SN6600數(shù)顯卡尺容柵傳感器

1、1、容柵位移傳感器工作原理以電容器為敏感元件，將機(jī)械位移量轉(zhuǎn)換為電容量變化，可進(jìn)行位移的測(cè)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(gè)固定極板和一個(gè)可移動(dòng)極板， 可以組成變面積式電容傳感器。改變兩極板的對(duì)應(yīng)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(dāng) 于多個(gè)變面積型電容傳感器的并聯(lián)。容柵結(jié)構(gòu)如圖所示，定極板為兩組等間隔交叉的極柵， 動(dòng)極板的極距相同且柵寬相同。 動(dòng)極板相對(duì)于定極板移動(dòng)時(shí)， 機(jī)械位移量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙葜档淖?化，通過(guò)電路轉(zhuǎn)化得到電信號(hào)的相應(yīng)變化量。物理實(shí)驗(yàn)中使用的一種電子數(shù)顯尺，就是采用如圖所示的多級(jí)片型容

2、柵作為傳感器， 動(dòng)尺的多組柵片并聯(lián)是為了提高測(cè)量精度及降低對(duì)傳感器制造精度的要求。 動(dòng)極板在移動(dòng)的 過(guò)程中，始終與不同的小電極組成差動(dòng)電容器。動(dòng)尺相對(duì)于定尺移動(dòng)時(shí)，電容周期變化，產(chǎn) 生的脈沖信號(hào)通過(guò)電路轉(zhuǎn)化放大及芯片計(jì)算得到位移值的變化，并顯示出來(lái)。2、容柵傳感器應(yīng)運(yùn)詳細(xì)介紹(Capacitive)容柵傳感器是一種新型位移數(shù)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(zhǔn)確度稍差，但體積小、造價(jià)低、耗電省和環(huán)境使用性強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于電 子數(shù)顯卡尺、千分尺、高度儀、坐標(biāo)儀和機(jī)床行程的測(cè)量

3、中。結(jié)構(gòu)及工作原理根據(jù)結(jié)構(gòu)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(cè)量， 圓容柵用于角位移的測(cè)量， 直線型容柵傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖圖 11-23 所示。容柵傳感器由動(dòng)尺和定尺組成，兩者保持很小的間隙 ，如圖 11-23b 所示。動(dòng)尺上有多個(gè)發(fā)射電極和一個(gè)長(zhǎng)條形接收電極；定尺上有多個(gè)相互絕緣的反射電極和一個(gè)屏蔽電極接地）。一組發(fā)射電極的長(zhǎng)度為一個(gè)節(jié)距W，一個(gè)反射電極對(duì)應(yīng)于一組發(fā)射電極。 在圖 11-23中，若發(fā)射電極有 48 個(gè)，分成 6 組，則每組有 8 個(gè)發(fā)射電極。每隔 8 個(gè)接在一起，組成一 個(gè)激勵(lì)相， 在每組相同序號(hào)的發(fā)射電極上加一個(gè)幅值

4、、 頻率和相位相同的激勵(lì)信號(hào)， 相鄰序 號(hào)電極上激勵(lì)信號(hào)的相位差是 45（ 360/8 ）。設(shè)第一組序號(hào)為 1 的發(fā)射電極上加一個(gè)相 位為 0的激勵(lì)信號(hào)， 序號(hào)為 2的發(fā)射電極上的激勵(lì)信號(hào)相位則為45，以次類推， 則序號(hào)為 8 的發(fā)射電極上的激勵(lì)信號(hào)相位就為315；而第二組序號(hào)為 9 的發(fā)射電極上的激勵(lì)信號(hào)相位與第一組序號(hào)為 1 的相位相同，也為 0，以次類推，直到第 6組的序號(hào) 48 為止。發(fā)射電極與反射電極、反射電極與接收電極之間存在著電場(chǎng)。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(hào)隨發(fā)射電極與反射電極的位置變化而變化。當(dāng)動(dòng)尺向右移動(dòng) x 距離時(shí)， 發(fā)射電極與反射電極

5、間的相對(duì)面積發(fā)生變化， 反射電極上的 電荷量發(fā)生變化， 并將電荷感應(yīng)到接收電極上， 在接收電極上累積的電荷 Q與位移量 x 成正 比。經(jīng)運(yùn)算器處理后進(jìn)行公 / 英制轉(zhuǎn)換和 BCD碼轉(zhuǎn)換，再由譯碼器將 BCD碼轉(zhuǎn)變成七段碼， 送顯示驅(qū)動(dòng)單元，容柵測(cè)量轉(zhuǎn)換電路框圖如圖 11-24 所示。一般用于數(shù)顯卡尺的容柵的節(jié)距 W=（25 毫英寸），最小分辨力為， 非線性誤差小于，在150mm范圍內(nèi)的總測(cè)量誤差為。 直線容柵傳感器還有一種梳狀結(jié)構(gòu)，能接近衍射光柵和激 光干涉儀的測(cè)量準(zhǔn)確度，但造價(jià)遠(yuǎn)比它們低。容柵傳感器在數(shù)顯尺中的應(yīng)用普通測(cè)量工具， 如游標(biāo)卡尺、 千分尺等在讀數(shù)時(shí)存在視差。 隨著容柵技術(shù)在測(cè)量工

6、具中 的應(yīng)用及性能 / 價(jià)格比的不斷提高，數(shù)顯卡尺、千分尺應(yīng)運(yùn)而生，并在生產(chǎn)中越來(lái)越多地替 代了傳統(tǒng)卡尺。圖 11-25 所示。在圖 11-25 中，容柵定尺安裝在尺身上，動(dòng)尺與測(cè)量轉(zhuǎn)換電路（專用IC）安裝在游標(biāo)上，分辨力為，重復(fù)準(zhǔn)確度。當(dāng)若干分鐘不移動(dòng)動(dòng)尺時(shí)，自動(dòng)斷電，因此氧化銀扣式電池可 使用一年以上。通過(guò)復(fù)位按鈕可在任意位置置零，消除累積誤差；通過(guò)公 / 英制轉(zhuǎn)換鈕實(shí)現(xiàn) 公/ 英制轉(zhuǎn)換；通過(guò)串行接口可與計(jì)算機(jī)或打印機(jī)相，經(jīng)軟件處理，可對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì) 處理。除此以外，直線容柵還可配以單片機(jī)為處理核心的測(cè)量電路，應(yīng)用于數(shù)顯測(cè)高儀中， 測(cè)量范圍可達(dá) 1m 以上，分辨力可達(dá)。11-27 所示

7、。數(shù)顯千分尺圖 11-26 所示，它的分辨力為，重復(fù)準(zhǔn)確度為，累積誤差為。數(shù)顯千分尺采用的是圓容柵。圓容柵由旋轉(zhuǎn)容柵和固定容柵組成，圓容柵示意圖圖a) 旋轉(zhuǎn)容柵 b )固定容柵b) 1屏蔽電極 2 反射電極 3 發(fā)射電極 4 接收電極旋轉(zhuǎn)容柵上面有 5 塊獨(dú)立的、 互相隔離且均勻分布的金屬導(dǎo)片， 相當(dāng)于反射電極， 其余 部分的金屬連成一片并接地， 相當(dāng)于屏蔽電極。 固定容柵的外圓均勻分布著 40 條金屬導(dǎo)片， 共分成 8 組，每組 5 條導(dǎo)片，每隔 4 條連成一組，形成發(fā)射電極。這 5 組導(dǎo)片分別接到 5 個(gè)引出端子，由 5 個(gè)依次相移 72( ( 360(/5 )的方波進(jìn)行激勵(lì)。固定容柵的中

8、間有兩金屬環(huán) 與發(fā)射電極相對(duì)應(yīng)， 一個(gè)金屬環(huán)作為接收電極， 另一個(gè)最里圈的金屬環(huán)接地， 也相當(dāng)于屏蔽 電極。使用數(shù)顯千分尺時(shí)， 固定容柵不動(dòng)， 安裝在尺身上，旋轉(zhuǎn)容柵隨螺桿旋轉(zhuǎn)， 發(fā)射電極與反射電極的相對(duì)面積發(fā)生變化，反射電極上的電荷也隨之發(fā)生變化，并感應(yīng)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(guān)系， 并間接反映了螺桿的直線位移。 接收電 極上的電荷量經(jīng)信號(hào)調(diào)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(xiàng)容柵傳感器是一種基于變面積工作原理，可測(cè)量大位移的電容式數(shù)字傳感器。它與其它數(shù)字式位移傳感器，如光柵、感應(yīng)同步器等相比，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分辨

9、率和準(zhǔn)確度高、測(cè)量速度快、功耗小、成本低、對(duì)使用環(huán)境要求不高等突出的特點(diǎn)，因此在電子測(cè)量 技術(shù)中占有十分重要的地位。本系統(tǒng)中主要是對(duì)直線位移的測(cè)量，所以采用直線型容柵傳感器。容柵傳感器的結(jié)構(gòu) 非常類似于平行板電容器， 它是由一組排列成柵狀結(jié)構(gòu)的平行板電容器并聯(lián)而成的， 如果把 隨時(shí)間變化的周期信號(hào)， 通過(guò)電子電路的控制， 在同一瞬間以不同的相位分布， 分別加載于 順序排列的柵狀電容器各個(gè)柵極上， 則在另一公共極板上， 任一瞬間產(chǎn)生的感應(yīng)信號(hào)將與該瞬間加載的激勵(lì)信號(hào)具有相同的相位分布。容柵傳感器動(dòng)?xùn)拧?定柵各極板之間形成的電容的等效電路， 設(shè) C1(x) ，C2(x) ，C3(x) C8(x)

10、為動(dòng)?xùn)派?48 塊極板與定柵上相應(yīng)極板所構(gòu)成的電容量，它是位移 x 的函數(shù)，假設(shè)小發(fā)射極板與反射極板完全覆蓋時(shí)兩者之間的電容為C0，每一塊小發(fā)射極板的寬度為 w，當(dāng) 0xw時(shí)，C 8(x)=C 0(x)/w ，C 1(x)=C 2(x)=C 3(x)=C 0，C 4(x)=C 0(1-x/w) ，c5(x)=c6(x)=c7(x)=0 。 由此可以得出整個(gè)量程中兩極板之間的電容量隨位移 x 的變化規(guī)律。在 x 為任何值時(shí)， 動(dòng)?xùn)派系?48 塊極板中總有一部分與“地” ( 屏蔽板 ) 形成電容， 相應(yīng) 的輸入信號(hào)源直接接入“地”， 對(duì)傳感器的輸出信號(hào)不產(chǎn)生影響， 可是為了導(dǎo)出 (x)( (x)為

11、傳感器的輸出信號(hào)相對(duì)于某一驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位移 )隨位移量 x 連續(xù)變化的統(tǒng)一公式，在推導(dǎo)中不考慮這些極板對(duì)“地” 形成電容，而仍把它們看作對(duì)定柵板形成電容，只不過(guò)此時(shí) 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(wú)窮大。 相應(yīng)的信號(hào)源全部落在 這些電容上，同樣，對(duì)傳感器的輸出信號(hào)無(wú)影響。如果給容柵傳感器每組發(fā)射極板上所加的發(fā)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 /4 的正弦交變電壓，則在發(fā)射極上有電壓Vf ，在接收極上有電壓Vr。應(yīng)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(fā)射極電壓的幅值，并取 8 路信號(hào)中的第 1 路信號(hào)的相位為參考值， 則有：其中 0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(jiàn)，容柵傳感器的輸出電壓是一頻率與發(fā)射電壓相同的正弦電壓，其幅值在很小范 圍內(nèi)變化，可近似看作一常數(shù)，而相位比 V1超前了 /4+(x) 。相位移 (x) 可采用鑒相 型測(cè)量電路測(cè)出，即可得到相對(duì)位移x ，可見(jiàn)容柵傳感器是一種相位跟蹤型的位移傳感器，這種傳感器對(duì)輸入信號(hào)的幅值變化不敏感