第7章开关量和数字量的测量

干簧继电器
图7.5 干簧继电器 1-外壳 2-驱动线圈 3-干簧管 4-引脚 5-玻壳 6-磁性簧片
7.1.5 霍尔接近开关应用实例
图7.6 霍尔接近开关应用示意图 a）外形 b）接近式 c）滑过式 d）分流翼片式 1-运动部件 2-软铁分流翼片
7.1.6 光电开关及光电断续器
光电开关与光电断续器都是用来检测物体的靠近、通过 等状态的光电传感器。近年来，随着生产自动化、机电一体 化的发展，光电开关及光电断续器已发展成系列产品，其品 种及规格日增，用户可根据生产需要，选用适当规格的产品， 而不必自行设计光路和电路。 从原理上讲，光电开关及光电断续器没有太大的差别， 都是由红外线发射元件与光敏接收元件组成，只是光电断续 器是整体结构，其检测距离只有几毫米至几十毫米，而光电 开关的检测距离可达几米至几十米。
接近开关的主要性能指标
（1）额定动作距离 在规定的条件下所测定到的接近开关的动作 距离（单位为mm）。 （2）工作距离 接近开关在实际使用中被设定的安装距离。在此 距离内，接近开关不应受温度变化、电源波动等外界干扰而产 生误动作。 （3）动作滞差 指动作距离与复位距离之差的绝对值。滞差大， 对外界的干扰以及被测物的抖动等的抗于扰能力就强。 （4）重复定位精度 它表征多次测量动作距离。其数值的离散性 的大小一般为动作距离的1％～5％。离散性越小，重复定位精 度越高。 （5）动作频率 指每秒连续不断地进入接近开关的动作距离后又 离开的被测物个数或次数。
图7.15 计量光栅的分类示意图 1-光源 2-透镜 3-指示光栅 4-标尺光栅 5-光敏元件
图7.16 直线光栅外观及内部结构剖面示意图 1-铝合金外壳尺身 2-读数头 3-电缆 4-带聚光镜的LED 5-标尺光栅 6-指示光栅 7-装有光敏元件的游标 8-密封唇 9-信号处理电路
2. 光栅的工作原理
增量式光电码盘结构
图7.13 增量式光电码盘结构示意图 1-转轴 2-发光二极管 3-光栏板 4-零位标志槽 5-光敏元件 6-码盘 7-电源及信号线连接座
光电编码器
为了判断码盘旋转的方向，必须在光栏板上设置两个狭缝，其 距离是码盘上的两个狭缝距离的（m＋l／4）倍，m为正整数，并 设置了两组对应的光敏元件，如图7.13中的A、B光敏元件，有时 也称为cos、sin元件。光电编码器的输出波形如图7.14所示。 为了得到码盘转动的绝对位置，还须设置一个基准点，如图 7.13中的“零位标志槽”。码盘每转一圈，零位标志槽对应的光 敏元件产生一个脉冲，称为“一转脉冲”，见图7.14中的C0脉冲。 7.14 C
W W L= ≈ sin θ θ
பைடு நூலகம்
莫尔条纹特征
（4）莫尔条纹移过的条纹数 与光栅移过的刻线数相等。 例如，采用100线/mm光栅时， 若光栅移动了x（也就是移过 了100x条光栅刻线），则从 光电元件面前掠过的莫尔条 纹也是100x条。由于莫尔条 纹比栅距宽得多，所以能够 被光敏元件所识别。将此莫 尔条纹产生的电脉冲信号计 数，就可知道移动的实际距 图7.18 光栅位移与光强及输出电压的关系 离了。
1 光电开关的结构和分类 反射型分为：反射镜反射型；被测物漫反射型（简称 散射型） 散射型安装最为方便，只要不是全黑的物体均能产生 漫反射。散射型光电开关的检测距离与被测物的黑度有关， 一般较小，只有几百毫米。用户可根据实际需要决定所采 用的光电开关的类型。
光电开关类型及应用
图7.7 光电开关类型及应用 1-发射器 2-接收器 3-被测物 4-反射镜
在透射式直线光栅中，把主光栅与指示光栅的刻线面相对叠合在一 起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线保持很小的夹角。在两光栅 的刻线重合处，光从缝隙透过，形成亮带，如图7.17中a-a线所示；在两 光栅刻线的错开处，由于相互挡光作用而形成暗带，如图7.17中b-b线所 示。 这种亮带和暗带形成明暗相间的条纹称为莫尔条纹，条纹方向与刻 线方向近似垂直。通常在光栅的适当位置（如图7.17中的sin或cos位置） 安装两只光敏元件（有时为4只）。 当指示光栅沿x轴自左向右移动时，莫尔条纹的亮带和暗带（图7.17 中的a-a线和b-b线）将顺序自下而上（图中的y方向）不断地掠过光敏元 件。光敏元件“观察”到莫尔条纹的光强变化近似于正弦波变化。光栅 移动一个栅距W，光强变化一个周期，光栅位移与光强及输出电压的关 系如图7.18所示。
7.2.1. 旋转编码器
旋转编码器又称码盘或角编码器，是一种旋转式角度测 量传感器，它与被测旋转轴连接，随之转动，如图7.10，将 被测轴旋转的角位移转换为二进制编码或一串脉冲。角编码 器有两种基本类型：绝对式编码器和增量式编码器。根据内 部结构和检测方式的不同，旋转编码器有接触式、光电式、 磁阻式等形式。
接触式编码器
图7.11 接触式编码器 1-码盘 2-转轴 3-导电体 4-绝缘体 5-电刷 6-公用轨道（电源正极）
接触式编码器
由于码盘是与被测转轴连在一起的，而电刷位置是固定的，当码盘 随被测轴一起转动时，电刷和码盘的位置就发生相对变化。若电刷接触 到导电区域，则该回路中的取样电阻上有电流流过，产生压降，输出为 “1”；反之，若电刷接触的是绝缘区域，输出为“0”，由此可根据电刷 的位置得到由“1”、“0”组成的4位二进制码。例如，在图7.11b中可以 看到，此时的输出为0101。 从以上分析可知，码道的圈数（不包括最里面的公用轨道）就是二 进制的位数，且高位在内、低位在外。由此可以推断出，若是n位二进制 码盘，就有n圈码道，且圆周被均分为2n个数据，来分别表示其不同位置， 所能分辨的角度α（即分辨力）为 α = 360°，分辨率为1 / 2n。 / 2n
f） 图7.1 接近开关的几种结构形式 a）圆柱形 b）平面安装型 c）方形 d）槽形 e）贯穿型 f）外形
7.1.1 接近开关的规格及接线方式
图7.2 接近开关的一种典型三线制接线方式及特性
7.1.2 电感接近开关应用实例
7.1.3 电容接近开关
1.电容接近开关的结构及工作原理
电容接近开关的核心是以电容极板作为检测端的LC振荡器，圆柱形 电容接近开关的结构及原理框图如图7.4所示。两块检测极板设置在接近 开关的最前端，测量转换电路安装在接近开关壳体内，并用介质损耗很 小的环氧树脂充填、灌封。 当没有物体靠近检测极板时，检测上、下极板之间的电容量C非常小， 它与电感（在测量转换电路板3中）构成高品质因数的LC振荡电路， Q=1/ωCR。 当被检测物体为导电体（例如金属、水等）时，检测上、下极板经 过与导电体之间的耦合作用，形成变极距电容C1、C2。LC振荡电路中的 电容C可以看成是C1、C2的串联结果，电容量C比圆柱形电容接近开关未 靠近导电体时增大了许多，引起LC回路的Q值下降，输出电压Uo下降， Q值下降到一定程度时振荡器停振。
图7.17 等栅距黑白透射光栅形成的莫尔条纹（θ≠0）
莫尔条纹特征 （1）莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成的，对光栅的 刻画误差有平均作用，从而能在很大程度上消除光栅刻线 不均匀引起的误差。 （2）当指示光栅沿与栅线垂直的方向作相对移动时，莫尔 条纹则沿光栅刻线方向移动（两者的运动方向相互垂直）； 指示光栅反向移动，莫尔条纹反向移动。 （3）莫尔条纹的间距是放大了的光栅栅距，它随着指示光 栅与主光栅刻线夹角而改变。由于θ很小，所以其关系可 用下式表示：
2. 光电断续器 光电断续器的工作原理 与光电开关相同，但其光电 发射、接收器做在体积很小 的同一塑料壳体中，所以两 者能可靠地对准，为安装和 使用提供了方便，它也可以 分为遮断型和反射型两种
图7.8 光电断续器 1-发光二极管 2-红外光 3-光敏元件 4-槽 5-被测物 6-透光孔
光电断续器应用实例
2. 电容接近开关应用实例
图7.4 圆柱形电容接近开关的结构及原理框图 1-被测物 2-检测上极板 3-检测下极板 4-充填树脂 5-测量转换电路板 6-塑料外壳 7-灵敏度调节电位器 8-工作指示灯 9-三线电缆
7.1.4 磁性干簧管接近开关应用实例
干簧继电器中的干簧管接近开关其实是一种十 分简单的传感器，它与一块磁铁就可以组成接近开 关。它在水位控制、电梯“平层”控制、防盗报警 等方面得到应用，其优点是体积较小，触点可靠性 较高，属于“无源”传感器。
7.2.2 光栅传感器
1. 光栅的类型和结构 光栅种类很多，可分为物理光栅和计量光栅。物理光栅 主要是利用光的衍射现象，常用于光谱分析和光波波长测定， 而在检测中常用的是计量光栅。计量光栅主要是利用光的透 射和反射现象，常用于位移测量，有很高的分辨力，可优于 0.1µm。另外，计量光栅的脉冲读数速率可达每毫秒几百次 之高，非常适用于动态测量。
绝对式光电码盘
3. 增量式编码器 增量式光电码盘结构示意图如图7.13所示。光电码盘 与转轴连在一起。码盘可用玻璃材料制成，表面镀上一层 不透光的金属铬，然后在边缘制成向心的透光狭缝。透光 狭缝在码盘圆周上等分，数量从几百条到几千条不等。这 样，整个码盘圆周上就被等分成n个透光的槽。增量式光 电码盘也可用不锈钢薄板制成，然后在圆周边缘切割出均 匀分布的透光槽。
旋转编码器应用
1. 接触式编码器 接触式编码器属于绝对式角度检测装置，是将被测角 度直接进行编码的传感器。如图7.11所示是一个四位二进 制接触式码盘。它在一个不导电基体上做成许多有规律的 导电金属区，其中涂黑部分为导电区，用“1”表示，其他 部分为绝缘区，用“0”表示。码盘分成4个码道，在每个码 道上都有一个电刷，电刷经取样电阻接地，信号从电阻的 “热端”取出。这样，无论码盘处在哪个角度上，该角度 均有4个码道上的“1”和“0”组成的4位二进制编码与之对 应。码盘最里面一圈轨道是公用的，它和各码道所有导电 部分连在一起，接激励电源的正极。
2. 绝对式光电编码器 绝对式光电码盘如图7.12所示。图中的黑白区域不表示 导电区和绝缘区，而是表示透光或不透光区。其中黑的区域 为不透光区，用“0”表示；白的区域为透光区，用“1”表示。 这样，在任意角度都有对应的二进制编码。与接触式编码盘 不同的是，不必在最里面一圈设置公用码道，取代电刷的是 在每一码道上都有一组光电元件。