【正文】 教學(xué)目標(biāo)知識目標(biāo)： 掌握接近開關(guān)的基本工作原理，了解各種接近開關(guān)的環(huán)境特性及使用方法，掌握應(yīng)用接近開關(guān)進(jìn)行工業(yè)技術(shù)檢測的方法能力目標(biāo)： 對不同接近開關(guān)進(jìn)行敏感性檢測，使用霍爾接近開關(guān)完成轉(zhuǎn)動次數(shù)的測量。素質(zhì)目標(biāo)： 教學(xué)重點接近開關(guān)的應(yīng)用教學(xué)難點接近開關(guān)的基本工作原理教學(xué)手段理實一體實物講解小組討論、協(xié)作教學(xué)學(xué)時10教 學(xué) 內(nèi) 容 與 教 學(xué) 過 程 設(shè) 計注 釋項目一 開關(guān)量檢測〖理論學(xué)習(xí)〗任務(wù)一 認(rèn)識接近開關(guān)一、霍爾效應(yīng)型接近開關(guān)霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生是由于運動電荷在磁場作用下受到洛侖茲力作用的結(jié)果。如圖12所示，把N型半導(dǎo)體薄片放在磁場中，通以固定方向的電流i圖12霍爾效應(yīng)（從a點至b點），那么半導(dǎo)體中的載流子（電子）將沿著與電流方向相反的方向運動。圖12 霍爾效應(yīng)霍爾元件的結(jié)構(gòu)簡單，由霍爾片、四根引線和殼體組成，如圖13所示。 圖13 霍爾元件1)額定激勵電流2)靈敏度KH3)輸入電阻和輸出電阻4)不等位電動勢和不等位電阻5)寄生直流電動勢6)霍爾電動勢溫度系數(shù)霍爾開關(guān)是在霍爾效應(yīng)原理的基礎(chǔ)上，利用集成封裝和組裝工藝制作而成，可把磁輸入信號轉(zhuǎn)換成實際應(yīng)用中的電信號，同時具備工業(yè)場合實際應(yīng)用易操作和可靠性的要求。圖16霍爾開關(guān)1)霍爾式位移傳感器霍爾元件具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、動態(tài)特性好和壽命長的優(yōu)點，它不僅用于磁感應(yīng)強(qiáng)度、有功功率及電能參數(shù)的測量，也在位移測量中得到廣泛應(yīng)用。圖17 霍爾式位移傳感器的工作原理圖2)霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器圖18 所示的是幾種不同結(jié)構(gòu)的霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器。圖18 幾種霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)3)霍爾計數(shù)裝置圖19 所示的是對鋼球進(jìn)行計數(shù)的工作示意圖和電路圖。當(dāng)鋼球通過霍爾開關(guān)傳感器時，傳感器可輸出峰值20 mV 的脈沖電壓，該電壓經(jīng)運算放大器(μA741)放大后，驅(qū)動半導(dǎo)體三極管VT(2N5812)工作，輸出端便可接計數(shù)器進(jìn)行計數(shù)，并由顯示器顯示檢測數(shù)值。圖19 霍爾計數(shù)裝置二、光電效應(yīng)型接近開關(guān)光照射到某些物質(zhì)上，引起物質(zhì)的電性質(zhì)發(fā)生變化，這類光致電變的現(xiàn)象統(tǒng)稱為光電效應(yīng)，如圖110所示。圖110 光電效應(yīng)光電管的典型結(jié)構(gòu)如圖111 所示。圖111 光電管的典型結(jié)構(gòu)電倍增管是一種常用的靈敏度很高的光探測器，顧名思義是把微弱光信號轉(zhuǎn)變成電信號且進(jìn)行放大的器件，光電倍增管的典型結(jié)構(gòu)和工作原理如圖114所示。圖114 光電倍增管的典型結(jié)構(gòu)和工作原理光敏電阻是一種基于光電效應(yīng)制成的光電器件，光敏電阻沒有極性，相當(dāng)于一個電阻器件。光敏電阻的測量原理如圖116 所示。圖116 光敏電阻的測量原理光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般的二極管相似，其 PN 結(jié)對光敏感。將其 PN 結(jié)裝在管的頂部，上面有一個透鏡制成的窗口，以便使光線集中在 PN 結(jié)上。光敏二極管是基于半導(dǎo)體光生伏特效應(yīng)的原理制成的光電器件。光敏二極管的結(jié)構(gòu)和工作原理如圖118所示。圖118 光敏二極管的結(jié)構(gòu)和工作原理1)光電耦合器光電耦合器的發(fā)光和接收元件都封裝在一個外殼內(nèi)，一般有金屬封裝和塑料封裝兩種。光電耦合器常見的組合形式如圖121所示。圖121 光電耦合器常見的組合形式2）光電開關(guān)光電開關(guān)（光電傳感器）是光電接近開關(guān)的簡稱，它是利用被檢測物對光束的遮擋或反射，由同步回路選通電路，從而檢測物體有無的。三、感應(yīng)型接近開關(guān)感應(yīng)式傳感器也稱為渦流式傳感器，由振蕩器、開關(guān)電路及放大輸出電路三部分組成。振蕩器產(chǎn)生一個交變磁場，當(dāng)金屬目標(biāo)接近這一磁場，并達(dá)到感應(yīng)距離時，在金屬目標(biāo)內(nèi)產(chǎn)生渦流，渦流反作用于接近開關(guān)，使接近開關(guān)振蕩能力衰減，內(nèi)部電路的電磁感應(yīng)參數(shù)發(fā)生變化，由此識別出有無金屬物體接近，進(jìn)而控制開關(guān)的通斷。圖124 感應(yīng)接近開關(guān)原理任務(wù)二 接近開關(guān)的應(yīng)用（一）一、 開關(guān)電源的基礎(chǔ)知識主電路包含的主要功能模塊如下。（1）沖擊電流限幅。限制接通電源瞬間輸入側(cè)的沖擊電流。（2）輸入濾波器。其作用是過濾電網(wǎng)存在的雜波及阻礙本機(jī)產(chǎn)生的雜波反饋回電網(wǎng)。（3）整流與濾波。將電網(wǎng)交流電源直接整流為較平滑的直流電。（4）逆變。將整流后的直流電變?yōu)楦哳l交流電，這是高頻開關(guān)電源的核心部分。（5）輸出整流與濾波。根據(jù)負(fù)載需要，提供穩(wěn)定可靠的直流電源?？刂齐娐芬环矫鎻妮敵龆巳?，與設(shè)定值進(jìn)行比較，然后去控制逆變器，改變其脈寬或脈頻，使輸出穩(wěn)定；另一方面，根據(jù)測試電路提供的數(shù)據(jù)，經(jīng)保護(hù)電路鑒別，提供控制電路對電源進(jìn)行各種保護(hù)措施。檢測電路提供保護(hù)電路中正在運行中的各種參數(shù)和各種儀表數(shù)據(jù)。二、 開關(guān)電源的選擇與使用使用上，開關(guān)電源工作效率一般可達(dá)到80%以上，遠(yuǎn)高于一般穩(wěn)壓器35%~60%的轉(zhuǎn)換效率，故在其輸出電流的選擇上，應(yīng)準(zhǔn)確檢測或計算用電設(shè)備的最大吸收電流，~，以使被選用的開關(guān)電源具有高的性價比。任務(wù)三 接近開關(guān)的應(yīng)用（二）一、 數(shù)顯表簡介數(shù)顯表輸入信號一般為開關(guān)量和模擬量，信號經(jīng)過計數(shù)電路或者模/數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D轉(zhuǎn)換），采用數(shù)碼發(fā)光二極管（LED）或液晶屏幕來完成顯示功能，作為檢測器件的顯示終端和人機(jī)界面。二、數(shù)顯表規(guī)格與應(yīng)用其特點有以下幾點。（1）開關(guān)電源100~240 V AC供電。（2）輸入多種標(biāo)準(zhǔn)信號，有0~50 mV、0~10 V、4~20 mA、可變電阻、TC/RTD等，并能使用軟件自動進(jìn)行調(diào)節(jié)。（3）具有小數(shù)點設(shè)定、比率、量程及零點自由調(diào)整功能。（4）帶隔離變送功能，隔離485通信功能。（5）帶24/12 V DC輔助電源，兩路報警輸出。（6）精度等級為177。%FS。 （7）應(yīng)用范圍有二線制變送器、壓力傳感器、四線制稱重傳感器等，具有mA、mV和V輸出或者電阻類檢測的傳感器檢測設(shè)備。600系列智能光柱調(diào)節(jié)儀其特點是：有萬能輸入功能，自動校準(zhǔn)和人工校準(zhǔn)功能；多重保護(hù)、隔離設(shè)計、抗干擾能力強(qiáng)；可靠性高；有良好的軟件平臺；具備二次開發(fā)能力，以滿足特殊的功能；具有模塊化結(jié)構(gòu)，功能組合、系統(tǒng)升級方便。三、數(shù)顯表的選用挑選一個適用、經(jīng)濟(jì)和性價比最佳的數(shù)顯表與設(shè)備配套應(yīng)從以下幾個方面考慮。(1)如果舊設(shè)備改造，需要充分了解原來設(shè)備的用途、型號、原來使用表頭的外形尺寸和型號、配合的傳感器等，這是進(jìn)行設(shè)備改造的基礎(chǔ)。(2)若是研制新型產(chǎn)品，需要設(shè)定檢測需要達(dá)到的目標(biāo)值。包括需要檢測控制的最小值和最大值；需要達(dá)到的控制精度，如果普通試驗室的烘箱為177。 ℃，而基準(zhǔn)溫度使用的恒溫槽為177。 ℃；結(jié)構(gòu)安裝尺寸，在相同條件下，盡可能選用表盤較大的顯示儀表，容易觀察和讀數(shù)；考慮傳感器情況；考慮工作電源；考慮通信接口等?！紝嵱?xùn)〗1. 接近開關(guān)的特性檢測2. 接近開關(guān)對不同材料的敏感性檢測3. 使用接近開關(guān)檢測轉(zhuǎn)動次數(shù)〖思考與練習(xí)〗。，測量傳送帶上輸運物料的個數(shù)。，并介紹其生產(chǎn)接近開關(guān)的型號和應(yīng)用場合。講解霍爾效應(yīng)基本原理，及霍爾電動勢。了解霍爾傳感器的應(yīng)用。掌握光電管的街頭，區(qū)分兩種光電管的伏安特性曲線。結(jié)合圖片講解電倍增管的典型結(jié)構(gòu)和工作原理。結(jié)合圖片講解光電耦合器常見的組合形式。結(jié)合圖片講解感應(yīng)接近開關(guān)原理。掌握開關(guān)電源的基礎(chǔ)知識。了解不同種類數(shù)顯表的規(guī)格及特點。能夠正確選用數(shù)顯表。教學(xué)目標(biāo)知識目標(biāo)：了解位移傳感器檢測的一般方法，掌握各種位移傳感器的量程、精度等檢測性能，掌握直線型位移傳感器的使用方法，掌握無接觸狀態(tài)下的位移傳感器的使用方法能力目標(biāo)： 認(rèn)識各種位移傳感器及其檢測適應(yīng)性，裝配使用光柵尺位移傳感器應(yīng)用系統(tǒng)，使用無接觸超聲波位移傳感器實現(xiàn)基本一維定位素質(zhì)目標(biāo)： 教學(xué)重點各種位移傳感器及其檢測適應(yīng)性教學(xué)難點光柵尺位移傳感器應(yīng)用系統(tǒng)教學(xué)手段理實一體實物講解小組討論、協(xié)作教學(xué)學(xué)時11教 學(xué) 內(nèi) 容 與 教 學(xué) 過 程 設(shè) 計注 釋項目二 位移檢測〖理論學(xué)習(xí)〗任務(wù)一 認(rèn)識位移傳感器一、電阻尺將被測量轉(zhuǎn)換為電阻變化是電阻傳感器的基本思路，電阻式位移傳感器由位移轉(zhuǎn)換為電阻的原理如圖21（a）所示。對于一般的導(dǎo)體電阻有如下公式R=ρlS(21)式中，R為電阻阻值（Ω）；ρ為電阻率（Ωmm）；l為導(dǎo)體長度（mm）；S為導(dǎo)體截面積（mm2）。電刷滑動時，導(dǎo)線是一圈一圈被接入的，長度變化是不連續(xù)的，其與電刷滑動量之間呈現(xiàn)階躍特性。這種躍變限定了變阻器的靜態(tài)靈敏度，而動態(tài)靈敏度則由電刷的質(zhì)量或轉(zhuǎn)動慣量決定，變阻器的躍變特性如圖21（b）所示。圖21 變阻器原理及其特性需要注意的是，使用滑線變阻器進(jìn)行位移檢測時，電刷滑動時會產(chǎn)生動態(tài)接觸電阻，接觸電阻阻值一般不確定，這會對檢測精度產(chǎn)生難以忽略的影響。為改善以上兩個問題，工業(yè)中通常使用直線導(dǎo)電塑料作為變阻器材料，消除了階躍誤差效應(yīng)，將變阻器和電刷施加一定的預(yù)緊力裝配成一個部件，外加金屬封裝，形成如圖22所示的電阻尺，又稱為導(dǎo)電塑料電位計或電壓分配計等。圖22 電阻尺二、感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器是利用電磁原理將位移轉(zhuǎn)換成電信號的一種裝置。根據(jù)用途可將感應(yīng)同步器分為直線式和旋轉(zhuǎn)式兩種，分別用于檢測線位移和角位移。在高精度數(shù)字顯示系統(tǒng)或數(shù)控閉環(huán)系統(tǒng)中，圓盤式感應(yīng)同步器用以檢測角位移信號，直線式感應(yīng)同步器用以檢測線位移信號。圖25所示為感應(yīng)同步器在機(jī)床定位中的應(yīng)用示例。圖25 感應(yīng)同步器如圖26所示為感應(yīng)同步器原理，感應(yīng)同步器由兩個磁耦合部件組成，其工作原理類似于一個多極對的正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器。圖26 感應(yīng)同步器原理如圖28所示，脈沖發(fā)生器發(fā)出頻率一定的脈沖系列，輸出參考信號方波和指令信號方波，指令信號方波使勵磁供電線路產(chǎn)生振幅頻率相同而相位差為90176。的正弦信號電壓和余弦信號電壓，供給感應(yīng)同步器滑尺或者定尺繞組。在定尺上產(chǎn)生感生電動勢，經(jīng)過放大整形后的信號同樣為方波信號，反饋至鑒相器與參考信號進(jìn)行比較。鑒相器輸出是感應(yīng)電動勢與參考信號的相位差，即對應(yīng)的位移值。圖28 感應(yīng)同步器的鑒相控制示例三、磁柵尺與錄音技術(shù)相似，通過記錄磁頭在磁性尺（或盤）上錄制出間隔嚴(yán)格相等的磁波，稱為磁柵。磁柵的一個重要特點是磁柵尺與磁頭處于接觸式的工作狀態(tài)。磁柵的工作原理是磁電轉(zhuǎn)換，為保證磁頭有穩(wěn)定的輸出信號幅度，考慮到空氣的磁阻很大，磁柵尺與磁頭之間不允許存在較大和可變的間隙，最好是接觸式的。因此，帶型磁柵在工作時磁頭是壓在磁帶上的，這樣即使帶面有些不平整，磁頭與磁帶也能良好的接觸。 mm的間隙，由于裝配和調(diào)整不可能達(dá)到理想狀態(tài)，故實際上線型磁柵也處于準(zhǔn)接觸式的工作狀態(tài)。 圖29 磁柵尺四、光電編碼器增量式光電編碼器由光柵盤（碼盤）和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個長方形孔。由于光電編碼盤自身有旋轉(zhuǎn)軸，當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時，經(jīng)光電二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號，通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數(shù)就能反映編碼器軸的轉(zhuǎn)速或者加速度。光電編碼器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖212所示。為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤提供相位差90176。的兩組透光孔，組成辨向系統(tǒng)，通過電路判斷正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，在一般的光電編碼系統(tǒng)中，這兩組編碼稱為A、B相，如圖213外圈和中圈虛線所示。另外，為了實現(xiàn)定位，增加了Z相作為基準(zhǔn)，由Z相發(fā)出零位脈沖，作為轉(zhuǎn)動的起始點，如圖213內(nèi)圈虛線所示。圖212 光電編碼器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖213 A、B、Z三相光電編碼盤除了增量式光電編碼器之外，還有一種絕對式光電編碼器，其原理如圖214所示。圖214 絕對式光電編碼器原理任務(wù)二 直線型光柵位移傳感器的應(yīng)用一、光柵尺光柵是一種在基體上刻制有等間距均勻分布條紋的光學(xué)元件，用于位移檢測的光柵稱為計量光柵。光柵尺外形如圖216所示，圖216 光柵尺透射光柵的光路如圖2 17所示，從上向下透過兩個光柵在光電傳感器上產(chǎn)生莫爾條紋，通過光電傳感器的明暗變化次數(shù)實現(xiàn)檢測。圖217 透射光柵的光路1. 光柵檢測原理莫爾條紋有如下重要特性。（1）莫爾條紋由光柵的大量刻線共同形成，對線紋的刻畫誤差有平均抵消作用，能在很大程度