NO2位移检测电子教案 传感器与检测技术（第2版） 中职 高三 工信版

教学目标 知识目标：了解位移传感器检测的一般方法，掌握各种位移传感器的量程、精度等检测性能，掌握直线型位移传感器的使用方法，掌握无接触状态下的位移传感器的使用方法 能力目标： 认识各种位移传感器及其检测适应性，装配使用光栅尺位移传感器应用系统，使用无接触超声波位移传感器实现基本一维定位 素质目标： 教学重点 各种位移传感器及其检测适应性 教学难点 光栅尺位移传感器应用系统 教学手段 理实一体 实物讲解 小组讨论、协作 教学学时 11 教 学 内 容 与 教 学 过 程 设 计 注 释 项目二 位移检测 〖理论学习〗 任务一 认识位移传感器 一、电阻尺 将被测量转换为电阻变化是电阻传感器的基本思路，电阻式位移传感器由位移转换为电阻的原理如图2-1（a）所示。对于一般的导体电阻有如下公式R=ρlS(2-1)式中，R为电阻阻值（Ω）；ρ为电阻率（Ω·mm）；l为导体长度（mm）；S为导体截面积（mm2）。 电刷滑动时，导线是一圈一圈被接入的，长度变化是不连续的，其与电刷滑动量之间呈现阶跃特性。这种跃变限定了变阻器的静态灵敏度，而动态灵敏度则由电刷的质量或转动惯量决定，变阻器的跃变特性如图2-1（b）所示。 图2-1 变阻器原理及其特性 需要注意的是，使用滑线变阻器进行位移检测时，电刷滑动时会产生动态接触电阻，接触电阻阻值一般不确定，这会对检测精度产生难以忽略的影响。 为改善以上两个问题，工业中通常使用直线导电塑料作为变阻器材料，消除了阶跃误差效应，将变阻器和电刷施加一定的预紧力装配成一个部件，外加金属封装，形成如图2-2所示的电阻尺，又称为导电塑料电位计或电压分配计等。 图2-2 电阻尺 二、感应同步器 感应同步器是利用电磁原理将位移转换成电信号的一种装置。根据用途可将感应同步器分为直线式和旋转式两种，分别用于检测线位移和角位移。在高精度数字显示系统或数控闭环系统中，圆盘式感应同步器用以检测角位移信号，直线式感应同步器用以检测线位移信号。图2-5所示为感应同步器在机床定位中的应用示例。 图2-5 感应同步器 如图2-6所示为感应同步器原理，感应同步器由两个磁耦合部件组成，其工作原理类似于一个多极对的正余弦旋转变压器。 图2-6 感应同步器原理 如图2-8所示，脉冲发生器发出频率一定的脉冲系列，输出参考信号方波和指令信号方波，指令信号方波使励磁供电线路产生振幅频率相同而相位差为90°的正弦信号电压和余弦信号电压，供给感应同步器滑尺或者定尺绕组。在定尺上产生感生电动势，经过放大整形后的信号同样为方波信号，反馈至鉴相器与参考信号进行比较。鉴相器输出是感应电动势与参考信号的相位差，即对应的位移值。 图2-8 感应同步器的鉴相控制示例 三、磁栅尺 与录音技术相似，通过记录磁头在磁性尺（或盘）上录制出间隔严格相等的磁波，称为磁栅。 磁栅的一个重要特点是磁栅尺与磁头处于接触式的工作状态。磁栅的工作原理是磁电转换，为保证磁头有稳定的输出信号幅度，考虑到空气的磁阻很大，磁栅尺与磁头之间不允许存在较大和可变的间隙，最好是接触式的。因此，带型磁栅在工作时磁头是压在磁带上的，这样即使带面有些不平整，磁头与磁带也能良好的接触。线型磁栅的磁栅尺和磁头之间约有0.01 mm的间隙，由于装配和调整不可能达到理想状态，故实际上线型磁栅也处于准接触式的工作状态。 图2-9 磁栅尺 四、光电编码器 1.增量式光电编码器 增量式光电编码器由光栅盘（码盘）和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电编码盘自身有旋转轴，当旋转轴旋转时，经光电二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映编码器轴的转速或者加速度。光电编码器系统结构如图2-12所示。为判断旋转方向，码盘提供相位差90°的两组透光孔，组成辨向系统，通过电路判断正转还是反转，在一般的光电编码系统中，这两组编码称为A、B相，如图2-13外圈和中圈虚线所示。另外，为了实现定位，增加了Z相作为基准，由Z相发出零位脉冲，作为转动的起始点，如图213内圈虚线所示。 图2-12 光电编码器系统结构 图2-13 A、B、Z三相光电编码盘 2.绝对式光电编码器原理 除了增量式光电编码器之外，还有一种绝对式光电编码器，其原理如图2-14所示。 图2-14 绝对式光电编码器原理 任务二 直线型光栅位移传感器的应用 一、光栅尺 光栅是一种在基体上刻制有等间距均匀分布条纹的光学元件，用于位移检测的光栅称为计量光栅。光栅尺外形如图2-16所示， 图2-16 光栅尺 透射光栅的光路如图2- 17所示，从上向下透过两个光栅在光电传感器上产生莫尔条纹，通过光电传感器的明暗变化