1、2、容柵傳感器應運詳細介紹(Capacitive)1、容柵位移傳感器工作原理以電容器為敏感元件，將機械位移量轉換為電容量變化，可進行位移的測量。平行板電容器的電容與極板面積成正比，與極板間距成反比。由一個固定極板和一個可移動極板，可以組成變面積式電容傳感器。改變兩極板的對應面積，傳感器的電容隨之變化。容柵位移傳感器是基于變面積工作原理的電容傳感器，其電極的排列如同柵狀，相當于多個變面積型電容傳感器的并聯。容柵結構如圖2.2.1所示，定極板為兩組等間隔交叉的極柵，動極板的極距相同且柵寬相同。動極板相對定極板移動時，機械位移量轉變為電容值的變化，通過電路轉化得到電信號的相應變化量。物理實驗中使用的

2、一種電子數顯尺，就是采用如圖2.2.2所示的多級片型容柵作為傳感器，動尺的多組柵片并聯是為了提高測量精度及降低對傳感器制造精度的要求。動極板在移動的過程中，始終與不同的小電極組成差動電容器。動尺相對于定尺移動時，電容周期變化，產生的脈沖信號通過電路轉化放大及芯片計算得到位移值的變化，并顯示出來。郵斤口口USZEWT廣I熟出圖L2.2多域片容（I結住輻樹呻意栩皿容柵傳感器是一種新型位移數字式傳感器，它是一種基于變面積工作原理的電容傳感器。因為它的電極排列如同柵狀，故稱此類傳感器為容柵傳感器。與其他大位移傳感器，如光柵、磁柵等相比，雖然準確度稍差，但體積小、造價低、耗電省和環境使用性強，廣泛應用于

3、電子數顯卡尺、千分尺、高度儀、坐標儀和機床行程的測量中。結構及工作原理根據結構形式，容柵傳感器可分為三類，即直線容柵、圓容柵和圓筒容柵。其中，直線容柵和圓筒容柵用于直線位移的測量，圓容柵用于角位移的測量，型線型容柵傳感器結構簡圖圖11-23所示。TIr日kIMl.q225diijTi270伽峋it。血2345*7m+彳=#£苛«|«策L，*，5機圖11-23直戲型容柵傳感器靖料筒圖a）定尺、動尺上的電椎b）定尺.劫尺的仲置關系c）發射電槌祐反村電橫的相吒發畚I-度射電檻3-解蔽電椎3-接收電概4一發射電概容柵傳感器由動尺和定尺組成，兩者保持很小的間隙a,如圖ii-

4、23b所示。動尺上有多個發射電極和一個長條形接收電極；定尺上有多個相互絕緣的反射電極和一個屏蔽電極（接地）。一組發射電極的長度為一個節距W,一個反射電極對應于一組發射電極。在圖11-23中，若發射電極有48個，分成6組，則每組有8個發射電極。每隔8個接在一起，組成一個激勵相，在每組相同序號的發射電極上加一個幅值、頻率和相位相同的激勵信號，相鄰序號電極上激勵信號的相位差是45。（360。/8設第一組序號為1的發射電極上加一個相位為0。的激勵信號，序號為2的發射電極上的激勵信號相位則為45。，以次類推，則序號為8的發射電極上的激勵信號相位就為315。；而第二組序號為9的發射電極上的激勵信號相位與第

5、一組序號為1的相位相同，也為0°,以次類推，直到第6組的序號48為止。發射電極與反射電極、反射電極與接收電極之間存在著電場。由于反射電極的電容耦合和電荷傳遞作用，使得接收電極上的輸出信號隨發射電極與反射電極的位置變化而變化。當動尺向右移動x距離時，發射電極與反射電極間的相對面積發生變化，反射電極上的電何量發生變化，并將電何感應到接收電極上，在接收電極上累積的電何Q與位移量x成正比。經運算器處理后進行公/英制轉換和BCD碼轉換，再由譯碼器將BCD碼轉變成七段碼，送顯示驅動單元，容柵測量轉換電路框圖如圖11-24所示。容傳略郡ARHHN用和甫It迅D器EB11-24容柵漏31轉換電捋椎圖

6、一般用于數顯卡尺的容柵的節距W=0.635mm（25毫英寸），最小分辨力為0.01mm,非線性誤差小于0.01mm，在150mm范圍內的總測量誤差為0.020.03mm。直線容柵傳感器還有一種梳狀結構，能接近衍射光柵和激光干涉儀的測量準確度，但造價遠比它們低。2.1容柵傳感器在數顯尺中的應用普通測量工具，如游標卡尺、千分尺等在讀數時存在視差。隨著容柵技術在測量工具中的應用及性能/價格比的不斷提高，數顯卡尺、千分尺應運而生，并在生產中越來越多地替代了傳統卡尺。圖11-25所示。RS11-25故XL尺示意圖S申行榛Fl6電池蠢7址位描鈕司一公/黃制轉楝抵鈕在圖11-25中，容柵定尺安裝在尺身上，動

7、尺與測量轉換電路（專用IC）安裝在游標上，分辨力為0.01mm，重復準確度0.02mm。當若干分鐘不移動動尺時，自動斷電，因此1.5V氧化銀扣式電池可使用一年以上。通過復位按鈕可在任意位置置零，消除累積誤差；通過公/英制轉換鈕實現公/英制轉換；通過串行接口可與計算機或打印機相，經軟件處理，可對測量數據進行統計處理。除此以外，直線容柵還可配以單片機為處理核心的測量電路，應用于數顯測高儀中，測量范圍可達1m以上，分辨力可達0.005mm。數顯千分尺圖11-26所示，它的分辨力為0.001mm，重復準確度為0.00mm,累積誤差為0.00mm。數顯千分尺采用的是圓容柵。圓容柵由旋轉容柵和固定容柵組成

8、，圓容柵示意圖圖11-27所示。11-26數HF分尺示意圖圖11；容概示意圖a) 旋轉容柵b)固定容柵b) 1屏蔽電極2反射電極3發射電極4接收電極旋轉容柵上面有5塊獨立的、互相隔離且均勻分布的金屬導片，相當于反射電極，其余部分的金屬連成一片并接地，相當于屏蔽電極。固定容柵的外圓均勻分布著40條金屬導片，共分成8組，每組5條導片，每隔4條連成一組，形成發射電極。這5組導片分別接到5個引出端子，由5個依次相移72(360(/5)的方波進行激勵。固定容柵的中間有兩金屬環與發射電極相對應，一個金屬環作為接收電極，另一個最里圈的金屬環接地，也相當于屏蔽電極。使用數顯千分尺時，固定容柵不動，安裝在尺身上

9、，旋轉容柵隨螺桿旋轉，發射電極與反射電極的相對面積發生變化，反射電極上的電荷也隨之發生變化，并感應到接收電極上。接收電極上的電荷量與角位移存在一定的比例關系，并間接反映了螺桿的直線位移。接收電極上的電荷量經信號調整電路(專用IC)處理后，由顯示器顯示出位移量。3、直線型容柵傳感器專項容柵傳感器是一種基于變面積工作原理，可測量大位移的電容式數字傳感器。它與其它數字式位移傳感器，如光柵、感應同步器等相比，具有體積小、結構簡單、分辨率和準確度高、測量速度快、功耗小、成本低、對使用環境要求不高等突出的特點，因此在電子測量技術中占有十分重要的地位。本系統中主要是對直線位移的測量，所以采用直線型容柵傳感器

10、。容柵傳感器的結構阿類似于平行板電容器，它是由一組排列成柵狀結構的平行板電容器并聯而成的，如果把隨時間變化的周期信號，通過電子電路的控制，在問一瞬間以不問的相位分布，分別加載于順序排列的柵狀電容器各個柵極上，則在另一公共極板上，任一瞬間產生的感應信號將與該瞬間加載的激勵信號具有相同的相位分布。上上Il±Ji上上上-匕-容柵傳感器動柵、定柵各極板之間形成的電容的等效電路，設C1(x),C2(x),C3(x)C8(x)為動柵上48塊極板與定柵上相應極板所構成的電容量，它是位移x的函數，假設小發射極板與反射極板完全覆蓋時兩者之間的電容為C0,每一塊小發射極板的寬度為w,當0Vx<w時

11、，C8(x)=C0(x)/w,C1(x)=C2(x)=C3(x)=C0,C4(x)=C0(1-x/w),c5(x)=c6(x)=c7(x)=0。由此可以得出整個量程中兩極板之間的電容量隨位移x的變化規律。在x為任何值時，動柵上的48塊極板中總有一部分與地"屏蔽板)形成電容，相應的輸入信號源直接接入地”，對傳感器的輸出信號不產生影響，可是為了導出力(x)(力族)專感器的輸出信號相對于某一驅動信號的相位移)隨位移量x連續變化的統一公式，在推導中不考慮這些極板對地”形成電容，而仍把它們看作對定柵板形成電容，只不過此時它們的電容量為零而已。由于這些電容量為零，則其阻抗為無窮大。相應的信號源全

12、部落在這些電容上，同樣，對傳感器的輸出信號無影響。如果給容柵傳感器每組發射極板上所加的發射電壓V1V8為8路頻率、幅值相同而相鄰小極板間相位相差為兀/4的正弦交變電壓，貝U在發射極上有電壓Vf,在接收極上有電壓Vr。應用交流電路理論及基爾霍夫電流定律，解讀圖l的等效電路，如下：如果用Vo表示各發射極電壓的幅值，并取8路信號中的第1路信號的相位為參考值，則有：其中S為V1的相角。將上述各量及Ci(x)(i=1,2,，8)代入以上兩式，即得可見，容柵傳感器的輸出電壓是一頻率與發射電壓相同的正弦電壓，其幅值在很小范圍內變化，可近似看作一常數，而相位比V1超前了兀/4+力(x)相位移力(x)可采用鑒相型測量電路測出，即可得到相對位移x,可見容柵傳感器是一種相位跟蹤型的位移傳感器，這種傳