移与输出电压的关系动画2．辨向原理【图示】光电元件在莫尔条纹中的位置；光栅式传感器辨向原理框图；光栅测量位移的原理示意图为了辨别方向，需要两个一定相位差的莫尔条纹信号。两光电元件相距1/4个莫尔条纹间距，通过整形及辨向电路，根据光栅移动方向输出加、减脉冲，分析正向移动、反向移动时，经微分电路与门输出的脉冲，可以根据运动的方向正确地给出加计数脉冲和减计数脉冲。【结论】被测物体位移＝栅距×脉冲数【举例】先正向移动11个脉冲，而后反向移动5个脉冲，再正向移动2个脉冲，可算出位移8个栅距。3．细分技术问题的提出：为了能分辨比W更小的位移量，就必须对电路进行处理，使之能在移动一个W内等间距地输出若干个计数脉冲，这种方法就称为细分。为提高测量精度，采用电路分频的方法。通常采同的细分方法有四倍频细分、电桥细分、复合细分等。图示讲演法图示展演法图示讲演法图示讲演法概念推演法动画讲演法图示讲演法概念推演法图示分析法动画展演法图示分析法总结归纳法应用案例法提纲挈领法应用介绍三、光栅数显表简介光栅数显表可广泛使用于车床、铣床、磨床、线切割、摇臂钻、电火花、镗床、龙门镗铣等各类机加工机床，有利于提高加工效率和加工精度。1．光栅数显表的构成【图示】光栅数显表的基本原理框图光栅数显表组成：细分电路，方向判别电路（辨向电路），计数、显示电路，绝对零位电路，功能电路。2．光栅数显表的功能【图示】二维光栅数显表及光栅尺（1）通用功能：清零、预置数、自动分中、公英制转换、停电记忆、寻找机械原点、线性误差修正、睡眠开关等。（2）加工功能：计算器功能、圆周分孔、斜线分孔、斜度加工、圆弧加工、车床功能、数字过滤、直径/半径显示等。3．光栅数显表的安装条件①不得暴露在烈日或高温；②远离高电压、大电流、强磁场的设备；③避免金属屑、油、水等进入数显表不；④环境温度在+40℃时，空气的相对湿度不超过50%。提纲挈领法图示分析法图示展演法提纲挈领法提纲挈领法案例分析四、光栅数显装置【图示】国产光栅数显装置结构示意及电路原理框图国产光栅数显装置的LSI芯片组成：①光栅信号处理芯片（HKF710502）；②逻辑控制芯片（HKE701314）；③可逆计数与零位记忆芯片（HKE701201）【图示】MQ－系列三坐标测量机【动画】三自由度机床导轨位置检测应用案例法图示讲演法图示展演法动画展演法作业教材认知训练6－2，6－4练习巩固法本课教育评注（课堂设计理念，实际教学效果及改进设想）

《单元2光电编码器》教案课题单元2光电编码器教学目的了解光电编码器的工作原理和应用教学重点光电编码器的工作原理教学资源多媒体教学课件，光电编码器实物教学手段多媒体课堂教学，实物演示教学教学过程及教学内容教学方法引入单元2光电编码器编码器又称码盘，是将直线运动和转角运动变换为数字信号进行测量的一种传感器。有光电式、电磁式和接触式等各种类型。【图示】普通光电编码器外形图；拉线式角编码器外形图；其他光电编码器外形图【实物演示】光电编码器实物光电编码器的分类：【列表】光电编码器的分类1．按其构造类型分为转动方式和光束形式2．按其信号性质分为增量式和绝对式提纲挈领法图示展演法实物展演法列表讲演法概念分析一、增量式光电编码器【图示】增量式光电编码器内部结构图及结构示意图【动画】增量式光电编码器原理动画1．增量式光电编码器的辨向信号和零标志2．增量式光电编码器的分辨力及分辨率分辨力为分辨率为二、绝对式光电编码器绝对式光电编码器的编码盘由透明及不透明区组成，这些透明及不透明区按一定编码构成，编码盘上码道的条数就是数码的位数。【动画】绝对式光电编码器原理动画【图示】绝对式光电编码器结构示意图；光电码盘的平面结构图（8码道）；光电码盘与光源、光敏元件的对应关系图（4码道）。分辨力为分辨率为为了避免引起的粗大误差，可采用格雷码（Groycode）图案的编码盘。【列表】格雷码和自然二进制码的比较表【图示】绝对式光电式编码器测角仪原理图；增量式光电编码器码盘与绝对式光电编码器码盘比较图。绝对式光电编码器的主要技术指标是：①分辨率；②输出信号的电特性；③频率特性；④使用特性。图示讲演法动画讲演法概念推演法动画讲演法图示分析法列表分析法图示讲演法应用介绍三、光电编码器的应用案例1．ZBS型轴环式光电编码器数显表【图示】ZBS型轴环式光电编码器数显表示意图；轴环式数显表外形图；轴环式数显表在车床进给显示中的应用光电编码器轴环式数显表具有体积小、安装简便、读数直观、可靠性好、性价比高等优点，适用于中小型机床的进给或定位测量，也适用于老机床的改造。如果把它装在车床进给刻度轮的位置，可以直接读出进给尺寸，减少停机测量的次数，从而提高工作效率和加工精度。1．其他应用（1）位置测量【动画】光电编码器位置测量动画齿条通过齿轮带动进行直线运动，从而光电编码器可以测量直线位移。【图示】工位定位示意图；数控加工中心实物图；数控加工中心的刀库选刀换刀结构图2．转速测量【动画】光电编码器转速测量动画转速可由编码器发出的脉冲频率或脉冲周期来测量。利用脉冲周期测量转速，是通过计数编码器一个脉冲间隔内（脉冲周期）标准时钟脉冲个数来计算其转速。【图示】光电编码器在伺服电机中的应用应用方面：转速测量；转子磁极位置测量；角位移测量应用案例法图示讲演法动画讲演法图示展演法动画讲演法图示展演法作业教材能力训练6－1练习巩固法本课教育评注（课堂设计理念，实际教学效果及改进设想）

《单元3磁栅式传感器》教案课题单元3磁栅式传感器教学目的熟悉磁栅的组成和工作原理掌握磁栅传感器的信号处理方式了解磁栅数显装置和磁栅式传感器的应用教学重点磁栅传感器的信号处理方式教学难点磁栅传感器的信号处理方式教学资源多媒体教学课件教学手段多媒体课堂教学教学过程及教学内容教学方法引入单元3磁栅式传感器磁栅价格低于光栅、制作简单、复制方便、易于安装和调整、测量范围宽（从几十毫米到数十米）、不需要接长、抗干扰能力强。因而在大型机床的数字检测、自动化机床的自动控制及轧压机的定位控制等方面得到了广泛应用。【图例】大尺寸磁栅尺外形图提纲挈领法图例演示法概念分析一、磁栅的组成及类型1．磁栅的组成【图示】磁栅传感器工作原理示意图；磁栅传感器的外形与结构图磁栅传感器是由磁栅(简称磁尺)、磁头和检测电路组成。2．磁栅的类型磁栅分为长磁栅和圆磁栅两类。前者用于测量直线位移，后者用于测量角位移。长磁栅可分为尺形、带形和同轴形三种。一般用尺形磁栅；当安装面不好安排时用带型磁栅；同轴形磁栅结构特别小巧，可用于结构紧凑的场合。【图示】长磁珊传感器的类型图；圆磁栅传感器外形图；长磁栅实物图；德国SIKO长磁栅尺实物图二、磁栅传感器的工作原理1．基本工作原理【动画】磁栅传感器工作原理的动画以静态磁头为例来叙述磁栅传感器的工作原理：实际上，静态磁头中的N1绕组起到磁路开关的作用，随着激磁交变电流的变化，可饱和铁芯这一磁路开关不断地“通”和“断”，进入磁头的剩磁通就时有时无。这样，在磁头铁芯的绕组N2中就产生感应电势。磁头输出的电势信号经检波，保留其基波成分，可用下式表示：E=Em·Cos（2πx/W）·Sinωt2．信号处理方式为了辨别方向，采用两只磁头来检取磁尺信号。它们相互距离为(m±1/4)W，m为整数，通常两个磁头做成一体，当两只磁头加同一励磁电流时，两磁头输出信号为：E1=Em·Cos（2πx/W）·Sinωt（1）E2=Em·Sin（2πx/W）·Sinωt（2）磁栅传感器的信号处理方式有鉴相式和鉴幅式两种。（1）鉴相方式将第二个磁头的电压信号移相900，两磁头的输出信号则变为：E1，=Em·Cos（2πx/W）·Sinωt（3）E2，=Em·Sin（2πx/W）·cosωt（4）将两路输出用求和电路相加，则获得总输出E=E1，+E2，=Em·Sin（ωt+2πx/W）上式表明，感应电动势E的幅值恒定，其相位变化正比于位移量x。该信号经带通滤波、整形、鉴相细分电路后，产生脉冲信号，可逆计数器计数，显示器显示相应的位移量。【图示】鉴相型磁栅传感器基本原理框图（2）鉴幅方式由（3）、（4）式可知，两磁头输出信号的幅值与磁头位置x成正余弦关系。经检波器去掉高频载波可得E1”=EmCos（2πx/W）（5）E2”=EmSin（2πx/W）（6）此相差900的两个关于位移x的正余弦信号与光栅传感器两个光电元件输出的信号是完全相同的，所以它们的细分方法及辨向原理与光栅传感器也完全相同。【图示】鉴幅型磁栅传感器的原理框图。图示分析法列表讲演法图示演示法动画讲演法概念推演法理论演绎法图示讲演法理论演绎法图示讲演法应用介绍三、磁栅数显装置【图示】磁栅数显装置的结构示意图国产磁栅数显装置的LSI芯片组成：①磁头放大器（SF023）；②磁尺检测专用集成芯片（SF6114）；③磁尺细分专用集成芯片SIM－011；④可逆计数芯片（WK50395）四、磁栅式传感器的应用磁栅传感器有两个方面的应用：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检测元件（线位移）。【图示】磁珊测量系统；ZCB-101鉴相型磁栅数显表原理框图；磁栅数显表实物图目前磁栅数显表已采用微机来实现以上框图中的功能。这样，硬件的数量大大减少，而功能却优于普通数显