lil ht1G1111411 指示光 H/h 图2-7长光帮的结构原理 图28莫尔条纹 光栅的主尺通常安装在执行机构上。当主尺左右移动时，莫尔条纹则上下移动。用光敏 元件检测明、暗条纹，输出二进制代码，使测量结果数字化，明暗条纹的移动方向和主尺位 移方向有确切的对应关系，所以辨向也十分容易。 莫尔条纹具有以下的特性。 ①用平行光照射光栅时，莫尔条纹问的光强近似正弦分布 ②光放大作用。 ③平均效应莫尔条纹是由若干光栅线纹形成的，个别栅线的间里误差就平均化了， 莫尔条纹的节距误差取决于光橱刻线的平均误差， ④莫尔条纹的移动与两光栅尺之间的相对移动相对应，即两光栅尺相对移动一个桶距 W,莫尔条纹移动 一个节距B。莫尔条纹的移动方向与光帮尺移动方向相互垂直。 2.2.4光电编码器 码盎式角位移传感器是一种检测轴角位移的直接方法，分绝对式编码盘和增量式编码盘 两种。绝对式编码盘能够直接给出对应于每个转角位置的二进制数码，便于计算机处理。增 量式编码器结构简单、价格低、精度易于保证。因此目前使用广泛。 (1)纶对式绵码器 4位绝对式编码器的码盘如图2-9所示。码盘的圆周上刻有4条码道，代表4位二进制 数码的2=16种连续取值。假定处于圆周最外围的码道代表数码的最低位，离圆心最近的 码道代表数码的最高位。码盘上的黑色部分做遮光处理，用来表示高电平“1”白色部分做 光敏器件 盘 图2-94位绝对式编码器的码盘 图2104位葛莱码盘示意 12
透明处理，表示低电平“0”。若编码盘有4个码道，则从里到外各码道依次对应为2、2 2、2°。16个扇区分别对应二进制的0000、0001、.、1111。如果每个码道配置一个光电 转换器，隔着码盘从后侧用光源，如发光二极管照射，则光电转换器可读取代表圆盘位置的 二进制数。此种编码盘的编码方式使码值不止1位发生变化，可能由各种不精确因素而导致 出现读数失误，并且无法验证。因此在码盘设计中，通过采用新的编码技术（如葛菜码）编 制码盘，如图210所示。可将错码局限在只有一位上。表2-1给出了4位二进制码与葛莱码 的对照关系 表214位二进制码与葛莱码的对聚关系 十进制数 二进制码 幕菜码 小进制数 二进制码葛莱码 0000 0000 8 1000 1100 000 000】 1001 1101 0010 0011 10 1010 111 o01 0101 7 0110 010 7 0111 0100 15 1111 1000 绝对式编码器的码盘可以划分多个码道，最多可做成20码道，对应的最小角度值 为1.24 绝对式编码器采用光码盘的最大特点是非接触式的，因此它的使用寿命长，可靠性高， 其精度和分辨率取决于光码盘的精度和分辨率。光电码盘的缺点是结构较为复杂，光源寿命 较短 (2)增量式编码器 增量式光电编码器通过对产生的方波脉冲进行计数来检测旋转角。其结构和工作原理如 图2-11所示。 增量式光电编码器有A相、B相、Z相三条光栅。A相与B相差90°（互相垂直），利 用B相的上升沿触发器检测A相状态，以此判断旋转方问。Z相是原点信号。增量式光电 编码器只需2个光电转换元件，简化结构，但需外加硬件计数器将增量值变为绝对值。 增量式光电第码器是非接触式的，有寿命长、功耗低和耐振动等特点，故广泛应用于角 度、距离、位置、转速等的检测。 2.2.5超声波传感器 超声波传感器实质上是一种可逆的换能器，它将电振满的能量转变为机械振荡，形成超 声被，或者由超声波能量转变为电振荡。超声液传感器分发送器和接受器，他们分别将电能 转化为超声波以及将超声波转化为电能。超声波传感器用超声波来检测距离，其工作原理如 下，由发射器发射超声波，当超声波碰到物体后反射回来，被接收器接收，同时测定超声被 从发射到接受的时间T。因此、测量的距离1，为 L-呀 (2-4) 式中一一超声波速度，m/s: T一一个来回的时间，s。 由于超声波在空气中传播与温度有关。因此口是变化的。另外，超声波的定向性较差， 13
测量精度不高。图212所示为超声波传感器的工作原理。超声被波速与温度之间的关系如 表2-2。 发射超声破 发聚动电路 OǐA8 】反时技 检波电络 A相☐ 发射冲 →时针旋转 w 发射波形 W 一接收凌形 A相，+0 B相L 一密特触发器橡出 一逆时计旋转 一计时计 图211增量式光电编码器结构和工作原理 图2-]2超声波传感器的工作原理 表22波速与温童关系 项月 数据 度/℃ -30 -20 -10 10 20 30 100 液速/m·s1313 319 325 332 338 344 349 386 同超声被传感器类似，激光距离传感器也是利用L一原理工作的。 2.2.6电涡流传感器 电涡流传惑器是建立在电涡流效应原理上的传感器。电涡流传感器具有结构简单、频率 响应宽、灵敏度高、测量线性范围大、抗干扰能力强、体积小等优点。对物体表面为金属导 体的多种物理量可以实现非接触测量， 图213所示为电祸流效应原理。当金属导体置于交变磁场中时，在导体内部将产生感 生电流，这种电流的流线在导体内自行闭合，像流水中的漩涡一样，故称为电涡流。在图 213中，如果线圈中通以交变电流1：，则在线圈的周围产生交变磁场H,当金属导体置于 磁场中时，导体内即感生电涡流。此电涡流也将产生一个磁场：，由于两个磁场的方向 正好相反。因此电涡流产生的磁场H:削弱了原来的磁场，从而导致产生H,磁场的线圈的 阻抗发生变化。这种现象就是所增的电祸流效应 一般地说，传惑器线圈的阻抗变化与被测金属的性质（电导率、导磁率μ等）、传感 器线圈的半径，微励电流的大小与频率如以及传感器线图的自感量L:,电阻慎R和它与 被测金属间的距离x有关。图2-14所示为电祸流效应的等效电路。线圈是一个回路，R为 14
线圈电阻，L1为线圈电感，为激励电流，U1为激励电压；导体中的电涡流构成另外一个 回路，R为回路的电阻，L:为回路的电感，12为感生的电祸流。M为L1和L:相互的互感 量，它是线图和金属导体间距离的函数。根据基尔蛋夫定律，可以列出如下的方程 (RI +jol 1 -joMI =U -jmMI,-Rl2十jal2l2=0 求解方程可得到线圈由于受电涡流效应影响的复阻抗为 (2-5) 图213电祸减效应原理 图214电锅流效应的等效电路 当传感器与被测物体都确定后，线圈阻抗Z只与L1、L、M有关，而L1,L:、M都与 线圈及被测物体之间的距离x有关，即Z=了(x)。当被测物体产生位移时，引起传感器线 圈的阻抗发生变化，从而通过检测线圈的阻抗变化来测 量位移。电涡流传感器的结构如图2-15所示。 电涡流传感器的灵敏度受到下列因素的影响。 ①受被测物体材料特性的影响 被测物体的电导 率越高，灵敏度越高。如果被测物体是磁性材料，涡流 损耗很大而使灵敏度下降。因此在实际的测试中，往往 需要将待测物体的残磁去掉再进行测量 ②受被测物体的形状和大小的影响 一般菽测物图215CFZ3型电涡流传器的结
或电流信号输出。目前电涡流传感器所配用的诺振电路有调幅式、调频式和电桥式3种。现 介绍调频式测量电路。 调颜就是用被测量的变化去改变激励信号的工作频率，使其随被测量的变化而变化。电 涡流的电感线圈作为激励振荡器的一个振荡元件。线圈电感量的变化可以直接使振满器的振 茜频率发生变化，实现频率调制，图2-16为调频式谐振电路的原理框图。此电路的工作原 理是由电祸流传感器的线暨组成振荡器的振荡元件，传感器线阕电感消着传威器与被测物体 间的距离变化而变化，振荡器的振荡频率也因此而改变。从振荡器中输出幅值不变、频率变 化的高颗振荡信号，此信号经高频放大器进行放大，再经过限幅器限定幅度以满足鉴频器的 输入要求鉴频器将频率变化的调频波用候值变化的形式反映出来，即解调低频和功率放 大器将信号放大后驱动显示装置进行显示。图？-17为简单的调频式测量电路。晶体管VT 与电容C、C以及传感器的线圈L、电容C构成电容三点式振满器，振荡频率∫随传感器 电感L(x)的变化而变化。品体管VT:与射极电阻R。等元件构成射极输出器，起阻抗匹配 作用。 图2-16调频式谐发电路的东理框图 L:2.5mH 0i5 VT: VT 2400nl 2k R T0oiμF 1200680_ 图？-1？电湖流传感器调颜式测量电路 2.2.7光纤传感器 光纤传感器是一种新型的光电传感器，具有抗电磁干扰能力强、灵敏度高、响应快、便 于远距离遥测的特点，是一种很有发展前途的传感器。 (1)光纤的基本结构