SN6600數(shù)顯卡尺容柵傳感器

1、SN6600數(shù)顯卡尺容柵傳感器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(zhuǎn)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(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)于多個變面積型電容傳感器的并聯(lián)。容柵結(jié)構(gòu)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。動極板相對于定極板移動時，機械位移量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙葜档淖兓?，通過電路轉(zhuǎn)化得到電信號的相應(yīng)變化量。物理實驗中使用的一種電子數(shù)顯尺，就

2、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(lián)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(chǎn)生的脈沖信號通過電路轉(zhuǎn)化放大及芯片計算得到位移值的變化，并顯示出來。2、容柵傳感器應(yīng)運詳細(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、造價低、耗電省和環(huán)境使用性強，廣泛應(yīng)用于電子數(shù)顯卡尺、千分尺、高度儀、坐

3、標(biāo)儀和機床行程的測量中。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量，圓容柵用于角位移的測量，直線型容柵傳感器結(jié)構(gòu)簡圖圖11-23所示。容柵傳感器由動尺和定尺組成，兩者保持很小的間隙，如圖11-23b所示。動尺上有多個發(fā)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(fā)射電極的長度為一個節(jié)距W，一個反射電極對應(yīng)于一組發(fā)射電極。在圖11-23中，若發(fā)射電極有48個，分成6組，則每組有8個發(fā)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(fā)射電極上加一個幅值、頻率和相位相

4、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(shè)第一組序號為1的發(fā)射電極上加一個相位為0的激勵信號，序號為2的發(fā)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(fā)射電極上的激勵信號相位就為315；而第二組序號為9的發(fā)射電極上的激勵信號相位與第一組序號為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(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。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(fā)射電極與反射電極的位置變化而變化。 當(dāng)動尺向右移動x距離時，發(fā)射電極與反射電極間的相對面積發(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

5、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)運算器處理后進行公/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)動單元，容柵測量轉(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=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(nèi)的總測量誤差為0.020.03mm。 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量準(zhǔn)確度，但造價遠(yuǎn)比它們低。 2.1 容柵傳感器在數(shù)顯尺中的應(yīng)用 普通測量工具，如游標(biāo)卡尺、千分尺等在讀數(shù)時存在視差。隨著容柵技術(shù)在測量工具中的應(yīng)用及性能/價格比的不斷提高，數(shù)

6、顯卡尺、千分尺應(yīng)運而生，并在生產(chǎn)中越來越多地替代了傳統(tǒng)卡尺。圖11-25所示。在圖11-25中，容柵定尺安裝在尺身上，動尺與測量轉(zhuǎn)換電路（專用IC）安裝在游標(biāo)上，分辨力為0.01mm，重復(fù)準(zhǔn)確度0.02mm。當(dāng)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(fù)位按鈕可在任意位置置零，消除累積誤差；通過公/英制轉(zhuǎn)換鈕實現(xiàn)公/英制轉(zhuǎn)換；通過串行接口可與計算機或打印機相，經(jīng)軟件處理，可對測量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)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(yīng)用于數(shù)顯測高儀中，測量范圍可達(dá)1m以上，分辨力可達(dá)0.005mm。 數(shù)顯千分尺圖11-26所示，它的分辨力

7、為0.001mm，重復(fù)準(zhǔn)確度為0.00mm，累積誤差為0.00mm。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11-27所示。 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(huán)與發(fā)射電極相對應(yīng)，一個金屬環(huán)作為接

8、收電極，另一個最里圈的金屬環(huán)接地，也相當(dāng)于屏蔽電極。 使用數(shù)顯千分尺時，固定容柵不動，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(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)簡單、分辨率和準(zhǔn)確度高、測量速度快、功耗小、成本低、對使用環(huán)境要求不高等突出的特點

9、，因此在電子測量技術(shù)中占有十分重要的地位。本系統(tǒng)中主要是對直線位移的測量，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，如果把隨時間變化的周期信號，通過電子電路的控制，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)信號將與該瞬間加載的激勵信號具有相同的相位分布。容柵傳感器動?xùn)?、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)為動?xùn)派?8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兩者之

10、間的電容為C0，每一塊小發(fā)射極板的寬度為w，當(dāng)0xw 時，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，動?xùn)派系?8塊極板中總有一部分與“地”(屏蔽板)形成電容，相應(yīng)的輸入信號源直接接入“地”，對傳感器的輸出信號不產(chǎn)生影響，可是為了導(dǎo)出(x)(x)為傳感器的輸出信號相對于某一驅(qū)動信號的相位移)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“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

11、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(yīng)的信號源全部落在這些電容上，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(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路信號中的第1路信號的相位為參考值，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，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，這種傳感器對輸入信號的幅值變化不敏感，故具有較好的抗干