《模塊6數字傳感器》教案PAGE1第1頁共10頁《單元1光柵式傳感器》教案課題單元1光柵式傳感器教學目的了解光柵的結構和類型和光柵傳感器的應用2、熟悉光柵的基本工作原理和光柵數顯表構成及功能教學重點光柵的基本工作原理和光柵數顯表教學難點光柵的基本工作原理教學資源多媒體教學課件教學手段多媒體課堂教學教學過程及教學內容教學方法引入模塊六數字傳感器所謂數字傳感器就是將被測量（一般是位移量）轉化為數字信號，并進行精確檢測和控制的傳感器。目前，它們在機床業的數控技術、自動化技術以及計量技術中已被日益廣泛地采用。本章介紹光柵式傳感器、光電編碼器、磁柵式傳感器、感應同步器等。【圖示】數字傳感器在數控機床加工中的應用單元1光柵傳感器光柵式傳感器實際上是光電式傳感器的一個特殊應用。優點：結構簡單、測量精度高、易于實現自動化和數字化等。提綱挈領法圖示展演法提綱挈領法概念分析一、光柵的結構和類型光柵主要由標尺光柵和光柵讀數頭兩部分組成。【圖示】光柵讀數頭的組成1．分類（1）按運動形式分：直線型和旋轉型（2）按光學形式分：透射式和反射式【圖示】直線光柵傳感器實物圖；旋轉光柵實物圖2．光柵尺：由標尺光柵和光柵讀數頭中的指示光柵構成【圖示】光柵尺的組成3．光柵讀數頭：由光源、透鏡、指示光柵、光敏元件和驅動電路組成。【圖示】三類光柵讀數頭的結構示意圖；反射式光柵結構示意圖；投射式光柵結構示意圖；旋轉式光柵工作原理示意圖【注意】光源與光電元件的光頻譜范圍要求基本一致。二、光柵的工作原理1．莫爾條紋所謂莫爾（Moire），法文的原意是水面上產生的波紋。莫爾條紋是指兩塊光柵尺疊合時，出現光的明暗相間的條紋。【動畫】直線型莫爾條紋動畫；旋轉型莫爾條紋動畫【圖示】莫爾條紋間距與光柵柵距之間的關系莫爾條紋有如下幾個重要特性：①消除光柵刻線的不均勻誤差：準確性②位移的放大特性：放大性和可調性③移動特性：同步性和方向性④光強與位置關系：莫爾條紋的光強度變化近似正弦變化【圖示】光柵位移與光強及光電元件輸出電壓的關系圖【注意】光柵的放大作用與安裝角度有關，與兩光柵的安裝間隙無關；莫爾條紋的寬度必須大于光敏元件的尺寸，否則光敏元件無法分辨光強的變化。【動畫】光柵位移與輸出電壓的關系動畫2．辨向原理【圖示】光電元件在莫爾條紋中的位置；光柵式傳感器辨向原理框圖；光柵測量位移的原理示意圖為了辨別方向，需要兩個一定相位差的莫爾條紋信號。兩光電元件相距1/4個莫爾條紋間距，通過整形及辨向電路，根據光柵移動方向輸出加、減脈沖，分析正向移動、反向移動時，經微分電路與門輸出的脈沖，可以根據運動的方向正確地給出加計數脈沖和減計數脈沖。【結論】被測物體位移＝柵距×脈沖數【舉例】先正向移動11個脈沖，而后反向移動5個脈沖，再正向移動2個脈沖，可算出位移8個柵距。3．細分技術問題的提出：為了能分辨比W更小的位移量，就必須對電路進行處理，使之能在移動一個W內等間距地輸出若干個計數脈沖，這種方法就稱為細分。為提高測量精度，采用電路分頻的方法。通常采同的細分方法有四倍頻細分、電橋細分、復合細分等。圖示講演法圖示展演法圖示講演法圖示講演法概念推演法動畫講演法圖示講演法概念推演法圖示分析法動畫展演法圖示分析法總結歸納法應用案例法提綱挈領法應用介紹三、光柵數顯表簡介光柵數顯表可廣泛使用于車床、銑床、磨床、線切割、搖臂鉆、電火花、鏜床、龍門鏜銑等各類機加工機床，有利于提高加工效率和加工精度。1．光柵數顯表的構成【圖示】光柵數顯表的基本原理框圖光柵數顯表組成：細分電路，方向判別電路（辨向電路），計數、顯示電路，絕對零位電路，功能電路。2．光柵數顯表的功能【圖示】二維光柵數顯表及光柵尺（1）通用功能：清零、預置數、自動分中、公英制轉換、停電記憶、尋找機械原點、線性誤差修正、睡眠開關等。（2）加工功能：計算器功能、圓周分孔、斜線分孔、斜度加工、圓弧加工、車床功能、數字過濾、直徑/半徑顯示等。3．光柵數顯表的安裝條件①不得暴露在烈日或高溫；②遠離高電壓、大電流、強磁場的設備；③避免金屬屑、油、水等進入數顯表不；④環境溫度在+40℃時，空氣的相對濕度不超過50%。提綱挈領法圖示分析法圖示展演法提綱挈領法提綱挈領法案例分析四、光柵數顯裝置【圖示】國產光柵數顯裝置結構示意及電路原理框圖國產光柵數顯裝置的LSI芯片組成：①光柵信號處理芯片（HKF710502）；②邏輯控制芯片（HKE701314）；③可逆計數與零位記憶芯片（HKE701201）【圖示】MQ－系列三坐標測量機【動畫】三自由度機床導軌位置檢測應用案例法圖示講演法圖示展演法動畫展演法作業教材認知訓練6－2，6－4練習鞏固法本課教育評注（課堂設計理念，實際教學效果及改進設想）

《單元2光電編碼器》教案課題單元2光電編碼器教學目的了解光電編碼器的工作原理和應用教學重點光電編碼器的工作原理教學資源多媒體教學課件，光電編碼器實物教學手段多媒體課堂教學，實物演示教學教學過程及教學內容教學方法引入單元2光電編碼器編碼器又稱碼盤，是將直線運動和轉角運動變換為數字信號進行測量的一種傳感器。有光電式、電磁式和接觸式等各種類型。【圖示】普通光電編碼器外形圖；拉線式角編碼器外形圖；其他光電編碼器外形圖【實物演示】光電編碼器實物光電編碼器的分類：【列表】光電編碼器的分類1．按其構造類型分為轉動方式和光束形式2．按其信號性質分為增量式和絕對式提綱挈領法圖示展演法實物展演法列表講演法概念分析一、增量式光電編碼器【圖示】增量式光電編碼器內部結構圖及結構示意圖【動畫】增量式光電編碼器原理動畫1．增量式光電編碼器的辨向信號和零標志2．增量式光電編碼器的分辨力及分辨率分辨力為分辨率為二、絕對式光電編碼器絕對式光電編碼器的編碼盤由透明及不透明區組成，這些透明及不透明區按一定編碼構成，編碼盤上碼道的條數就是數碼的位數。【動畫】絕對式光電編碼器原理動畫【圖示】絕對式光電編碼器結構示意圖；光電碼盤的平面結構圖（8碼道）；光電碼盤與光源、光敏元件的對應關系圖（4碼道）。分辨力為分辨率為為了避免引起的粗大誤差，可采用格雷碼（Groycode）圖案的編碼盤。【列表】格雷碼和自然二進制碼的比較表【圖示】絕對式光電式編碼器測角儀原理圖；增量式光電編碼器碼盤與絕對式光電編碼器碼盤比較圖。絕對式光電編碼器的主要技術指標是：①分辨率；②輸出信號的電特性；③頻率特性；④使用特性。圖示講演法動畫講演法概念推演法動畫講演法圖示分析法列表分析法圖示講演法應用介紹三、光電編碼器的應用案例1．ZBS型軸環式光電編碼器數顯表【圖示】ZBS型軸環式光電編碼器數顯表示意圖；軸環式數顯表外形圖；軸環式數顯表在車床進給顯示中的應用光電編碼器軸環式數顯表具有體積小、安裝簡便、讀數直觀、可靠性好、性價比高等優點，適用于中小型機床的進給或定位測量，也適用于老機床的改造。如果把它裝在車床進給刻度輪的位置，可以直接讀出進給尺寸，減少停機測量的次數，從而提高工作效率和加工精度。1．其他應用（1）位置測量【動畫】光電編碼器位置測量動畫齒條通過齒輪帶動進行直線運動，從而光電編碼器可以測量直線位移。【圖示】工位定位示意圖；數控加工中心實物圖；數控加工中心的刀庫選刀換刀結構圖2．轉速測量【動畫】光電編碼器轉速測量動畫轉速可由編碼器發出的脈沖頻率或脈沖周期來測量。利用脈沖周期測量轉速，是通過計數編碼器一個脈沖間隔內（脈沖周期）標準時鐘脈沖個數來計算其轉速。【圖示】光電編碼器在伺服電機中的應用應用方面：轉速測量；轉子磁極位置測量；角位移測量應用案例法圖示講演法動畫講演法圖示展演法動畫講演法圖示展演法作業教材能力訓練6－1練習鞏固法本課教育評注（課堂設計理念，實際教學效果及改進設想）

《單元3磁柵式傳感器》教案課題單元3磁柵式傳感器教學目的熟悉磁柵的組成和工作原理掌握磁柵傳感器的信號處理方式了解磁柵數顯裝置和磁柵式傳感器的應用教學重點磁柵傳感器的信號處理方式教學難點磁柵傳感器的信號處理方式教學資源多媒體教學課件教學手段多媒體課堂教學教學過程及教學內容教學方法引入單元3磁柵式傳感器磁柵價格低于光柵、制作簡單、復制方便、易于安裝和調整、測量范圍寬（從幾十毫米到數十米）、不需要接長、抗干擾能力強。因而在大型機床的數字檢測、自動化機床的自動控制及軋壓機的定位控制等方面得到了廣泛應用。【圖例】大尺寸磁柵尺外形圖提綱挈領法圖例演示法概念分析一、磁柵的組成及類型1．磁柵的組成【圖示】磁柵傳感器工作原理示意圖；磁柵傳感器的外形與結構圖磁柵傳感器是由磁柵(簡稱磁尺)、磁頭和檢測電路組成。2．磁柵的類型磁柵分為長磁柵和圓磁柵兩類。前者用于測量直線位移，后者用于測量角位移。長磁柵可分為尺形、帶形和同軸形三種。一般用尺形磁柵；當安裝面不好安排時用帶型磁柵；同軸形磁柵結構特別小巧，可用于結構緊湊的場合。【圖示】長磁珊傳感器的類型圖；圓磁柵傳感器外形圖；長磁柵實物圖；德國SIKO長磁柵尺實物圖二、磁柵傳感器的工作原理1．基本工作原理【動畫】磁柵傳感器工作原理的動畫以靜態磁頭為例來敘述磁柵傳感器的工作原理：實際上，靜態磁頭中的N1繞組起到磁路開關的作用，隨著激磁交變電流的變化，可飽和鐵芯這一磁路開關不斷地“通”和“斷”，進入磁頭的剩磁通就時有時無。這樣，在磁頭鐵芯的繞組N2中就產生感應電勢。磁頭輸出的電勢信號經檢波，保留其基波成分，可用下式表示：E=Em·Cos（2πx/W）·Sinωt2．信號處理方式為了辨別方向，采用兩只磁頭來檢取磁尺信號。它們相互距離為(m±1/4)W，m為整數，通常兩個磁頭做成一體，當兩只磁頭加同一勵磁電流時，兩磁頭輸出信號為：E1=Em·Cos（2πx/W）·Sinωt（1）E2=Em·Sin（2πx/W）·Sinωt（2）磁柵傳感器的信號處理方式有鑒相式和鑒幅式兩種。（1）鑒相方式將第二個磁頭的電壓信號移相900，兩磁頭的輸出信號則變為：E1，=Em·Cos（2πx/W）·Sinωt（3）E2，=Em·Sin（2πx/W）·cosωt（4）將兩路輸出用求和電路相加，則獲得總輸出E=E1，+E2，=Em·Sin（ωt+2πx/W）上式表明，感應電動勢E的幅值恒定，其相位變化正比于位移量x。該信號經帶通濾波、整形、鑒相細分電路后，產生脈沖信號，可逆計數器計數，顯示器顯示相應的位移量。【圖示】鑒相型磁柵傳感器基本原理框圖（2）鑒幅方式由（3）、（4）式可知，兩磁頭輸出信號的幅值與磁頭位置x成正余弦關系。經檢波器去掉高頻載波可得E1”=EmCos（2πx/W）（5）E2”=EmSin（2πx/W）（6）此相差900的兩個關于位移x的正余弦信號與光柵傳感器兩個光電元件輸出的信號是完全相同的，所以它們的細分方法及辨向原理與光柵傳感器也完全相同。【圖示】鑒幅型磁柵傳感器的原理框圖。圖示分析法列表講演法圖示演示法動畫講演法概念推演法理論演繹法圖示講演法理論演繹法圖示講演法應用介紹三、磁柵數顯裝置【圖示】磁柵數顯裝置的結構示意圖國產磁柵數顯裝置的LSI芯片組成：①磁頭放大器（SF023）；②磁尺檢測專用集成芯片（SF6114）；③磁尺細分專用集成芯片SIM－011；④可逆計數芯片（WK50395）四、磁柵式傳感器的應用磁柵傳感器有兩個方面的應用：①可以作為高精度測量長度和角度的測量儀器用；②可以用于自動化控制系統中的檢測元件（線位移）。【圖示】磁珊測量系統；ZCB-101鑒相型磁柵數顯表原理框圖；磁柵數顯表實物圖目前磁柵數顯表已采用微機來實現以上框圖中的功能。這樣，硬件的數量大大減少，而功能卻優于普通數顯