容栅传感器的测量电路.PPT

5.5.2 莫尔条纹的形成原理与特点 　　1. 莫尔条纹的形成原理 　　按照光学原理，对于栅距远大于光波长的粗光栅，可以利用几何光学的遮光原理来解释莫尔条纹的形成。如图5-9所示， 当两个有相同栅距的光栅合在一起， 其栅线之间倾斜一个很小的夹角θ，于是在近乎垂直于栅线的方向上出现了明暗相间的条纹。 例如在h-h线上， 两个光栅的栅线彼此重合，从缝隙中通过光的一半， 透光面积最大，形成条纹的亮带；在g-g线上， 两光栅的栅线彼此错开， 形成条纹的暗带； 当a=b= W/2时， g-g线上是全黑的。 图5-9 莫尔条纹原理 （a） 莫尔条纹的形成； （b） 莫尔条纹的宽度 　　2. 莫尔条纹的宽度 　　横向莫尔条纹的宽度B与栅距W和倾斜角θ之间的关系， 可由图5-9（b）求出（当θ角很小时）： （5-5） 　　3. 莫尔条纹的特点 　　式（5-5）说明莫尔条纹具有以下特点： 　（1） 对位移的光学放大作用：即把极细微的栅线放大为很宽的条纹，便于测试。例如θ=10′，则　　　　， 若W=0.01 mm,则B=3.34 mm。  　（2） 连续变倍的作用： 其放大倍数可通过使θ角连续变化， 从而获得任意粗细的莫尔条纹。 　　（3） 对光栅刻线的误差均衡作用： 光栅的刻线误差是不可避免的。 由于莫尔条纹是由大量栅线共同组成的， 光电元件感受的光通量是其视场覆盖的所有光栅光通量的总和， 具有对光栅的刻线误差的平均效应， 从而能消除短周期的误差。 例如对50线/mm的光栅（W=0.02 mm），用5 mm×5 mm的光电池接收， 光电池视场内覆盖250条栅线。 若每条刻线误差为δ0=±0.001 mm，则平均误差　　　　　　　　　　。 　　4. 莫尔条纹的移动方向 　　当主光栅沿栅线垂直方向移动时， 莫尔条纹沿着夹角θ平分线（近似平行于栅线）方向移动。 莫尔条纹移动时的方向和光栅夹角的关系见表5-1。 表5-1 莫尔条纹和光栅移动方向与夹角转向之间的关系 　　5. 莫尔条纹测量位移的原理 　　光栅每移过一个栅距W，莫尔条纹就移过一个间距B。通过测量莫尔条纹移过的数目，即可得出光栅的位移量。  　　由于光栅的遮光作用， 透过光栅的光强随莫尔条纹的移动而变化， 变化规律接近于一直流信号和一交流信号的叠加。 固定在指示光栅一侧的光电转换元件的输出，可以用光栅位移量x的正弦函数表示， 如图5-10所示。只要测量波形变化的周期数N（等于莫尔条纹移动数）就可知道光栅的位移量x，其数学表达式为 x=N·W 图5-10 光电元件输出与光栅位移的关系 5.6 容 栅 传 感 器 5.6.1 容栅传感器的结构及工作原理 　　根据结构形式，容栅传感器可分为三类， 即直线型容栅传感器、圆型容栅传感器和圆筒型容栅传感器。 其中， 直线型和圆筒型容栅传感器用于直线位移的测量， 圆型容栅传感器用于角位移的测量， 图5-11为直线型容栅传感器的结构简图。 图5-11 直线型容栅传感器的结构简图 （a） 定尺、 动尺上的电极； （b） 定尺、 动尺的位置关系；  （c） 发射电极和反射电极的相互关系 * 第5章 频率式和数字式传感器 * 第5章 用Windows 2000组建和配置B/S网络 第5章 频率式和数字式传感器 5.1 振弦式频率传感器 5.2 数字编码器 5.3 感应同步器 5.4 磁栅传感器 5.5 光栅传感器 5.6 容栅传感器 5.7 球同步器(球栅) 5.1 振弦式频率传感器 5.1.1 振弦式频率传感器的结构原理 　　振弦式传感器是以被拉紧了的细弦作为敏感元件， 其结构如图5－1所示。 当一根工作长度为l， 工作段质量为m的细弦， 一端固定，另一端施加一个初始张力F时， 弦的横向振动的固有频率f可由下式计算： （5-1） 式（5-1）说明，当m、l不变，张力F变化ΔF时，弦的自振频率也有一个变化Δf。这里的ΔF是由压力p经膜盒产生的，测出这个频率变化，便可得压力p。根据力与应力、应变的关系， 通过测量弦的自振频率也可以测量应力与应变。 图5-1 振弦式传感器原理及间歇激励方式图 （a） 自激式； （b） 他激式； （c） 激励与输出波形 5.1.2 频率测量方案 　　1. 激励方式 　　1） 间歇激励方式 　　振弦的间歇激励有自激式和他激式两种方式。  　　（1） 图5-1（a）为自激式： 在弦的两侧放一永久磁铁， 工作时， 弦中通以脉冲电流， 脉冲电流受磁场作用使弦起振。 起振后， 弦作为导体在磁场中运动， 感应出交变电动势， 通过测量感应电动势的频率， 即为振弦的自由振动频率。 　　（2） 图5-1（b）为他激式： 在弦的两侧分别放一个激励线圈和测量线圈。激励线圈绕在