容栅传感器简介

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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。

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。

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。

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—50mm

3、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 A

10、环境温度：0℃—+40℃允许长时间连续工作

11、体积：335×325×115mm

容栅测量芯片

容栅测量芯片（Capacitance-Feedback Measurement Integrated Circuit，简称CFMIC）是一种能够实现高精度测量微小电容值的集成电路。CFMIC通常由一个输入电容、一个反馈电容、一个反馈电阻和一个运算放大器组成。它的工作原理是通过将待测电容与反馈电容并联，将其组成一个电容分压器，然后通过运算放大器放大分压信号，最后将放大后的信号输出给外部电路。

CFMIC的优点是具有高精度、高灵敏度、低功耗和低成本等特点。它被广泛应用于电容传感器、生物传感器、微机电系统（MEMS）等领域。在电容传感器中，CFMIC可以测量被测物体与电极之间的电容，从而实现对被测物体的位置、形状和质量等参数的测量。在生物传感器中，CFMIC可以测量生物分子与传感电极之间的电容，从而实现对生物分子的检测和分析。在MEMS中，CFMIC可以测量微型机械结构与电极之间的电容，从而实现对微型机械结构的运动和变形等参数的测量。

总之，CFMIC是一种能够实现高精度测量微小电容值的集成电路，具有广泛的应用前景。

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。

感应同步器_容栅_谐振式传感器PPT

1
2
1＇
2＇
滑尺为分段绕组，分为正弦和余弦绕组两部分，两绕组的节距都为W 滑尺为分段绕组，分为正弦和余弦绕组两部分，两绕组的节距都为 W1＝ 2(a1 ＋ b1) 为分段绕组一般取W ，一般取W1＝W2或W1＝2W2/3。
wk.baidu.com
感应同步器结构
旋转式感应同步器
• 绕组是由辐射状的导片组成。片组成。转子上的绕组是单相连续绕组，是单相连续绕组，其径向导片数也就是极数极数。向导片数也就是极数。定子绕组是分段绕组， • 定子绕组是分段绕组，分为正弦和余弦两大组，分为正弦和余弦两大组，交替排列，交替排列，各自串联形成两相绕组。两相绕组。直径越大，精度越高。 • 直径越大，精度越高。
感应同步器结构
间隔b 间隔 2
W2
片宽a 片宽 2
定尺为连续绕组，节距W 其中a 为导电片宽，为片间间隙，定尺为连续绕组，节距W2＝2(a2＋b2)，其中a2为导电片宽，b2为片间间隙，定尺节距为连续绕组即为检测周期W 常取W 2mm。即为检测周期W，常取W2＝2mm。 l1 W1 b1 a1
感应同步器的应用方式
根据叠加原理，定尺绕组上总输出感应电势根据叠加原理，定尺绕组上总输出感应电势Ud为
Ud ＝ Ud s ＋ Ud
c
＝kUmsin α cosθsinωt －kUm cos α sinθsinωt ＝kUmsin（α－θ）sinωt sin（定尺绕组中的感应电压的幅值为定尺绕组中的感应电压Ud的幅值为 Umsin（ Umsin（α－θ）若电气角α已知，则只要测量出Ud的幅值，便可间接地求出已知，的幅值， θ值，从而求出被测位移x的大小。从而求出被测位移的大小。当定尺绕组中的感应电压Ud＝0时，α＝θ，只要逐渐改变α 值，使Ud＝0，便可求出θ值，从而求出被测位移x。

容栅式传感器

动栅对
C1
定栅动栅对
定栅
C2 定栅与动栅对的组合
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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。

容栅传感器位移测量系统研究

作者：于光平王善辉

来源：《中国新技术新产品》2009年第24期

摘要:本文介绍了容栅位移传感器的结构和工作原理,并在传统容栅传感器基本原理研究基础上,深入研究了鉴幅式容栅系统和鉴相式容栅系统信号激励方式和信号输出规律,分析开发出单片机和数字鉴相器为核心的鉴相式容栅高度测量仪。

关键词:位移测量;容栅传感器;数字式鉴相

1引言

容栅传感器是在变面积型电容传感器的基础上发展起来的,是在光栅、磁栅、同步感应器之后出现的一种新型大位移传感器。1974年TRIMS公司最先在测高仪上应用,1980年专门生产容栅数显的SYLVAC公司成立,容栅很快就应用于数显卡尺、千分表、测高仪和测长仪。容栅测量系统的测量原理新颖,测量电路独特,使其构成的测量仪器工作可靠,精度高、工耗低、重量轻、抗干扰性能强、抗振动、耐污染,并且组装的成品率高,各国的研究部门和生产企业对其极为重视,经过近20多年的发展,其性能和水平得到很大的提高,而且得到广泛的应用[1]。

该系统以单片机为控制核心,以可编程计数器作为鉴相核心,用数字化鉴相方法将由容栅尺发生相对位移引起的输出信号相位的变化转换为位移值,将位移值显示出来,同时系统可以与上位机进行数据通讯。系统能够实现-100mm-100mm范围内的长度测量,系统测量分辨率达到2.541?滋m。

2 容栅传感器的工作

容栅尺由动栅尺和定栅尺组成。动栅尺上刻有8组发射电极与一个接收电极W,如图1所示。定栅尺刻有m组反射电极K和屏蔽电极J,如图2所示,发射电极与接收电极W的总宽度不超过反射电极的宽度。发射电极与反射电极及接收电极与反射电极间存在电容,当在发射电极上加上一定的激励信号时,反射电极K上将感应出电荷Q,同时接收电极W上感应出电荷Qw,Qw即为容栅尺的输出信号,也就是说容栅尺的输出信号为电荷信号[2]。

第四章位移传感器

+
设衔铁位于气隙中间位置时线圈Z1 ，Z2的阻抗相等，为Z0，即
Z1 Z2
Z3 + Z4 U o -
U -
Z1 Z 2 Z 0
Z3 Z4
这时电桥平衡，输出为0。当衔铁移动时，两线圈的变化分别为
Z1 Z 0 Z
Z 2 Z 0 Z
输出Vo正比于Z1与Z2的差值。
（2）相敏检波电路交流电桥输出的相量可反映被测量的大小和方向，但用一般的指示仪表却丢失了方向信号。当衔铁居中时，Z1=Z2。当Z1↑，Z2↓时：
正半周 Ua正，Ub负 VD1、VD4导通 Ua负，Ub正 VD2、VD3导通
AECB支路： Uc↓ AFDB支路： Ud↑ BCFA支路： ↓ BDEA支路： ↑
2
1）变气隙长度电感传感器当传感器结构确定后，N、A、μ0均为定值，气隙长度的变化使得线圈电感量L变化。特点： ①线性范围小：从上式看出，电感量L与气隙长度δ成非线性（反比）关系，但是当时，可近似认为二 (0.1 ~ 0.2) 者成线性关系。因此，这种形式的传感器线性范围小，适合测微位移。 ②灵敏度较高（与其它形式相比）：δ越小，灵敏度越高，但δ的减小受到工艺和结构的限制，一般δ取0.1～0.5mm。
（3）脉冲宽度调制电路
4.应用（1）displacement 变间隙：微米数量级变面积：毫米数量级长容栅：厘米数量级，可达几米（2）pressure （3）humidity （4）liquid level （5）thickness

(完整word版)容栅传感器简介

容栅传感器

Capacitive

容栅传感器是一种新型位移数字式传感器，它是一种基于变面积工作原理的电容传感器。因为它的电极排列如同栅状，故称此类传感器为容栅传感器。与其他大位移传感器，如光栅、磁栅等相比，虽然准确度稍差，但体积小、造价低、耗电省和环境使用性强，广泛应用于电子数显卡尺、千分尺、高度仪、坐标仪和机床行程的测量中。

11.5.1 结构及工作原理

根据结构形式，容栅传感器可分为三类，即直线容栅、圆容栅和圆筒容栅。其中，直线容栅和圆筒容栅用于直线位移的测量，圆容栅用于角位移的测量，直线型容栅传感器结构简图如图11-25所示。

图11-23 直线型容栅传感器结构简图

a）定尺、动尺上的电极b）定尺、动尺的位置关系c）发射电极和反射电极的相互关系

1－反射电极2－屏蔽电极3－接收电极4－发射电极

容栅传感器由动尺和定尺组成，两者保持很小的间隙δ，如图11-23b所示。动尺上有多个发射电极和一个长条形接收电极；定尺上有多个相互绝缘的反射电极和一个屏蔽电极

（接地）。一组发射电极的长度为一个节距W，一个反射电极对应于一组发射电极。在图11-23中，若发射电极有48个，分成6组，则每组有8个发射电极。每隔8个接在一起，组成一个激励相，在每组相同序号的发射电极上加一个幅值、频率和相位相同的激励信号，相邻序号电极上激励信号的相位差是45°（360°/8）。设第一组序号为1的发射电极上加一个相位为0°的激励信号，序号为2的发射电极上的激励信号相位则为45°，以次类推，则序号为8的发射电极上的激励信号相位就为315°；而第二组序号为9的发射电极上的激励信号相位与第一组序号为1的相位相同，也为0°，以次类推，直到第6组的序号48为止。

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第四章 位移传感器

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