容栅位移传感器
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。
发射电极与反射电极、反射电极与接收电极之间存在着电场。
由于反射电极的电容耦合和电荷传递作用，使得接收电极上的输出信号随发射电极与反射电极的位置变化而变化。
位移传感器又称为线性传感器
位移传感器又称为线性传感器，它分为电感式位移传感器，电容式位移传感器，光电式位移传感器，位移传感器超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器。
电感式位移传感器是一种属于金属感应的线性器件，接通电源后，在开关的感应面将产生一个交变磁场，当金属物体接近此感应面时，金属中则产生涡流而吸取了振荡器的能量，使振荡器输出幅度线性衰减，然后根据衰减量的变化来完成无接触检测物体的目的。
简介电感式位移传感器具有无滑动触点，工作时不受灰尘等非金属因素的影响，并且低功耗，长寿命，可使用在各种恶劣条件下。
位移传感器主要应用在自动化装备生产线对模拟量的智能控制。
光电式位移传感器利用激光三角反射法进行测量，对被测物体材质没有任何要求，主要影响为环境光强和被测面是否平整。
比如公路测量用到真尚有的激光位移传感器，就对传感器进行了特殊配置，与普通情况不一样。
位移是和物体的位置在运动过程中的移动有关的量，位移的测量方式所涉及的范围是相当广泛的。
小位移通常用应变式、电感式、差动变压器式、涡流式、霍尔传感器来检测，大的位移常用感应同步器、光栅、容栅、磁栅等传感技术来测量。
其中光栅传感器因具有易实现数字化、精度高（目前分辨率最高的可达到纳米级）、抗干扰能力强、没有人为读数误差、安装方便、使用可靠等优点，在机床加工、检测仪表等行业中得到日益广泛的应用。
原理计量光栅是利用光栅的莫尔条纹现象来测量位移的。
“莫尔”原出于法文Moire，意思是水波纹。
几百位移传感器年前法国丝绸工人发现，当两层薄丝绸叠在一起时，将产生水波纹状花样；如果薄绸子相对运动，则花样也跟着移动，这种奇怪的花纹就是莫尔条纹。
一般来说，只要是有一定周期的曲线簇重叠起来，便会产生莫尔条纹。
计量光栅在实际应用上有透射光栅和反射光栅两种；按其作用原理又可分为辐射光栅和相位光栅；按其用途可分为直线光栅和圆光栅。
下面以透射光栅为例加以讨论。
透射光栅尺上均匀地刻有平行的刻线即栅线，a为刻线宽，b为两刻线之间缝宽，W=a+b称为光栅栅距。
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。
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。
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。
《容栅式位移传感器检测单元制作与工艺改良》范文
《容栅式位移传感器检测单元制作与工艺改良》篇一一、引言容栅式位移传感器是一种高精度的测量设备，广泛应用于工业自动化、精密测量和位置控制等领域。
为了提高其性能和可靠性，本文将详细介绍容栅式位移传感器检测单元的制作过程及工艺改良方法。
二、容栅式位移传感器检测单元制作1. 材料准备制作容栅式位移传感器检测单元需要准备的材料包括：基板、金属导电材料、绝缘材料、传感器芯片等。
这些材料应具备高精度、高稳定性、高可靠性等特点。
2. 制作流程（1）基板处理：对基板进行清洁、平整处理，确保基板表面无杂质、无凹凸不平。
（2）制作金属导电层：在基板上制作金属导电层，包括电极、引线等。
（3）制作绝缘层：在金属导电层上制作绝缘层，以隔离各部分电路，防止电路短路。
（4）安装传感器芯片：将传感器芯片安装在基板上，并连接好电路。
（5）封装：对传感器检测单元进行封装，以提高其防水、防尘、抗干扰等性能。
三、工艺改良为了提高容栅式位移传感器检测单元的性能和可靠性，我们可以从以下几个方面进行工艺改良：1. 材料优化选用更高精度、更高稳定性、更高可靠性的材料，如采用高导电率、低电阻率的金属材料制作导电层，以提高传感器的响应速度和精度。
2. 制作工艺改进（1）采用更先进的制程技术，如微纳加工技术、激光加工技术等，提高制作精度和效率。
（2）优化制作流程，减少制作过程中的误差和污染，提高产品的良率和稳定性。
3. 结构设计优化（1）优化传感器检测单元的结构设计，减小传感器的体积和重量，提高其便携性和安装便利性。
（2）采用更合理的电路布局和引线设计，降低电磁干扰和噪声的影响，提高传感器的抗干扰能力。
4. 封装技术改进（1）采用更先进的封装技术，如真空封装、防水防尘封装等，提高传感器的防水、防尘、抗干扰等性能。
（2）改进封装工艺，减少封装过程中的应力和变形，提高产品的可靠性和寿命。
四、实验与结果分析通过对容栅式位移传感器检测单元的制作过程及工艺进行改良，我们进行了实验验证。
位移传感器
A
2
机械位移传感器分类
A
3
电位器式位移传感器
电位器式位移传感器它通过电位器元件将机械位移转换成 与之成线性或任意函数关系的电阻或电压输出。
A
4
电位器转轴上的电刷将电
阻体电阻R0分为R12和R23 两部分，输出电压为U12。
改变电刷的接触位置，电
阻R12亦随之改变，输出电 压U12也随之变化。
器线圈。
A
28
电涡流涂层厚度仪
电涡流表面探伤
A
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数字位移传感器
数字式位置传感器主要测量轴的旋转角度位置、速度变 化和直线位移等。现在主要介绍以下几种数字式位移传感 器。
➢ 旋转编码器 ➢ 光栅位移传感器 ➢ 磁栅位移传感器 ➢ 容栅位移传感器
A
30
旋转编码器
旋转编码器也称为脉冲编码器，是一种位置检测元件，用 以测量轴的旋转角度位置和速度变化，其输出为电脉冲。
空气介质变极距式 电容传感器工作原 理图。1个电极板 固定不动，称为固 定极板，极板的面
积为Ａ，另一极板
可左右移动，引起 极板间距离d相应 变化。
A
10
变极距式电容传感器的初始电容C0:
C0=ε0A / d0
只要测出电容变化量⊿C，便可计算得到极板间距的变化 量，即极板的位移量⊿d。
除用变极距式电容传感器测位移外，还可以用变面积式电 容传感器测角位移。
限分辨力， 接触电阻很小， 耐热性好， 满负荷达70℃。 与线绕电位
器相比， 它的分布电容和分布电感很小， 特别适合在高频条件下使
用。 它的噪声仅高于线绕电位器。金属电位器的缺点是耐磨性较差，
阻值范围窄，一般在10～100 Ω。 由于这些缺点， 限制了它的使用范
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。
磁栅位移传感器工作原理
磁栅位移传感器工作原理磁栅位移传感器是一种使用磁场来测量物体位移的传感器。
它主要由磁栅和传感器两部分组成。
磁栅由多个磁材料组成，每个磁材料上都有一个固定的磁极。
传感器则是用于探测磁栅磁场变化的装置。
当物体位移时，磁栅会随之移动，进而改变磁场分布，传感器会通过测量磁场的变化来确定物体的位移。
以下将详细介绍磁栅位移传感器的工作原理。
首先，磁栅位移传感器利用磁场的相关特性实现位移的测量。
磁场是由磁物质产生的，并具有磁力线以及磁感应强度的特性。
在磁栅中，每个磁材料上都有一个磁极，通过相邻磁材料的排列，形成一定的磁场结构。
这种结构可以是连续的，也可以是离散的。
其次，磁栅位移传感器利用磁栅的移动来测量位移。
当物体位移到磁栅时，磁栅会随之移动，进而改变磁场结构。
例如，当物体向右移动时，磁栅也会向右移动。
这样一来，磁栅中磁极之间的距离会发生变化，从而改变了磁场的分布情况。
因此，我们可以通过测量磁场的变化来确定物体的位移。
然后，磁栅位移传感器利用传感器来探测磁场的变化。
传感器是一种可以感知磁场的装置，它可以将磁场的变化转化为电信号输出。
传感器的基本原理是利用磁场对导电材料的影响，如电磁感应、霍尔效应等。
当磁场的分布发生变化时，传感器会感受到磁场的变化并产生相应的电信号。
最后，磁栅位移传感器利用电信号来确定物体的位移。
传感器将感知到的磁场变化转化为电信号后，会经过处理电路进行放大和滤波。
然后，电信号会被传输到计算机或者显示设备等外部设备进行处理和显示。
通过分析电信号的特征，我们可以得到物体的位移信息。
总的来说，磁栅位移传感器的工作原理包括：利用磁栅产生的磁场结构，通过磁栅的移动改变磁场的分布情况，利用传感器感知磁场的变化并产生相应的电信号，通过处理电路放大和滤波电信号后将其传输到外部设备进行处理和显示。
通过这样的工作原理，我们可以实现对物体位移的测量。
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。
电容位移传感器原理
电容位移传感器原理
电容位移传感器是一种基于电容原理的传感器，用于测量物体的位移。
其工作原理是利用两个带电板之间的电容值随着物体位移的变化而变化。
传感器由一个固定的电极和一个可移动的电极组成。
当物体靠近或离开电极时，电容器的电容值会发生变化。
具体而言，当物体靠近电极时，电容值增加；而当物体离开电极时，电容值减少。
这是因为电容器的电容值与两个电极之间的距离有关。
当物体靠近电极时，它会占据电极与可移动电极之间的部分空间，使得两个电极之间的距离减小，从而增加了电容值。
反之，当物体离开电极时，两个电极之间的距离增大，从而导致电容值的减小。
为了测量电容值的变化，通常会将电容位移传感器连接到一个适当的电路中，以便测量电容值的变化。
这可以通过使用一个电容测量芯片或其他电路元件来实现。
电容位移传感器适用于许多应用领域，如工业自动化、机器人控制和汽车行业等。
通过测量物体的位移，可以实现对物体位置、姿态或位置变化的准确监测和控制。
容栅位移传感器的工作原理
容栅位移传感器的工作原理容栅位移传感器通常由两个平行电极板构成，两个电极板之间填充了一种绝缘介质，如空气。
其中一个电极板是固定不动的，被称为参考电极，而另一个电极板则可以随物体的位移而移动，被称为测量电极。
当物体位于测量电极和参考电极之间时，两个电极板之间就形成了一个电容。
当测量电极与参考电极之间的距离变化时，电容的值也会相应地改变。
因为电容的值与电极之间的距离成反比，所以当距离变小时，电容值会增大；当距离变大时，电容值会减小。
根据这个原理，通过测量电容值的变化，我们可以得到物体的位移信息。
为了测量电容的变化，容栅位移传感器通常采用的方法是改变参考电极与测量电极之间的电压差，从而改变电容值。
在传感器的电路中，参考电极与一个电源相连，而测量电极则与一个电容转换电路相连。
电容转换电路的作用是将电容的变化转换成电压的变化。
一种常见的电容转换电路是使用由操作放大器、电容和电阻组成的反馈网络。
当参考电极与测量电极之间的电容发生变化时，传感器测量电路中的电压也会随之变化。
这个变化的电压信号可以通过操作放大器进行放大，然后传送给外部电路进行进一步的处理和分析。
同时，为了获得更高的测量精度，容栅位移传感器通常会采用多种增强措施。
例如，可以在电容转换电路中使用额外的电容，以增强传感器的线性性能。
此外，还可以使用温度补偿电路来抵消温度对测量结果的影响。
总结一下，容栅位移传感器的工作原理是通过测量物体和传感器之间的电容变化来获取位移信息。
它将参考电极和测量电极之间的电容变化转换成电压信号，并通过电路进行放大和处理。
这样，我们可以得到物体的位移或位置信息。
桂林广陆绝对式容栅位移传感器发明专利获授权
【 ５ 】徐学 忠． 摆线 转子 泵 啮合 特性分 析 ［ Ｊ ］ ． 液 压 与气 动 ，
２ ０ ０ ４ （ １ ０ ） ： ４ ６— ４ ８ ．
由表中计算 可知 ：随着形状 系数 ｃ的增 大 ，容 积 利用率也随着增大 。但 随着 ｃ 的增大 ，转子 的爪尖部
【 ６ 】徐学忠， 宋天麟． 直线共轭齿轮泵的基本参数优化设计
值。
表 １ 容 积 利 用 系数 变 化 表
（ １ ）应 用复数 矢量 法对特 殊爪 型真 空泵转 子 型 线进行 了分析 ，给出了各段 曲线方程 ，根据曲线 方程 作 出了转子型线 。 （ ２ ）对该 真空 泵 的容积利 用系数 的计 算方 法进 行 了研究 ，分析了影响容积利用率 的因素 ，得出了形 状 系数是影 响容积利用率主要因素结论 。 参 考文 献 ：
［ Ｊ ］ ． 机械传 动 ， ２ ０ ０ ７， ３ １ （ ４ ） ： ６ ９— ７ １ ．
米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米
桂林广陆绝对式容栅位移传感器发 明专利获授权
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８ ４・
机床与液压
第４ ｌ 卷
分变尖 ，强度变弱 ，爪根与轴联接处变细 ，联接强 度 降低 ，因此提高容积利用系数 受到限制 。爪顶系数 Ｃ 和爪背系数 Ｃ 的取值 对 容积 利用 系 数 的影 响较 小 ， 它们 的取值主要考虑其对转子形状 的影响 ，如保 持转 子各段 曲线平滑连接 、共轭 曲线不 出现 内凹等条件 。 表 １中的容积利用 系数也较 文献 ［ １ ］相 近系数型线 所得容积利用系数有所增 大。
电容位移传感器原理
电容位移传感器原理
电容位移传感器是一种常用的测量设备，用于测量物体的位移变化。
它的原理是基于电容的变化，通过测量电容的变化来确定物体的位移。
电容是一个和两个电极相关的物理性质，表示电荷储存的能力。
当物体靠近电容器的一个电极时，电荷的储存量会增加，从而导致电容的增加。
反之，当物体远离电容器时，电荷的储存量会减少，导致电容的减小。
为了测量电容的变化，常用的方法是搭建一个电容传感器。
电容传感器一般由两个平行的金属电极构成，它们之间有一个绝缘材料隔离。
当物体靠近电容传感器时，物体会影响金属电极之间的电场分布，从而改变电容的大小。
通过测量电容的变化，可以计算出物体相对于传感器的位移。
一种常用的方法是将一个高频信号施加到电容传感器上，然后测量电容器两个电极之间的电压。
位移越大，电容的变化就越大，电压的变化也越大。
为了提高测量精度，还可以采用差分方法。
通过引入一个参考电容器，可以消除环境因素对测量结果的影响，从而提高测量的准确性。
总的来说，电容位移传感器利用电容的变化来测量物体的位移。
它具有简单、灵敏和可靠的特点，在工业生产和科学研究中有着广泛的应用。
磁栅伸缩位移传感器工作原理
磁栅伸缩位移传感器工作原理
磁栅伸缩位移传感器是一种用于测量物体线性位移的传感器。
它通过测量磁栅的位移来确定物体的长度变化。
这种传感器使用磁栅材料制成，其中包含着许多细小的磁性条纹。
当物体发生位移时，磁栅也会伸缩，导致磁性条纹的间距发生变化。
该传感器工作的基本原理是利用磁性条纹之间的磁感应强度的变化。
当磁栅伸缩时，磁感应强度的分布也会随之变化。
传感器中包含一个磁束传感器（如霍尔效应传感器或磁电阻传感器），用于测量磁通量的变化。
通过测量磁通量的变化，可以计算出磁栅的位移。
具体的工作原理可以分为下面几个步骤：
1.传感器安装：将磁栅安装在需要测量位移的物体上。
磁栅的长度应与物体的长度一致，以确保测量的准确性。
2.磁场产生：在传感器的一侧，产生一个稳定的磁场。
这可以通过使用永久磁铁或电磁铁来实现。
3.磁感应强度测量：传感器中的磁束传感器测量磁通量的变化。
磁通量是单位面积上通过的磁场的总磁场线数。
4.位移计算：根据测量到的磁通量变化，可以推算出磁栅的位移。
这可以通过使用已知的磁栅位移与测量到的磁通量变化之间的关系来实现。
需要注意的是，由于磁感应强度与磁通量之间的关系是非线性的，并且受到磁栅材料的磁导率、温度等因素的影响，因此在实际测量中可能需要进行校准和温度补偿。
位移传感器工作原理
位移传感器工作原理位移传感器是一种用于测量物体位置变化的设备，它能够将物体的位移转换成电信号输出，从而实现对物体位置的监测和控制。
位移传感器在工业自动化、机械制造、航空航天等领域都有广泛的应用，其工作原理十分重要，下面我们将对位移传感器的工作原理进行详细介绍。
1. 电容位移传感器。
电容位移传感器是一种常用的位移传感器，它利用电容的变化来测量物体的位移。
当物体移动时，与传感器平行的电容板之间的电容会发生变化，进而导致电压信号的变化。
通过测量电压信号的变化，就可以得知物体的位移情况。
电容位移传感器的工作原理是利用两个平行的电容板之间的电容与板间距和板面积成正比的关系。
当物体移动时，板间距会发生变化，从而导致电容的变化。
通常情况下，电容传感器会配合一个电荷放大器来测量电容的变化，并将其转换成电压信号输出。
2. 感应位移传感器。
感应位移传感器是利用感应原理来测量物体的位移。
它通常由一个线圈和一个铁芯组成，当物体移动时，线圈中的感应电流会发生变化，从而产生感应电压。
通过测量感应电压的变化，就可以得知物体的位移情况。
感应位移传感器的工作原理是利用磁场的变化来感应电压的变化。
当物体移动时，线圈中的磁场会发生变化，从而产生感应电压。
通常情况下，感应传感器会配合一个放大器来放大感应电压，并将其转换成电压信号输出。
3. 光电位移传感器。
光电位移传感器是利用光电效应来测量物体的位移。
它通常由一个光源和一个光电二极管组成，当物体移动时，光线的强度会发生变化，从而导致光电二极管的输出电流发生变化。
通过测量光电二极管的输出电流的变化，就可以得知物体的位移情况。
光电位移传感器的工作原理是利用光线的强度与物体位置的关系来测量位移。
当物体移动时，光线的强度会发生变化，从而导致光电二极管的输出电流发生变化。
通常情况下，光电传感器会配合一个放大器来放大光电二极管的输出电流，并将其转换成电压信号输出。
总结，位移传感器是一种用于测量物体位置变化的设备，它能够将物体的位移转换成电信号输出，从而实现对物体位置的监测和控制。
容栅位移传感器的工作原理
以电容器为敏感元件，将机械位移量转换为电容量变化，可进行位移的测量。
平行板电容器的电容与极板面积成正比，与极板间距成反比。
由一个固定极板和一个可移动极板，可以组成变面积式电容传感器。
改变两极板的对应面积，传感器的电容随之变化。
容栅位移传感器是基于变面积工作原理的电容传感器，其电极的排列如同栅状，相当于多个变面积型电容传感器的并联。
容栅结构如图2.2.1所示，定极板为两组等间隔交叉的极栅，动极板的极距相同且栅宽相同。
动极板相对于定极板移动时，机械位移量转变为电容值的变化，通过电路转化得到电信号的相应变化量。
物理实验中使用的一种电子数显尺，就是采用如图2.2.2所示的多级片型容栅作为传感器，动尺的多组栅片并联是为了提高测量精度及降低对传感器制造精度的要求。
动极板在移动的过程中，始终与不同的小电极组成差动电容器。
动尺相对于定尺移动时，电容周期变化，产生的脉冲信号通过电路转化放大及芯片计算得到位移值的变化，并显示出来。
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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。
当发射电极片1,2,…8分别加以激励电压E 1,E 2,…E 8时,通过电容耦合在反射极片上产生电荷,再通过电容在公共接收极上产生电荷输出。
图1 容栅传感器结构和安装示意图 当容栅发射极E被加载一个频率和相位严格按周期变化的激励电压信号V E时,根据电容器的工作原理,反射极M将会感应产生与V E频率及相位相同电压信号VM, (充电电荷Q=V C,当工艺结构确保C一定时,Q∝V).同理,在接收极R将得到频率与相位也与激励信号相同的感应信号V R.当反射极M相对于发射极E 发生位移时,尽管反射极M在一瞬间,任一位置均对应于该瞬间和位置上发射极E i的相应激励状态,但移动的反射极M上所感应的信号则不能保持其静止时所感应的信号波形,而产生随位移∃X变化而导致相位与频率变化的感应信号V′M.随之,接收极R也产生随VM而变化的感应信号V′R.这样,在由容栅传感器的制造工艺保持其结构参数精确一致的条件下,只要由电路保证产生加载于发射极上的激励信号之频率和相位的稳定,并由电子细分逻辑决定相位变化的最小分辨率,则该最小相位变化便对于一定的位移变化∃X.假设最小分辨率(最小相位变化)为一个时钟脉冲Υ,则所述变化的对应关系定义为脉冲当量∃S.∃S=∃X Υ(1) 当静止时,输出方波的频率及相位一定,当定尺(即反射极板M)相对于动尺(即发射极E 和接收极R)位移时,输出波形的相位及频率将产生变化,移动停止,输出波形的周期恢复原周期,但相位与移动前不同。
这样,在移动过程中,由鉴频及计数自动记下周期变化,计算时,读取这一周期变化数加上计算出的相位变化∃Υ,根据公式S=∃Υ ∃S便求得位移量S.对于电子数显卡尺芯片78102,时钟Υ=185kH z,经过分频得到方波,再经过移相得到8路驱动信号,依次加到发射极E1～E8上,E1～E8的信号频率相同,相位依次相差Π 4,因为时钟周期TΥ=514Λs,加载于发射极E的激励信号周期为T E=512Υ=2.7648m s,相位最小分辨率为1Υ=0.703125°,基准分频为128分频器,因此当 T’R-T R =256Υ时,计数器加1或减1(由正向或逆向位移决定)。
设计数器计数值变化为∃C,则总位移量为S=(∃C 256Υ+∃Υ)∃S .(2) 根据芯片内部的逻辑设计,要求容栅传感器的结构保证脉冲当量为∃S=0.009921875mm(或=0.000390625inch) . 每个反射极板M对应四条发射极栅宽,周期变化255Υ对应于M位移四个发射极栅宽,由引得容栅传感器的基本结构尺寸为:反射极栅宽及间距:W M=256Υ ∃S=2.54mm=0.1inch发射极栅宽:W E=0.25W M=0.635mm=0.025inch由最小分辨率求得允许的最大位移速度为V m ax=1.837m s .48 桂林电子工业学院学报 1997年3月图2 芯片内容结构因为电路内部设计均按上述要求选取运算和常数(电子细分逻辑决定),因此,传感器结构尺寸必须保证,否则将会产生较大的计算误差。
2 芯片介绍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、L CD 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Π 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。
L CD数码驱动器把位移数据变换成1 2L CD 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L CD 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L CD ,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150kH z 或180kH z 的晶体。
27脚为双功能引脚,当27脚接VDD 时,L CD 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(串行数据输出端),32脚为公 英制转换脚,每接一次VDD ,就转换一次公英制。
3脚接V R (-115V )为固定公制。
31脚接V R (-1.5V )为倍显功能,显示数为实际值的两倍,这用于机床数显中的直径显示。
25脚接VDD 改变方向,也就是说,如果动栅左移为数据增加方向,接25脚后,则变为数值减少方向。
3 应用研究的数显卡尺超限报警、数显卡尺数据处理打印机、容栅机床数显装置都采用从串行输出口读取数据的办法。
串行输出的掌握是通过长期观察研究和实践证明的。
引脚27为同步脉冲端(CP 端),引脚28为数据端(D 端)。
从图3上可看出,每次输出有两组数58第1期 郝卫东:容栅位移传感器 据,每组数据为3字节二进数,每字节为8位,高位在前,低位在后,前一组数为绝对零点位移值,后一组数据为相对零点位移值,按清零键后,前一组数据不便不变,后一组数据被清零。
图3 输出信号波形图 使用:使用时要特别注意D 和CP 信号为-1.5V 信号,由于幅值比较小而且是负电压,所以做接口变换电路时要求延时比较小而且两路延时相等。
4 结束语 容栅技术是一项新兴的技术,它的开发应用前景十分广泛,作者一直从事这一技术的应用研究和开发,撰写此文,旨在让更多的人了解并参与这一技术的研究和应用。
参考文献1 B Peter ,Ko sel .Capactive transducer fo r accurate disp lacem ent contro l .IEEE T ransacti o s on Instrum enta 2ti on and M easurem ent ,1981,30(2)2 沈生培.电容式数显卡尺的研究.计量学报,1988,9(1)3 强锡富,丁雪梅.容栅测量系统的进展.工具技术,1985;1Capac itance Grati ng Tran sducer (C .G.T )H ao W eid ong(D ep t .of E lectron ic M ach inery Engineering )AbstractIn th is pap er the circu it structu re of the capacitance grating in tegrated circu it 78102and the op erating p rinci p le of electron ic digital cali pers by analysing th is I C ′s structu re are in tro 2duced .T he grating space of m ovab le grating and con stan t grating are calcu lated .T he app li 2ance of special series data ou tp u t ter m inal is also described .Key words electron ic digital cali pers ,cap acitance grating tran sducer ,the in tegrated circu itfo r sp ecial u se 68 桂林电子工业学院学报 1997年3月。