SN6600數(shù)顯卡尺容柵傳感器

SN6600數(shù)顯卡尺容柵傳感器SN6600數(shù)顯卡尺容柵傳感器/NUMPAGES12SN6600數(shù)顯卡尺容柵傳感器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(jī)械位移量轉(zhuǎn)換為電容量變化，可進(jìn)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(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)如圖動(dòng)極板相對于定極板移動(dòng)時(shí)，機(jī)械位移量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙葜档淖兓ㄟ^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，就是采用如圖動(dòng)極板在移動(dòng)的過程中，始終與不同的小電極組成差動(dòng)電容器。動(dòng)尺相對于定尺移動(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。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?yàn)樗碾姌O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(dòng)尺和定尺組成，兩者保持很小的間隙δ，如圖11-23b所示。動(dòng)尺上有多個(gè)發(fā)射電極和一個(gè)長條形接收電極；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)射電極的長度為一個(gè)節(jié)距W，一個(gè)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(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、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。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，容柵測量轉(zhuǎn)換電路框圖如圖11-24所示。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(shí)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(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(dòng)動(dòng)尺時(shí)，自動(dòng)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(shí)現(xiàn)公/英制轉(zhuǎn)換；通過串行接口可與計(jì)算機(jī)或打印機(jī)相，經(jīng)軟件處理，可對測量數(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。旋轉(zhuǎn)容柵b）固定容柵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)。固定容柵的中間有兩金屬環(huán)與發(fā)射電極相對應(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(diǎn)，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(shí)間變化的周期信號(hào)，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(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)?、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(dòng)?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(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)0≤x≤w時(shí)，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(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?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(hào)源直接接入“地”，對傳感器的輸出信號(hào)不產(chǎn)生影響，可是為了導(dǎo)出φ(x)(φ(x)為傳感器的輸出信號(hào)相對于某一驅(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“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(shí)它們的電容量為零而已。由于這些電容量為零，則其阻抗為無窮大。相應(yīng)的信號(hào)源全部落在這些電容上，同樣，對傳感器的輸出信號(hào)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V1~V8為8路頻率、幅值相同而相鄰小極板間相位相差為π/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φ0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π/4+φ(x)。相位移φ(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(hào)的幅值變化不敏感，故具有較好