《课程讲解》-11-4磁栅容栅传感器
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。
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。
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。
自动检测技术及应用第十一章
···
n = 60fc /（Nm2 ） = 60*1000000/（1024*3000） =19.53 r/min
M/T法测速（高速、低速场合均可使用）
M/T法与M法稍有不同： 闸门时间发生器受角编码器输出脉冲上升沿 的触发，在经历设定的时间后，闸门高电平信号 随被测脉冲上升沿而同步结束。
低位 高位
绝对式光电码盘（12码道） 增量式光电码盘（1024位）
绝对式光电编码器的分辨力及分辨率
绝对式光电编码器的测量精度取决于它 所能分辨的最小角度，而这与码盘上的码道 数n 有关，即最小能分辨的角度为：
α=360°/2n
分辨率=1/2n
增量式光电编码器的分辨力及分辨率
增量式光电编码器的测量精度取决于它 所能分辨的最小角度，而这与码盘圆周上的 狭缝条纹数n 有关，即最小能分辨的角度及 分辨率为：
其他角编码器外形（续）
2015/12/6 Sunday
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其他角编码器外形（续）
拉线式角编 码器利用线轮， 能将直线运动转 换成旋转运动。
2015/12/6 Sunday
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2．绝对式光电编码器
低位 高位
a）光电码盘的平面结构（8码道） b）光电码盘与光源、光敏元件的对应关系（4码道）
绝对式光电码盘与增量式码盘的区别
T法测速（适合于低转速场合）
编码器输出脉冲
m2 时钟脉冲fc
···
编码器每转产生 N 个脉冲，用已知 频率fc作为时钟，填充到编码器输出的两 个相邻脉冲之间的脉冲数为m2 ，则转速 (r/min)为 n = 60fc / （Nm2 ）
T法测速举例
有一增量式光电编码器，其参数为1024p/r，测 得两个相邻脉冲之间的脉冲数为3000，时钟频率fc为 1MHz ，则转速（r/min)为 ：
磁栅传感器
2020/1/11
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节距（W）：磁信号波长
在N-N，S-S重叠部分磁感应强度最强，极性相 反，从N到S磁感应强度呈正弦波变化。
常用的磁信号节距为0.05mm和0.20mm。 分为尺形、带形、同轴形三种，一般用尺形。
磁头
压板
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磁栅在磨床测长系统中的应用
磁尺
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磁头安装在何处？
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2.鉴幅型：
利用输出信号的幅值大小来反映磁头的位 移量或与磁尺的相对位置的信号处理方式。
把输出感应电动势经检波器去掉高频 载波后得：
2x
e1 Em sin w
e2
Em
cos
2x
w
输出信号与光栅传感器的输出信号类似处理
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1.鉴相型磁栅数显表的原理框图
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工作原理（静态）
励磁绕组起磁路开关作用
当励磁绕组N1不通电流时，磁路处于不饱和状态， 磁栅上的磁力线通过磁头铁心而闭合。
如果在绕组中通入交变电流，当交变电流达到某一 个幅值时，铁心饱和而使磁路“断开”，磁栅上的磁 通就不能在磁头铁心中通过。反之，当交变电流小于 额定值时，可饱和铁心不饱和，磁路被“接通”，则 磁栅上的剩磁通就可以在磁头铁心中通过。
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感应电动势的频率为励磁电流频率的两 倍
不管激励电流在正半周或负半周，只要 电流幅值超过某一额定值，它产生的正向或 反向磁场均可使磁头的铁心饱和，这样，在 它变化一个周期，铁心饱和两次，磁头输出 绕组中输出电压信号为非正弦周期函数，
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。
第二节磁栅传感器
第二节、磁栅传感器磁栅传感器主要由磁栅、磁头和测量电路三部分组成；磁栅传感器是一种利用磁栅与磁头之间的磁作用以计算磁波数目来进行测量的位移传感器。
磁栅传感器的特点是把位移直接转换成数字量，可用于直线位移和角位移的测量，且具有制作工艺简单、成本较低、复制方便、易于安装、调整方便、测量范围广、不需要接长等优点。
当需要时，可将原来磁栅上的磁信号抹去，重新录制。
还可以安装在机床上之后再录制磁信号，这对于消除安装误差和机床本身的几何误差，以及提高测量精度都是十分有利的。
因此在大型机床的数控、精密机床的自动控制等方面得到了广泛的应用。
一、磁栅结构及工作原理磁栅是指记录一定波长的矩形波或正弦肢信号的涂有磁粉的非磁性长尺或圆盘，如图10-12所示。
图10-12磁栅结构图磁栅基体是用非导磁材料做成，采用涂敷、化学沉积或电镀的方法在磁栅基体上敷上一层很薄的磁性材料，经过录磁的方法使得敷层磁化成相等的节距，便做成了磁栅。
磁栅基体材料要求不导磁；其热膨胀系数与仪器或机床的相应部分相近似；磁性薄膜的剩磁要大，矫顽力要高；尺面要光滑。
图10-13磁栅录磁示意图磁栅上从一对N极到相邻的另一对N极之间的距离称为节距d，通常为0.05mm、0.lmm、0.2mm等，目前常用的磁信号节距为0.05mm和0.2mm 两种。
录磁过程示意图如图10-13所示。
磁栅的工作原理与普通磁带的录磁和拾磁的原理是相同的。
通过录磁磁头在磁尺上录制出节距严格相等的磁信号作为计数信号，最后在磁尺表面还要涂上一层1～2µm厚的保护膜，以防磁头频繁接触而造成磁膜磨损，用它作为测量位移量的基准尺。
在检测时，用拾磁磁头读取记录在磁性标尺上的磁信号，通过检测电路将位移量用数字显示出来或送至位置控制系统。
测量用的磁栅与普通的磁带录音的区别在于：①、磁性标尺的等节距录磁的精度要求很高，因为它直接影响位移测量精度。
为此需要在高精度录磁设备上对磁尺进行录磁。
②、当磁尺与拾磁磁头之间的相对运动速度很低或处在静止状态时，也应能够进行位置测量。
磁栅传感器
磁栅传感器本次课主要内容⏹磁栅传感器结构⏹磁栅传感器原理⏹输出信号处理磁栅式传感器：利用磁栅与磁头的磁作用进行测量的位移传感器。
•特点：磁栅价格低于光栅，且录磁方便、易于安装和调整，测量范围宽（从几十毫米到数十米），抗干扰能力强。
一般应用在大型机床的数字检测，自动化机床的自动控制及定位控制等。
1:磁栅传感器结构⏹磁栅传感器=磁栅（磁尺）+磁头+信号处理电路⏹磁栅结构：磁栅基体是用非导磁材料（玻璃，磷青铜）做成的。
磁栅是在基体材料上镀上一层磁性薄膜经过录磁所制。
注：磁栅基体要有良好的加工性能和电镀性能，其线膨胀系数应与被测件接近。
录磁信号幅度要均匀，节距均匀。
磁栅分类：长磁栅圆磁栅磁栅的外形及结构磁尺静态磁头去信号处理电路固定孔磁头•磁头作用：读出磁栅上录制的磁信号•磁头分类：动态磁头和静态磁头动态磁头又称速度响应式磁头：它有一组输出绕组，只有当磁头磁栅有相对运动时才有信号输出。
动态磁头原理：当磁头与磁栅相对运动时电磁感应将在磁头线圈产生感应电动势，输出信号，速度不同电动势大小也不同，输出信号也不同，当两者速度为零时没有信号输出。
动态磁头：只有一个绕组，当磁头沿磁尺作相对运动时才有信号输出，输出为正弦波，在N-N重叠处输出正信号最强，在S-S重叠处负信号最强。
⏹静态磁头即调制磁头又称磁通响应式磁头，在磁栅与磁头没有发生相对运动的情况下也有信号输出。
（它有两组绕组一组为输出绕组，一组为励磁绕组）⏹静态磁头原理：在励磁绕组中通入交流电，使磁芯可饱和的部分在每周有两次饱和，在此时磁通量变化不能引起输出绕组才生电动势，只有在励磁电流为零时才能引起产生电动势，所以在不运动时也能输出信号。
静态磁头的结构及其磁化波形磁栅传感器原理动态触头型：静态磁头型：输出信号处理⏹动态磁头信号的处理：把输出的信号放大整形，然后用计数器记录脉冲数n 就可以测量出s=nv，但这种方法精度低且不能判断出移动方向。
⏹静态磁头信号处理：1:鉴幅方式2：鉴相方式1.鉴幅方式把输出感应电动势经检波器去掉高频载波后得：w x E e m π2sin 1=''wx E e m π2cos 2=''w x t E e m πω2sin sin 1=wx t E e m πω2cos sin 2=输出感应电动势2.鉴相型输出感应电动势wx t E e m πω2sin sin 1=wx t E e m πω2cos sin 2=把e1经电子线路移相90度后，得wx t E e m πω2sin cos 1='将它与e2相加得：)2sin(wx t E e m πω+=上式表明：鉴相处理后，电动势e 的幅值是常数，其载波相位正比与位移量x ，用电子线路判断相位角，即可获得位移量及位移的方向。
第2章位移检测传感器之磁栅传感器
移量及位移的方向。
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磁栅式传感器特点： 磁栅位移传感器有较高精度，目前可以作到系 统精度达0.01mm/m 分辨力为1～5m 但磁信号的均匀性和稳定性对磁栅式位移测量 的精度影响较大。
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18、磁栅式位移传感器可分为测量线位移的 长磁栅和测量角位移（ ）（单一）
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18、磁栅式位移传感器可分为测量线位移的 长磁栅和测量角位移（圆磁栅）
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静态磁头
静态磁头的工作原理
N1 为励磁绕组， N2 为感应输出绕组。 在励磁绕组中通入 高频的励磁电流， 一般频率为5kHz或 25kHz， 幅值约为 200 mA。
1—磁头；2—磁栅；3—输出波形
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工作原理（静态）
励磁绕组起磁路开关作用
当励磁绕组N1不通电流时，磁路处于不饱和状态， 磁栅上的磁力线通过磁头铁心而闭合。 如果在励磁绕组中通入交变电流i=i0sinωt，当 交变电流i的瞬时值达到某一个幅值时，横杆上的铁 心材料饱和，这时磁阻很大，而使磁路“断开”，磁 栅上的磁通就不能在磁头铁心中通过。反之，当交变 电流i的瞬时值小于某一数值时，横杆上的铁心材料 不饱和，这时磁阻也降低得很小，磁路被“接通”， 则磁栅上的剩磁通就可以在磁头铁心中通过。由此可 见，励磁线圈的作用相当于磁开关。
根据磁栅和磁头相对移动读出磁栅上的信号的 不同，所采用的信号处理方式也不同。
动态磁头只有一组绕组，其输出信号为正弦波，
信号的处理方法也比较简单，只要将输出信号放大整 形，然后由计数器记录脉冲数n，就可以测量出位移 量的大小。但这种方法测量精度较低，而且不能判别 移动方向。
s n
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静态磁头一般用两个，双磁头是为了识别磁栅
励磁电流在一个周期内两次过零，两 次出现 峰值。只要电流幅值超过某一额定值，它产生的 正向或反向磁场均可使磁头的铁心饱和，这样， 在它变化一个周期，铁心饱和两次，相应的磁开 关通断两次。磁路在由通到断的时间内，输出线 圈中的交链磁通量由Φ0变化到0；磁路在由断到 通的时间内，输出线圈中的交链磁通量由0 变化 到Φ0 ； Φ0由磁性标尺中的磁信号决定，因此输 出线圈中输出的是一个调幅信号。
编码器、磁栅、光栅的工作原理及作用
编码器的工作原理及作用：它是一种将旋转位移转换成一串数字脉冲信号的旋转式传感器，这些脉冲能用来控制角位移，如果编码器与齿轮条或螺旋丝杠结合在一起，也可用于测量直线位移。
编码器产生电信号后由数控制置CNC、可编程逻辑控制器PLC、控制系统等来处理。
这些传感器主要应用在下列方面：机床、材料加工、电动机反馈系统以及测量和控制设备。
在ELTRA编码器中角位移的转换采用了光电扫描原理。
读数系统是基于径向分度盘的旋转，该分度由交替的透光窗口和不透光窗口构成的。
此系统全部用一个红外光源垂直照射，这样光就把盘子上的图像投射到接收器表面上，该接收器覆盖着一层光栅，称为准直仪，它具有和光盘相同的窗口。
接收器的工作是感受光盘转动所产生的光变化，然后将光变化转换成相应的电变化。
一般地，旋转编码器也能得到一个速度信号，这个信号要反馈给变频器，从而调节变频器的输出数据。
故障现象：1、旋转编码器坏（无输出）时，变频器不能正常工作，变得运行速度很慢，而且一会儿变频器保护，显示“PG断开”...联合动作才能起作用。
要使电信号上升到较高电平，并产生没有任何干扰的方波脉冲，这就必须用电子电路来处理。
编码器pg接线与参数矢量变频器与编码器pg之间的连接方式,必须与编码器pg的型号相对应。
一般而言,编码器pg型号分差动输出、集电极开路输出和推挽输出三种,其信号的传递方式必须考虑到变频器pg卡的接口,因此选择合适的pg卡型号或者设置合理. 编码器一般分为增量型与绝对型，它们存着最大的区别：在增量编码器的情况下，位置是从零位标记开始计算的脉冲数量确定的，而绝对型编码器的位置是由输出代码的读数确定的。
在一圈里，每个位置的输出代码的读数是唯一的； 因此，当电源断开时，绝对型编码器并不与实际的位置分离。
如果电源再次接通，那么位置读数仍是当前的，有效的； 不像增量编码器那样，必须去寻找零位标记。
现在编码器的厂家生产的系列都很全，一般都是专用的，如电梯专用型编码器、机床专用编码器、伺服电机专用型编码器等，并且编码器都是智能型的，有各种并行接口可以与其它设备通讯。
第2章位移检测传感器之磁栅传感器
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几种常见磁栅的结构
1－磁头 2－磁栅 3－屏蔽罩 4－基座 5－软垫
圆磁栅传感器
10
大尺寸磁栅尺外形图
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（二）磁头
磁栅上的磁信号先由录磁头录好， 再由读取磁头读出，按读取信号方式的 不同，磁头可分为 动态磁头 静态磁头
励磁电流在一个周期内两次过零，两 次出现 峰值。只要电流幅值超过某一额定值，它产生的 正向或反向磁场均可使磁头的铁心饱和，这样， 在它变化一个周期，铁心饱和两次，相应的磁开 关通断两次。磁路在由通到断的时间内，输出线 圈中的交链磁通量由Φ0变化到0；磁路在由断到 通的时间内，输出线圈中的交链磁通量由0 变化 到Φ0 ； Φ0由磁性标尺中的磁信号决定，因此输 出线圈中输出的是一个调幅信号。
磁尺
固定孔
去信号处理电 路
磁栅的外形及结构图
4
磁头
磁尺
磁栅外观图
5
磁栅式传感器的测试原理
磁栅上录有等间距的磁信号，它是利用磁带录 音的原理将一定波长的电信号(正弦波或矩形波)用 录磁（即用录音磁头沿长度方向按一定波长记录一周期性信号，以剩磁的形 式保留在磁尺上，这样磁尺上录上一定波长的磁信号）的方法记录在 磁性尺子或圆盘上而制成的。
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鉴幅法
它是利用输出信号幅值大小来反映磁头的位移量或磁尺相对位置的信号处理方式。
若两磁头的激励磁绕组加上同相的正弦激励磁信号
U i 1 U m sin t
则两磁头的输出信号为
E1 U
m
sin
2s
sin t
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。
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作业 p201:3、5
休息一下
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。
各种容栅测量装置
各种容栅数显表
各种容栅数显卡尺
各种容栅数显卡尺（续）
该卡尺的分辨力为多少微米？
各种容栅卡尺（续）
各种容栅数显卡尺（续） 外卡尺
汽车专用卡尺
各种容栅数显卡尺（续）
内卡尺
容栅数显卡尺的结构
容栅数显卡尺内的数据 和信号处理组合功能块
数显千分尺
该千分尺的分辨力为多少微米？
数显千分尺（续）
数显外径测量台
数显内螺孔深度尺
容栅数显百分表
红宝石 测头
其他容栅数显百分表
容栅数显千分表
可以显示1m位 移量的千分表
千分表与百分表的 本质区别在哪里？
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1 米/秒
测 头
底座
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
鉴相型磁栅数显表的原理框图
设置两个磁头的 意义何在？
磁尺与磁头接触，使用寿命 不如光栅，数年后易退磁。
磁栅测量系统
磁尺
磁头 压板
磁栅在磨床测长系统中的应用
磁尺
磁头安装在何处？
第五节 容栅传感器
容栅传感器是基于变面积工作原理 的电容传感器，它的电极排列如同栅状。 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、造价 低、耗电省，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。
第十一章：第四节 磁栅传感器
磁栅价格低于光栅，且录磁方便、易 于安装，测量范围宽可超过十几米，抗干 扰能力强。磁栅可分为和圆磁栅。长磁栅 主要用于直线位移测量，圆磁栅主要用于 角位移测量。磁栅传感器主要由磁尺、磁 头和信号处理电路组成。
磁栅的外形及结构
静态磁头 磁尺 固定孔 去信号处理电路
磁头与磁尺相对运动时的输出波形演示