容栅传感器简介

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容栅位移传感器

第17卷　第1期桂　林　电　子　工　业　学　院　学　报V o l .17,N o .1　1997年3月JOURNAL OF GU I L IN INSTITUTE OF EL ECTRON I C TECHNOLOG Y M ar .1997　1996-08-26收稿,1997-01-07修改定稿作者　男　32岁　大学本科　工程师　桂林　541004容栅位移传感器郝卫东(电子机械工程系)摘要通过对容栅专用集成电路78102的内部结构的分析,得出实际数显卡尺位移测量的工作原理和实际测量数据的取得过程,依此推导出容栅的栅条宽度尺寸和对动栅、定栅的具体要求,最后对串行数据输出口扩展应用作了探讨。

关　键　词　电子数显卡尺;容栅传感器;专用集成电路中图法分类　TN 454引　言目前许多文章和教科书都提到容栅的工作原理,但不论是调幅式还是调相式,介绍都不深入,离实际应用还有很大距离。

对于容栅研究者来说,想设计专用容栅集成块完全不可能,如果用一般硬件,如单片机、PC 机和数字电路来设计容栅位移传感器,由于杂散电容影响也无法实现。

现有的数显卡尺芯片对栅条的宽度有固定而严格的要求,这一点在设计滚动式容栅直线位移传感器时,作者有较深的体会。

对容栅的研究是从1989年容栅数显卡尺开始的。

当时查阅了大量资料并请人帮助查找各国专利资料,收集到的有价值的资料有限,无法帮助解开其中之谜,于是便开始了对容栅数显卡尺的测试分析实验。

在研究过程中内部资料RCL SE M I CONDU CTOR S L I M IT ED 给予了很大帮助。

1　工作原理容栅数显卡尺动尺和定尺的结构和安装示意图如图1所示。

图中动尺上排列一系列尺寸相同、宽度为l 0的发射极片1,2,3…8,用E 表示,公共接收极为R ,定尺上均匀排列着一系列尺寸相同、宽度和间隙各为4l 0的反射电极片M 1,M 2,…电极片间互相电绝缘。

动尺和定尺的电极片面相对,平行安装。

传感器分类

电阻式传感器：基本原理：是将被测的非电量转化成电阻值的变化，在通过转换电路变成电压或电流输出的一类传感器，通过测量电阻值变化达到测量非电量的目的。

应用：测量力、压力、位移、应变、加速度、温度等非电量参数，还适合动态测量。

应变式传感器：是一种具有较长应用历史的传感器，包括应变式加速度传感器，其工作原理：在应变梁的一段固定惯性质量块，梁的上下粘贴应变片，传感器内腔充满硅油，以产生必要的阻尼。

测量时，将传感器壳体与被测对象刚性连接。

当有加速度作用在壳体上时，由于梁的刚度很大，惯性质量块也以同样的加速度运动，产生的惯性力与加速度成正比。

惯性力的大小由梁上的应变片测出。

限位块使传感器过载时不被破坏。

应用：常用于低频振动测量中，被广泛应用于工程测量和科学实验中。

应变式传感器优点：其具有尺寸小、重度轻、结构简单、使用方便、响应速度快等。

这种传感器一般由弹性元件和电阻应变片构成，工作时利用金属弹性元件的电阻应变效应，将被测物变形转换成电阻变化。

压阻式传感器：包括压阻式加速度传感器，其工作原理：采用单晶硅作悬臂梁，在其近根部扩散四个电阻。

当梁的自由端的质量块收到加速度作用时，在梁上收到弯矩和应力，受电阻值发生变化。

电阻相对变化与加速度成正比。

有四个电阻组成的电桥将产生与加速度成正比例电压输出。

在设计时，恰当地选择传感器尺寸及阻尼系数，则可用来测量低频加速度与直线加速度。

压阻式传感器优点：灵敏系数大，分辨率高，频率响应高，体积小。

缺点：压阻式传感器多由半导体材料构成，由于半导体材料对温度很敏感，因此压阻式传感器的温度误差较大，必须要有温度补偿。

应用：主要用于测量压力、加速度和载荷等参数。

电感式传感器：利用线圈自感或互感的变化，实现测量的一种装置。

其核心部分是可变自感或可变互感，再将被测量转化成线圈自感或线圈互感的变化时，一般要利用磁场作为媒介或利用铁磁体的某些现象。

工作原理：把被测位移转换成线圈的自感或互感的变化，从而实现测量的一类传感器。

容栅位移传感器的集成块由控制逻辑电路

容栅位移传感器的集成块由控制逻辑电路、数据处理电路、LCD 数码显示驱动、8路驱动输出、反射信号放大及信号处理电路和晶振等组成。

晶振的信号通过分频器分频后送到8路驱动电路进行相移,然后形成8路驱动信号,每路信号之间相位相差pi/ 4,这8路信号送到芯片的5～12引脚,再加到动栅板,反射回来的信号通过17引脚进入信号放大电路,再把放大后的信号与分频器输出信号进行信号处理和数据处理,控制逻辑的作用是进行公英制转换、清零和数据输出等。

LCD数码驱动器把位移数据变换成12LCD 驱动信号,直接与液晶屏相连,显示位移量。

这是郝卫东论文里的：（作参考）（2）容栅传感位移显示原理采用容栅位移测量原理设计的超大规模集成电路型号很多,如:数显卡尺集成块78102, M 7003等,它们内部电路结构是一样的,只是有的芯片功能脚引出多一点,有些引出少一点。

从图2上可看出作容栅位移传感器的集成块由控制逻辑电路、数据处理电路、LCD 数码显示驱动、8路驱动输出、反射信号放大及信号处理电路和晶振等组成。

LCD数码驱动器把位移数据变换成12LCD 驱动信号,直接与液晶屏相连,显示位移量。

芯片引脚33至59为液晶显示驱动脚,直接可以与LCD 相连,57脚输出驱动显示“inch ”表示英制显示。

其中53,54,55脚为第6位LCD ,大部分数显卡尺不用,因此不必引出。

5脚至12脚为8路驱动输出引脚,17脚为反射接收输入脚,13脚与14脚接晶体,通常采用150kHz 或180kHz 的晶体。

27脚为双功能引脚,当27脚接VDD 时, LCD 显示清零,27脚同时又是串行输出的CP 端( 同步脉冲输出端) ,28脚为串行输出的 D 端( 串行数据输出图2芯片内容结构端) ,32脚为公英制转换脚,每接一次VDD ,就转换一次公英制。

容栅传感器应用实例

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与其他大位移传感器如光栅磁栅等相比虽然精度稍差但体积小成本低耗电低一颗扣式氧化银电池可连续工作一年广泛应用于电子数显卡尺千分尺高度仪坐标仪等几百毫米以下行程的测量中
容栅传感器及应用实例
容栅传感器是一种用于位移测量的数字式传感器，是20世纪80年代在变面积型电容传感器基础上开发的。因其电极排列如同栅状，故得名。主要用于大位移测量。与其他大位移传感器，如光栅、磁栅等相比，虽然精度稍差，但体积小、成本低、耗电低（一颗扣式氧化银电池可连续工作一年），广泛应用于电子数显卡尺、千分尺、高度仪、坐标仪等几百毫米以下行程的测量中。
1
结构及工作原理
容栅传感器可分为三类：直线型容栅、圆容栅和圆筒形容栅。其中，直线型和圆筒形容栅传感器用于直线位移的测量，圆形容栅传感器用于角位移的测量。
2
各种容栅测量装置
3
各种容栅数显表
4
各种容栅数显卡尺
5
各种容栅数显卡尺（续）
该卡尺的分辨力为多少微米？
各种容数显卡尺（续）
7
各种容栅数显卡尺（续）
千分表与百分表的本质区别在哪里？
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容栅数显测高仪
量程 750mm 分辨率 0.001mm 示值误差 0.0075mm 示值重复性 0.002mm (3σ) 测量力 1~3N 可调测量滑架的最大速度1m/s
测头
底座
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容栅数显测高仪
1.测力调节 2.测头导轨 3.测头 4.坐垫 5.液晶屏显示 6.触摸开关 7.RS-232 输出 8.打印机 9.驱动开关 10.气泵开关 11.电源线
外卡尺
汽车专用卡尺
8
各种容栅数显卡尺（续）
内卡尺
9
容栅数显卡尺的结构

容栅位移传感器的工作原理及其特点

②寄生电容对信号有一定影响为了提高测量信号，将容栅位移传感器的供给电极极板并联起来，但寄生电容的影响仍然不容忽视。寄生电容主要是电路板的不合理设计和外接电缆而产生的。在设计时，要注意引线和电缆的屏蔽。由于采用的是差动原理，寄生电容的影响受到一定程度的遏止。 ③边缘效应的影响容栅位移传感器的边缘效应是指：①由于在容栅位移传感器的供给电极极板上加入相位依次相差４５°激磁信号，则相邻供给电极极板之间通过刻线间隙产生电容耦合，产生干扰；②根据容栅位移传感器的工作原理，它只是在忽略的容栅位移传感器极板边缘的条件下成立的。在极板边缘，容栅位移传感器输出信号不像极板内部成线性，而是非线性的。由于容栅位移传感器边缘效应的影响，使容栅位移传感器的精度受到影响，这要从电路图形的设计加以解决。为此，已有些专利发表。此外，由于边缘效应引起的误差是系统误差，可在具绝对“０”的容栅位移传感器中加以修正。
ｃ＝
!（Ｒ２－ｒ２）θ ８πｄ
Δｃ＝
!（Ｒ２－ｒ２）Δθ ８πｄ
则Ｃ＝Ｋθ（θ是一个供给电极极板所对应角度，
是常量）
ΔＣ＝ＫΔθ（Δθ是角位移，是变量）
ＶＸ＝Ｖ
高＝
２Δθθ＝－
Ｖ
低
２Δθ θ
３容栅位移传感器设计需要注意的地方
①输出信号弱，输出阻抗高，带负载能力差
电容式传感器有一个重要特征，就是电容变化量很小，只有几十ｐＦ甚至几ｐＦ，也就是说检测的是电容的微小变化。此特征使它极易受外界干扰，而且其容抗为Ｘｃ＝１／ｊｗｃ，由于Ｃ很小，Ｘｃ很大，则阻抗很高，带负载能力差。这一点采用场效应管就近将输出信号放大，再采取电容电压转换放大器，它具有低噪声、输入阻抗高、单位增益带宽高等特点，这些特点可使其作为电容传感器理想的测量电路，从而克服和减小外界对输出信号的干扰，保证了测量信号的非失真。

容栅传感器说明书

一、概述1、用途：JCQ-203型十六点位移测试仪是专为需要多点位移测试的有关检测部门研制的一种智能化仪器。

它配合容栅式位移传感器可进行多点位移测试及单点位移显示（可换点），并可随时打印十六点位移数据。

也可以通过仪器上的RS-232串行口将数据传到PC机由PC机全屏显示全部十六点位移数据。

2、特点：本仪器具有十六个独立的位移测试通道，可直接显示各测试通道的位移值。

仪器与传感器间用电缆连接，测试人员可远距离操作，既提高了工作效率，又大大提高了测试精度。

本仪器位移测试通道使用本所研制的容栅式位移传感器，具有高精度、大量程、无时漂、温漂等优点，完全满足了野外昼夜连续观测对时漂、温漂的严格要求。

仪器具有标准打印机接口，可随时打印原始数据不需人工记录。

因为本仪器使用环境恶劣，电源电压波动大，昼夜、季节温差大。

为了保证仪器的高精度、高稳定和可靠性，采取了一系列技术措施予以保证。

仪器面板采用封闭式轻触面板，操作简便，性能可靠，结构牢固，体积小巧，便于安装、携带。

机内采用进口工业级超低漂移集成电路芯片及计算机处理技术，具有良好的抗干扰性能及适应恶劣环境的能力。

二、主要技术指标1、测试通道：位移16个2、量程：位移0—50mm3、精度：位移≤0.1 %（含传感器）4、显示：8位液晶显示屏5、功能键：2个6、输出接口：标准打印机接口1个7、串行口：标准RS-232接口1个8、电源：AC 220V（-20% —+10%）9、功率：交流≤10V A10、环境温度：0℃—+40℃允许长时间连续工作11、体积：335×325×115mm12、重量：约4.2 kg三、仪器功能键仪器具有3个功能键。

1、位移上下换点键按上面的换点键时显示下一个位移通道号及位移值，按下面的换点键时显示上一个位移通道号及位移值，显示通道范围在1-16之间，位移单位为mm。

2、打印键该键用于数据的随时打印。

每按一次此键，打印机打印1-16点各点位移值。

容栅式传感器的原理

容栅式传感器容栅式传感器是在变面积型电容传感器的基础上发展起来的一种新型传感器。

它在具有电容式传感器优点的同时，又具有多极电容带来的平均效应，而且采用闭环反馈式等测量电路减小了寄生电容的影响、提高了抗干扰能力、提高了测量精度(可达5?m)、极大地扩展了量程(可达1m)，是一种很有发展前途的传感器。

现已应用于数显卡尺、测长机等数显量具。

将电容传感器中的电容极板刻成一定形状和尺寸的栅片，再配以相应的测量电路就构成了容栅测量系统。

正是特定的栅状电容极板和独特的测量电路使其超越了传统的电容传感器，适宜进行大位移测量。

一、工作原理及转换电路(一) 开环调幅式测量原理传感器电容极板的基本结构示于图4-23。

在图中左侧，一个极板由均匀排列电极的长栅(定栅)组成，另一个极板由一对相同尺寸的交错对插电极梳(动栅对)组成。

运行时，传感器的两个电极栅片相对按装如图中右侧，其中暗区域是两个电极栅的重叠面积，从而形成一对随位移反向变化的差动电容器C1和C2。

传感器仍采用传统差动变压器测量电路，但通过将电容极板刻成栅状提高了测量精度并实现了大位移测量。

(二) 闭环调幅式测量原理其测量原理如图4-24所示，其中左侧是系统原理图、右侧是电极栅片原理结构。

图中A、B为动尺上的两组电极片，P为定尺上的一片电极片，它们之间构成差动电容器CA、CB。

两组电极片A和B各由四片小电极片组成，在位置a时，一组为小电极片1～4，另一组为5～8。

方波脉冲控制开关S1和S2，轮流将参考直流电压±U0和测量转换系统的直流输出电压Um 分别接入两个小电极组A和B。

若系统保证电容极板P为虚地，则在一个周期内，激励信号通过差动电容CA和CB在电容极板P上产生的电荷量QP为(CAU0-CBU0+CAUm+CBUm)。

当QP为零时，测量转换电路保证Um不变；否则导致测量转换电路使Um改变，并保证其变化使QP的值减小，直至为零。

这时，由上面可推导出(4-20)则输出直流电压与位移成线性关系。

电容式传感器原理及其应用

电容式传感器原理及其应用
传感器通常由两个电极组成：一个是探测电极，用于和物体接触形成
电容；另一个是参考电极，用于和环境隔离，提供一个参考电容。

当物体
接近传感器时，探测电极和参考电极之间的电容会发生变化。

1.位置检测：在机器人、自动门、车辆等设备上，可以使用电容式传
感器来检测物体的位置，以便进行准确控制。

2.形状检测：电容式传感器可以根据物体所形成的电容来检测物体的
形状，适用于模具、雕塑、冲压等领域。

3.压力检测：电容式传感器可以根据物体施加的压力来测量电容的变化，常用于汽车空调系统、机械手等设备中的压力控制。

4.湿度检测：在湿度计、空调、除湿器等设备中，电容式传感器可以
通过测量物体和介质之间的相对湿度来判断湿度的变化。

5.液位检测：电容式传感器可以通过测量液体的介电常数来判断液位
的高低，用于液位测量仪表、储罐等设备。

6.运动检测：电容式传感器可以通过检测物体运动时电容的变化来实
现运动检测，常用于门禁系统、人体感应灯等。

7.接近开关：电容式传感器可以检测物体与传感器之间的距离，常用
于接近开关、自动水龙头、触摸屏等设备。

8.手势识别：电容式传感器可以检测手的位置和动作，实现手势识别，常用于智能手机、智能手表等设备中。

总结来说，电容式传感器具有广泛的应用领域，可以用于位置检测、形状检测、压力检测、湿度检测等。

其原理是通过测量电容的变化来获取物体或环境的相关信息，为现代科技领域提供了重要的技术支持。

容栅传感器的测量原理及其结构

一、前言以旋转容栅编码器为例，简述容栅传感器的测量原理及其结构，分析容栅自身以及容栅芯片的特点，通过机械机构设计和容栅编码器后续电路设计，提高其工作可靠性，并应用于实际工程中。

电容传感器具有测量分辨力和测量准确度高等特点，在很多场合被作为高精测量仪器使用，但因其自身缺陷，只能使用在微小位移的测量中，无法满足大位移测量的要求。

80年代容栅传感器的出现，彻底的改变了这种情况。

借鉴了光栅的结构形式，工程师把电容做成栅型，大大提高了测量的精度和范围，实现了大位移高精度测量。

容栅传感器相对于其他类型的传感器有许多突出的优点[2]：1、量程大、分辨率高。

在线位移测量时，分辨率为2mm时，量程可达到20m，在角位移测量时，分辨率为0.1°时，量程为4096圈。

其测量速度也比较高，测量线速度可达到1.5m/s。

2、容栅测量属非接触式测量，因此容栅传感器具有非接触传感器的优点，诸如测量时摩擦阻力可以减到最小，不会因为测量部件的表面磨损而导致测量精度下降。

3、结构简单。

容栅传感器的敏感元件主要由动栅和静栅组成，信号线可以全部从静栅上引出，作为运动部件的动栅可以没有引线，为传感器的设计带来很大的方便。

4、配用专用集成电路的容栅传感器是一种数字传感器，和计算机的接口方便，便于长距离传送信号，几乎无数据传输误差。

数据更新速率可以达到每秒50次。

5、功耗极小。

正常工作电流小于10mA，传感器敏感元件可以长期工作，一粒钮扣电池可以连续工作1年以上。

利用这个特点，可以设计出准绝对式的位移传感器。

6、在价格上有很大优势，其性能价格比远高于同类传感器。

容栅传感器有最主要的问题是稳定性和可靠性，环境潮湿和外界电磁干扰的影响尤为显著，其次作为准绝对式传感器在长期断电工作时，需要定期更换电池，所以难于作为传感器用于长期自动测量。

容栅编码器是以脉冲数字量来表示容栅传感器敏感元件间相对位置信息，本文研究的容栅旋转编码器将容栅全部的结构密封在金属壳内，大大提高了容栅传感器的电磁兼容性和抗环境污染能力，为容栅原理用于自动测量奠定了基础。

绝对位置测量容栅位移测量方法、传感器及其运行方法

绝对位置测量容栅位移测量方法、传感器及其运行方法
绝对位置测量容栅位移测量方法、传感器及其运行方法是指一种用于测量机械、电子设备等领域中物体绝对位置和容栅位移的技术和装置。

该方法的基本原理是：将被测物体上的容栅作为一个信号源，与传感器中的读取单元相匹配，通过读取单元读取容栅发出的信号，进而实现对被测物体绝对位置和容栅位移的测量。

该方法适用于要求高精度测量的场合，能够实现对不同尺寸和形状的物体进行准确测量。

同时，该方法具有抗干扰性强、测量速度快、可靠性高等优点，因此在工业自动化生产线、航空航天、汽车制造等领域得到了广泛应用。

在运行方面，该方法需要保证传感器的稳定性和精度，并且需要校准传感器以保证测量结果的准确性。

此外，在使用过程中还需要注意防止环境和温度等因素对测量结果的影响，从而确保测量的可靠性和精度。

总之，绝对位置测量容栅位移测量方法、传感器及其运行方法是一种高精度的测量技术，具有广泛应用前景和重要意义。

容栅传感器原理

容栅传感器原理
容栅传感器是一种电容式传感器，它利用物体与电容板之间的距离变
化来检测物体的位置或运动。

容栅传感器通常由两个平行电极板组成，它们之间可以通过绝缘材料隔开。

当一个物体靠近电极板时，它会改
变两个电极板之间的电场，从而改变电容值。

当一个物体靠近容栅传感器时，物体与电极板之间的距离减小，导致
电极板之间的电场强度增加。

这会导致在两个电极板之间产生一个更
大的电荷量，并且导致传感器的总电容值增加。

因此，通过测量总电
容值的变化，可以确定物体与传感器之间的距离。

为了提高灵敏度和准确性，通常使用高频交流信号来激励传感器，并
对响应信号进行放大和滤波处理。

此外，在设计和制造过程中需要考
虑到环境因素对传感器性能的影响，并采取相应措施来保证其可靠性
和稳定性。

总之，容栅传感器利用物体与电极板之间的距离变化来检测位置或运动，其原理基于电容值的变化。

通过高频交流信号的激励和信号处理，可以提高传感器的灵敏度和准确性。

在设计和制造过程中需要考虑到
环境因素对传感器性能的影响，并采取相应措施来保证其可靠性和稳
定性。

电容式传感器

电容式传感器电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感元件，将被测物理量或机械量转换成为电容量变化的一种转换装置，实际上就是一个具有可变参数的电容器。

电容式传感器广泛用于位移、角度、振动、速度、压力、成分分析、介质特性等方面的测量。

最常用的是平行板型电容器或圆筒型电容器。

[1]中文名；电容式传感器；外文名capacitive type transducer电容计算公式：εS/d应用：测量简介70年代末以来，随着集成电路技术的发展,出现了与微型测量仪表封装在一起的电容式传感器。

这种新型的传感器能使分布电容的影响大为减小，使其固有的缺点得到克服。

电容式传感器是一种用途极广，很有发展潜力的传感器。

典型的电容式传感器由上下电极、绝缘体和衬底构成。

当薄膜受压力作用时，薄膜会发生一定的变形，因此，上下电极之间的距离发生一定的变化，从而使电容发生变化。

但电容式压力传感器的电容与上下电极之间的距离的关系是非线性关系，因此，要用具有补偿功能的测量电路对输出电容进行非线性补偿。

原理电容式传感器也常常被人们称为电容式物位计，电容式物位计的电容检测元件是根据圆筒形电容器原理进行工作的，电容器由两个绝缘的同轴圆柱极板内电极和外电极组成，在两筒之间充以介电常数为ε的电解质时，两圆筒间的电容量为式中L为两筒相互重合部分的长度；D为外筒电极的直径；d为内筒电极的直径；e为中间介质的电介常数。

在实际测量中D、d、e是基本不变的，故测得C即可知道液位的高低，这也是电容式传感器具有使用方便，结构简单和灵敏度高，价格便宜等特点的原因之一。

电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感元件，由于被测量变化将导致电容器电容量变化，通过测量电路，可把电容量的变化转换为电信号输出。

测知电信号的大小，可判断被测量的大小。

这就是电容式传感器的基本工作原理。

[2]分类根据传感器的工作原理可把电容式传感器分为变极距型、变面积型和变介质型三种类型。

根据传感器的结构可把电容式传感器分为三种类型的结构形式。

电容式传感器原理和其应用

2.4 变介电常数式电容传感器
根据前面的分析可知，介质的介电常数也是影响电容式传感器电容量的一个因素。通常情况下，不同介质的介电常数各不相同。
➢ 当电容式传感器的电介质改变时，其介电常数变化，也会引起电容量发生变化。
➢ 变介电常数式电容传感器就是通过介质的改变来实现对被测量的检测，并通过传感器的电容量的变化反映出来。它通常可以分为柱式和平板式两种，如图所示。
（a）柱式
（b）平板式
变介电常数式电容传感器
➢ 变介电常数式电容传感器的两极板间若存在导电物质，还应该在极板表面涂上绝缘层，防止极板短路，如涂上聚四氟乙烯薄膜。
➢ 变介电常数式电容传感器除了可以测量液位和位移之外，还可以用于测量电介质的厚度、物位，并可以根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、容量的变化而变化来测量温度、湿度、容量等参数。
3.2 电容式传感器的设计改善措施
➢ 电容式传感器所具有的高灵敏度、高精度等独特的优点是与其正确设计、选材以及精细的加工工艺分不开的。
（1）消除和减小边缘效应：边缘效应不仅使电容式传感器的灵敏度降低，而且在测量中会产生非线性误差，应尽量减小或消除。
➢ 适当减小电容式传感器的极板间距，可以减小边缘效应的影响，但电容易被击穿且测量范围受到限制。
⑤ 传感器电极的支架要有一定的机械强度和稳定的性能。应选用温度系数小、稳定性好，并具有高绝缘性能的材料，例如石英、云母、人造宝石及各种陶瓷等做支架。虽然这些材料较难加工，但性能远高于塑料、有机玻璃等。
（3）减小或消除寄生电容的影响
➢ 寄生电容可能比传感器的电容大几倍甚至几十倍，影响了传感器的灵敏度和输出特性，严重时会淹没传感器的有用信号，使传感器无法正常工作。因此，减小或消除寄生电容的影响是设计电容传感器的关键。通常可采用如下方法：

感应同步器_容栅_谐振式传感器PPT

感应同步器的信号处理原理
滑尺正、余旋绕组上同时加激磁电压U 滑尺正、余旋绕组上同时加激磁电压Us、 Uc时，根据叠加原理，则与之相耦合的定尺绕组上的总感应电压为：加原理，则与之相耦合的定尺绕组上的总感应电压为：定尺绕组上的总感应电压为 Uo =Uos+ Uos=KUScosθ1－K Ucsinθ1 K— 电磁感应系数 θ1 —定尺绕组上的感应电压的相位角
感应同步器的应用方式
很小，令 ∆θ = α − θ ，当 ∆θ 很小， sin(α − θ ) = sin ∆θ ≈ ∆θ 可近似表示为U Ud可近似表示为Ud≈Um ∆θ sinωt 将式代入上式得 U d ≈ U m ∆x
π sin ωt τ
当位移量Δ 很小时，幅值与成正比，当位移量Δx很小时，感应电压Ud的幅值与Δx成正比，因此可以通过测量Ud的幅值来测定位移量Δx的大小。从而实的幅值来测定位移量Δ 的大小。现精确测量。现精确测量。
1）鉴相工作方式根据感应输出电压的相位来检测位移量供给滑尺的正、余弦绕组的激磁信号是频率、幅值相同，供给滑尺的正、余弦绕组的激磁信号是频率、幅值相同，频率相位相差90°的交流励磁电压相位相差90° 90 Us＝Umsinωt sinωt+π/2 /2） Uc=Um（sinωt+π/2）=Umcosωt 距离时，当滑尺移动x距离时，则定尺上的感应电压为 cosθ＝ sinωtcosθ Ud1＝k Uscosθ＝k Umsinωtcosθ Ud2＝k Uccos（θ＋π/2）＝－kUmcosωtsinθ cos（ π/2）＝－kU cosωtsinθ ）＝－
x xp q = ( )2p = t 2t
根据滑尺正、余旋绕组上激磁电压Us、 Uc供电方式的不根据滑尺正、余旋绕组上激磁电压Us、 Uc供电方式的不 Us 同可构成不同检测系统——鉴相型系统和鉴幅型系统。同可构成不同检测系统——鉴相型系统和鉴幅型系统。 ——鉴相型系统和鉴幅型系统

容栅式传感器

动栅对
C1定栅动栅对来自定栅C2 定栅与动栅对的组合
2、圆容栅传感器其工作原理与长容栅相似。
传感器技术及应用
传感器技术及应用
容栅式传感器
容栅式传感器是在变面积型电容传感器的基础上发展起来的一种新型传感器。可测大位移（可达1m），具有精度高（可达5μm），结构简单，能耗低等优点。
1.1 容栅式传感器的类型与工作原理一、类型：长容栅、圆容栅二、工作原理 1、长容栅传感器
长容栅传感器也称线位移容栅传感器。由定尺和动尺组成。工作原理参见下图。

光栅,容栅,磁栅及电感传感器

3.4 电感式传感器
（2）互感式电感传感器
1）差动式电感传感器结构：共用一个衔铁的两个相同自感式传感器线圈以差动形式构成的一种电感传感器。当铁芯移动时，两个线圈电感产生相反方向的增减，结构上要求两个线圈的电气参数和几何尺寸完全相同。
3.4 电感式传感器
结构：两个线圈的几何尺寸完全相同、铁芯安装完全对称；特点：提高灵敏度、改善线性度、对温度变化、易于补偿电源频率变化影响。
3.1 光栅位移传感器
（1）光栅：由大量的等宽、等间距的平行狭缝组成的光学器件称为光栅。结构图如3.1.1所示：
3.1 光栅位移传感器
3.1 光 3.1.1光栅结构放大图感器
3.1 光栅位移传感器
（2）莫尔条纹如果把两块栅距w相等的光栅面平行安装，且让它们的刻痕之间有较小的夹角θ时，这时光栅上会出现若干条明暗相间的条纹，这种条纹称为莫尔条纹。如图3.1.2所示：莫尔条纹是光栅非重合部分光线透过而形成的亮带，它由一系列四棱形图案组成，如图 3.1.2中d-d线区所示；f-f线区则是由于光栅的遮光效应形成的。
3.3 容栅位移传感器
3.4 电感式传感器
3.4 电感式传感器
电感式传感器: 是利用被测量的变化引起线圈自感L的变化，从而导致线圈电感量改变这一物理现象来实现测量的。
电感式传感器种类较多，常见的有：自感式电感传感器、互感式电感传感器两大类。

3.4 电感式传感器
（1）自感式电感传感器自感式电感传感器可分为：变间隙型、变面积型和螺管型三种。
对于差动变压器，当衔铁处于中间位置时，两个二次绕组互感相同，因而由一次侧激励引起的感应电动势相同。由于两个二次绕组反向串接，所以差动输出电动势为零。当衔铁移向二次绕组L21一边时，互感M1增大，M2 减小，因而二次绕组L21的感应电动势大于二次绕组L22 的感应电动势，这时差动输出电动势不为零。在传感器的有效量程内，衔铁移动量越大，差动输出电动势就越大。同理，当衔铁向二次绕组L22一边移动时，差动输出电动势不为零，但由于移动方向改变，所以输出电动势反相。因此，通过差动变压器输出电动势的大小和相位可以知道衔铁位移量的大小和方向。

基于提升小波变换的容栅传感器输出信号降噪

ｄ（）ｄ／一ｄｎ ≥ｒｎ＝２（，ｒ／）（）
【（一ｄｎ＜ｄ）ｒ（）ｒ
（）５
工作寿命。；容栅传感器实现了在旋转轴上无而
需连线输出、测试电路外置、温度稳定性好、寿命长、
可靠性高，在测量转轴转速方面具有其他传感器
为两个较小的偶信号序列ｓ和奇信号序列ｄ，即
Ｓ
—
ｌ２ｄ１ｓ＋（＝１２，… ＝５，：２ｌｎ，３
一
）。
（）２预测是在原始信号相关性的基础上用Ｓ
电容值由小到大再由大到小周而复始地呈三角波变化，电容变化经信号调理电路转换为电压信号，通并
过提升小波变换法对其进行降噪处理。以容栅１和容栅３这组电容为例，设某段时ｄ－ｓ）用＝ｐ（来代替ｄ，其中Ｐ为预测算子。
（）新是通过ｄ３更来更新ｓ，即用＝十亦
（）预测是由式（）得的ｓ２反２所和给定的ｄ，由式（）预测ｓ。３反ｓ＝＋ｓ）２Ｐ（２川
图１容栅结构示意图
（）３（）４
（）并是由ｓｓ融合得到原信号ｓ。３合和
ｓ＝ｅｇ（２，１ｍｒｅＳｓ＋）２
似
由图５和图６可知，应用传统小波法对其原始转由表１知，可对此信号而言，提升小波获得了较大的信噪比和较小的均方差，取得了较好的降噪效果。速电压输出信号进行降噪处理后，大部分高频信号其

一种容栅位移传感器及其制作方法[发明专利]

[19]中华人民共和国国家知识产权局[12]发明专利申请公开说明书[11]公开号CN 1469099A[43]公开日2004年1月21日[21]申请号02140491.7[21]申请号02140491.7[22]申请日2002.07.19[71]申请人陈其良地址518052广东省深圳市南山区南山大道南油第四工业区五栋七楼北联思公司共同申请人陈紹光[72]发明人陈紹光陈其良 [51]Int.CI 7G01B 7/04G01B 7/30权利要求书 4 页说明书 12 页附图 17 页[54]发明名称一种容栅位移传感器及其制作方法[57]摘要本发明的容栅位移传感器，基片A上的8N条发射电极栅均分别用一引线连到8N个导通盘，基片C上有对应的导通盘串连成8串，导通盘中定点分布有导电料，用粘胶对位粘合基片A与C，使同相位N条发射电极栅互连导通。

引线可制作得比发射栅条更细，垂直于测量的位移方向排成一列的8个导通盘，在测量的位移方向的尺寸就可制作得比一发射栅条更宽，制作分辨率0.001mm的容栅传感器，粘合的对位精度仅为0.1mm。

本发明首创用市售的ITO导电膜玻璃作基片和用市售的表面镀金的塑料微球作弹性压触的导电料来制作容栅传感器，可沿用液晶显示器的制作工艺技术，尤为适于工业化生产。

02140491.7权利要求书第1/4页 1、一种容栅位移传感器，包括有集成电路(IC)和容栅，容栅由制作有栅状电极並可相对位移的基片组成，可相对位移的栅状电极面面相对保持一微小的间隙，其特征在于：所说的容栅位移传感器由基片A和基片B以及基片C 三者所组成，基片A、B、C均为具有导电膜的绝缘材料片；基片A上至少制作有容栅传感器的发射电极栅集合，每条发射电极栅均用引线连接到一个对应的导通盘，基片C上制作有互连通成许多串的导通盘，基片C上的各导通盘与基片A上的导通盘位置一一对应，用粘胶将基片C和基片A对位粘合，再在适当的物理条件下让粘胶固化，同时通过定点分布在基片C与基片A的对应导通盘之间的导电料，使基片A上的导通盘与基片C上的对应导通盘电气相连通，实现同相位的发射电极栅的互連导通；基片B上制作有相应的接收电极栅或感应电极栅；在基片上还制作有发射电极、接收电极和屏蔽地电极的引出脚，用常规的液晶显示器连线工艺将众电极连接到传感器集成电路(IC)的对应引线脚上。