容栅式传感器的原理
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。
电容式传感器
电容值与电极材料无关，仅取决于电极的几何尺寸，且空 气等介质的损耗很小。因此仅需从强度、温度系数等机械性考 虑，合理选择尺寸即可，本身发热极小，影响稳定性甚微。 2）结构简单，适用性强。
3)动态响应好。 （固有频率很高，动态响应时间很短外，又由于其介质损耗小， 可以用较高频率供电，因此系统工作频率高。 4)可以实现非接触式测量，具有平均效应。
d d0
d d0
2
d d0
3
C
C1
C2
C0
2
d d0
2
d d0
3
2
d d0
C
0
1
d d0
2
d d0
4
略去高次项，则
C
2
d d0
C0
传感器的灵敏度为 K C 2C0 d d0
其非线性误差为
( d )3
d 0 (d /d 0)2 100%
( d ) d0
灵敏度较单组变极距型提高了一倍，非线性大大减小。
②等有U关sc ，与任电何源这电些压参U数的、波固动定都电将容使C0及输电出容特式性传产感生器误的差ε，0因、此A 固定电容C0必须稳定，且需要高精度的交流稳压源。 ③由于电容传感器的电容小，容抗很高，故传感器与放大器之 间的联结，需要有屏蔽措施。 ④不适用于差动式电容传感器的测量。
五、电容式传感器的特点及设计要点
主要缺点：
输出阻抗高，负载能力差 寄生电容影响大
输出特性是非线性
2、设计要点
设计时可从以下几个方面考虑：
1)减小环境温度、湿度等变化所产生的误差，保证绝缘材料
的绝缘性能；
2)消除和减小边缘效应 边缘效应不仅使电容传感器灵敏度降低而且产生非线性，
容栅传感器应用实例
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？
18
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
19
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
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。
电子身高尺容栅原理
பைடு நூலகம் •
图1 固定容栅结构
•
图2 动栅结构图
• (3) 信号处理电路。信号处理电路工作在鉴 相器模式下 ，整个电路包括晶体振荡电路、 信号放大电路、采样调制、相位比较、分 频驱动、数据处理等若干部分组成，如图 3 所示。
图3 信号处理电路
• 2、工作原理 • 由晶振产生的时钟信号经多级分频处理后，产生 依次相差 45 °的8路调制方波信号，它分别激励 动栅 A,B,C, …… ,H 8 个栅片。当动栅与定栅保 持适当的间隙并平行放置在一起时，每个动栅片 与其相对应的定栅片形成一个电容器，当交流的 方波信号激励动栅片时 ，对应的定栅片通过电容 器接收信号，因为任何一个瞬间每组动栅片都有 4 个动栅片与定栅片相对应，所以定栅片除接收 动栅片上的信号外，还有一个收集合成作用。同 时由动栅结构决定每一个时刻都有 5 个定栅片起 这样的作用，与此同时定栅片又与接收极形成电 容，定栅片上合成的电信号通过电容耦合到接收 极 J 上，形成信号处理电路的输入信号。
• (2)可动容栅 ( 简称动栅 ) 以定栅一样也为 铜片组成。如图 2 所示。节距为 t = T/ 8 = 0 .635 mm ，每一动栅由 48 片独立栅片构 成 ，对应定栅的一个节距有 8 个动栅片 (A,B,C,D,E,F,G,H), 一般称为发射极。每 8 个栅片为一组，一般每块动栅由 6 组栅片 并联。一方面提高测量精度 ，另一方面又 降低了对传感器制造精度要求。
電子身高尺传感器结构及工作原理
• 1、结构 • 容栅式直线同步传感器由容栅付及相应的信号处 理电路组成。 组成容栅付的固定容栅和可动容栅 是该传感器的关键部件。 • (1)固定容栅（简称定栅）在测量过程中位置固定 不变，它是测量的基准部件。它是由有规律排列 的金属片组成。如图 1 所示。其节距 T = 5 .08 mm ，公共板极和独立的定栅片宽度各为总宽度 的一半 , 即 2.54 mm 。
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。
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
别加在电极片上。根据谐波原理，方波由基波与高次 谐波之和组成，因此仍可用正弦波理论进行讨论。设 动尺相对定尺的初始位置及每个小发射电极片所加的 激励电压相位如图4.15(a)所示。各发射电极片与反射
电极片M (或称中间电极片)全覆盖时的电容均为C0，如 图在4反.1射5(电b)极所片示M，上当的位感移应x 电 l荷0 为(发：射电极片宽度)时，
的矩形交变电压Um1、Um2。
B
x
L0
P
0
L0
L0 A
测量转换系 统
方波发生 器
U
2
S2
Um 显示装置
S1 U
Um Um
1 2 3 456789
12
P
l0
位置a Um Um
1 2 3 456789
12
P
1
图4.14 调幅式测量系统 原理图
位置b
2.调相式信号处理 容栅式传感器动尺上的发射电极片E每8片一组，将8
1.3 容栅式传感器的信号处理方式
1.调幅式信号处理
调幅式测量系统原理如图4.14所示。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。 动尺上的两组电极片各由4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，给两组电极片分别加以同频、等幅、反相
传感检测技术基础
容栅式传感器
1.1 容栅式传感器的工作原理
1.长容栅传感器 根据电场理论并忽略边缘效应其最大电容量为
Cmax
n
ab
2.圆容栅传感器 其工作原理与长容栅相同，最大电容量为
Cmax
(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。
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，利用电容变化来检测物体的位置或运动状态。
其原理是利用电容器的两个电极之间的空气间隙或介质来存储电荷，当两个电极之间的距离改变时，电荷的存储量也随之改变，从而导致电容值的变化。
容栅传感器的电容值可以通过测量输入电压与输出电压之间的比例来确定。
当物体靠近传感器时，电容值会增加，因此输出电压也会相应地改变。
这种变化可以被放大并解释为物体位置的变化或运动状态的变化。
容栅传感器的构造分为两种：平板型和圆柱型。
平板型容栅传感器通常由两个平行的金属板组成，之间有一定的空气间隙或介质。
当物体靠近时，空气间隙或介质会被压缩，从而导致电容值的变化。
而圆柱型容栅传感器则是将金属电极包裹在圆柱形的介质中，当物体靠近时，介质会被挤压，从而导致电容值的变化。
容栅传感器广泛应用于机器人、汽车、电子设备和医疗设备等领域。
在机器人中，容栅传感器可以用来检测机器人的位置和方向，以帮助机器人导航和避免碰撞。
在汽车中，容栅传感器可以用来检测车辆的位置和速度，以帮助驾驶员控制车辆。
在电子设备中，容栅传感器可以用来检测按钮的按下和触摸屏的触摸。
在医疗设备中，容栅传感器可以用来检测患者的呼吸和心跳。
容栅传感器是一种非常重要的传感器，其原理是利用电容变化来检测物体的位置或运动状态。
它可以广泛应用于各种领域，为现代科技的发展做出了重要贡献。
电容传感器的基本原理及应用
电容传感器的基本原理及应用1. 引言电容传感器是一种常见的传感器，其原理基于电容的概念。
本文将介绍电容传感器的基本原理和其在各种应用中的使用。
2. 电容传感器的基本原理电容传感器利用电容的变化来感知周围环境或物体的特征。
当电容传感器与周围的物体或介质接触时，电容的值会发生变化，进而导致传感器输出信号的变化。
3. 电容传感器的工作原理电容传感器由两个电极板组成，中间由介质隔开。
当电容传感器接触到物体或介质时，介质的介电常数会影响电容器中的电场强度，进而导致电容值的变化。
4. 电容传感器的应用领域•温湿度监测：通过测量介质的电容值变化来判断环境的温度和湿度。
•接近检测：利用物体与电容传感器之间的距离变化来实现接近检测。
•液位检测：通过电容传感器测量介质的电容值变化来判断液位的高低。
•手势识别：通过电容传感器感测手势的变化实现手势识别功能。
•液体浓度检测：通过电容传感器感测介质中溶质的浓度变化来判断溶液浓度。
5. 电容传感器的优缺点5.1 优点•灵敏度高：电容传感器对周围环境的变化非常敏感，能够捕捉到微小的信号变化。
•响应速度快：电容传感器响应速度较快，适用于对实时性要求较高的应用场景。
•高精度：电容传感器的测量精度较高，能够提供准确的测量结果。
5.2 缺点•受到环境干扰：电容传感器容易受到周围环境的影响，如电磁干扰等。
•需要校准：由于电容传感器的灵敏度较高，可能需要进行校准以提高测量的准确性。
6. 总结电容传感器是一种广泛应用于各种领域的传感器，它通过感知电容值的变化来获取周围环境或物体的信息。
电容传感器具有灵敏度高、响应速度快、高精度等优点，但也存在受环境干扰的问题。
无论是温湿度监测、接近检测、液位检测还是手势识别等应用领域，电容传感器都发挥着重要的作用。
以上是对电容传感器基本原理及应用的简要介绍，希望能对读者对电容传感器有一定的了解和认识。
对于深入研究和应用电容传感器，还需进一步学习相关知识和进行实践。
简述容栅传感器的工作原理
简述容栅传感器的工作原理容栅传感器是一种常用的传感器，它可以通过测量电容值来检测目标物体的位置和运动状态。
它的工作原理是根据电容效应来实现的。
电容效应是指当两个导体之间存在电压差时，它们之间会产生一个电场，导致两个导体之间的电荷分布发生改变。
当目标物体接近或离开容栅传感器时，目标物体与传感器之间的电容会发生变化，从而产生对应的电信号。
容栅传感器通常由两个平行的导体板组成，其中一个导体板被称为驱动板，另一个被称为感应板。
驱动板上会施加一个交变电压，而感应板则用来检测电容的变化。
当目标物体靠近传感器时，它会与感应板之间形成一个电容，而这个电容会影响感应板上的电荷分布。
通过测量感应板上的电荷变化，就可以得知目标物体的位置和运动状态。
容栅传感器的工作原理可以通过以下步骤来解释。
首先，当驱动板上施加一个交变电压时，会在感应板上产生一个交变电场。
然后，当目标物体靠近感应板时，它会影响感应板上的电场分布，从而改变感应板上的电荷分布。
最后，通过测量感应板上电荷的变化，就可以确定目标物体的位置和运动状态。
容栅传感器的灵敏度和精度取决于许多因素，包括电压的大小、感应板和目标物体之间的距离以及目标物体的电导率。
通常情况下，当电压增大、感应板与目标物体之间的距离减小、目标物体的电导率增大时，传感器的灵敏度和精度会提高。
容栅传感器在许多领域中都有广泛的应用。
例如，在工业自动化中，容栅传感器可以用来检测物体的位置和运动状态，从而实现自动控制和监测。
在机器人技术中，容栅传感器可以用来感知周围环境，从而实现机器人的导航和避障。
在医疗设备中，容栅传感器可以用来监测患者的呼吸和心跳情况，从而实现健康监测和诊断。
总结来说，容栅传感器是一种通过测量电容值来检测目标物体位置和运动状态的传感器。
它的工作原理是基于电容效应，通过测量感应板上的电荷变化来确定目标物体的位置和运动状态。
容栅传感器具有广泛的应用领域，可以在工业自动化、机器人技术和医疗设备等领域中发挥重要作用。
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。
精品文档-传感器原理及应用(郭爱芳)-第4章
第4章 电容式传感器
4.1 工作原理及结构类型 4.2 信号调理电路 4.3 电容式传感器的应用 4.4 容栅式传感器 4.5 电容式集成传感器 思考题与习题
第4章 电容式传感器
4.1 工作原理及结构类型 4.1.1 工作原理
电容式传感器实质上是一个可变参数的电容器。由物理学 可知，用绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器 (如图4.1所示)，当忽略边缘效应时，电容量可表示为
(b)为变极距式，图4.2(c)～(h)为变面积式，而图4.2(i)～ (l)则为变介电常数式。
第4章 电容式传感器 图4.2 电容式传感器的结构形式
第4章 电容式传感器
1. 变极距式 图4.3(a)为变极距式电容式传感器的原理图。图中下极 板固定不动，当上极板随被测量的变化上下移动时，两极板之 间的距离δ相应变化，从而引起电容量发生变化。 当传感器的ε和A为常数、初始间距为δ0时，由式(4.1) 可知初始电容量C0
C
A
g 0
(4.15)
0g 0
式中：εg——固体介质的相对介电常数(云母εg=7)；
δg、δ0——固体介质和空气隙的厚度。
第4章 电容式传感器 图4.5 放置固体介质的电容器
第4章 电容式传感器
2. 变面积式 图4.6为变面积式位移电容传感器的结构示意图。图 4.6(a)为直线位移型平板电容器的原理图，当两极板完全重 叠时，其电容量C0=εab/δ。当动极板移动Δx时，两极 板重叠面积减小，电容量也将减小。如果忽略边缘效应，可得 传感器的特性方程为
C0
A 0
(4.2)
第4章 电容式传感器 图4.3 变极距式电容传感器原理图及特性曲线
第4章 电容式传感器
2019容栅测量系统及其应用的课外物理百科语文
容栅测量系统及其应用的课外物理百科苏霍姆林斯基说：让学生变得聪明的办法，不是补课，不是增加作业量，而是阅读、阅读、再阅读。
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一、容栅测量系统的基本原理与特点：容栅测量系统是一种无差调节的闭环控制系统，它的基本测量部分是一个差动电容器，它的作用是利用电容的电荷耦合方式将机械位移量转变成为电信号的相应变化量，将该电信号送入电子电路后，再经过一系列变换和运算后显示出机械位移量的大小。
由于容栅测量系统的原理及其结构设计的先进性，使其具有许多突出优点：1.由于传感器采用等节距的栅型结构，使测量的精度不直接与长度有关，故非常适宜于大位移测量。
2.测量速度快。
分辨率为0.001mm时，测量速度可达0.35m/s;分辨率为0.01mm时,测量速度可达1.5m/s。
分辨率为0.001mm的光栅和感应同步器数显测量装置，测量速度一般应在0.2m/s左右。
其它可测大位移的传感器在测量速度上也很少能达到容栅类传感器的水平。
3.传感器的结构简单，易于与集成电路制成一体，易进行机械设计。
传感器机械部分主要由两组极板组成，结构小巧，使得测量系统的结构简单，成本低廉。
这一优点也是其它类型的位移测量系统所不能比拟的。
4.对使用环境要求不高。
能抗电、磁场的干扰;采用适当的防护措施后，能防油污、防尘，对空气湿度不敏感，适合于在车间生产现场使用。
这也是容栅测量系统的一个很突出的优势。
5.能耗少。
这是由于传感器本身的介质损耗和静电引力都很小的缘故。
电路采用大规模的CMOS集成电路，使电路能在底工耗下工作。
一颗扣式氧化银电磁就可使其连续工作一年时间。
这一优点使得在通用精密量具上实现数显，并使之成为具有很大发展前途的产品。
6.功能多，运用方便。
容栅测量系统的电子线路经过几度改进，使其系统逐渐完善，现在的电路具有任意点置零，公英制转换、值保持、最大值最小值寻找，数值予值，测量速度过快及电磁电压过低报警等功能，使测量系统的运用方便，确保测量数据的正确性。
简述容栅传感器的工作原理
简述容栅传感器的工作原理容栅传感器是一种常用于测量液体或气体压力的传感器。
它的工作原理基于容栅效应，通过测量电容的变化来间接测量压力。
容栅传感器的核心部件是一个由两个金属电极构成的电容器，其中一个电极是一个可移动的金属薄膜，另一个电极是一个固定的金属板。
当外部施加压力时，可移动薄膜会产生微小的形变，从而改变电容器的电容值。
容栅传感器的工作过程可以分为以下几个步骤：1. 施加压力：当容栅传感器与待测介质接触时，介质会施加压力到传感器的可移动薄膜上。
这个压力会导致薄膜产生微小的形变。
2. 形变引起电容变化：薄膜的微小形变会导致电容器的电容值发生变化。
当施加压力后，电容值会相应地发生变化。
3. 电容测量：通过电路将一定频率的交流电压施加到电容器上，测量电容器的电容值。
通常使用交流电压的原因是为了避免电解液的极化效应。
4. 电容转换：将测得的电容值转换为与压力相关的电信号。
这个转换过程通常使用电容与电压之间的线性关系来实现。
通过校准和调整电路参数，可以将电容值转换为标准的电压信号输出。
5. 信号处理：将转换后的电信号进行放大、滤波、线性化等处理，以便于后续的数据采集和分析。
容栅传感器具有以下特点和优势：1. 高精度：容栅传感器可以实现较高的测量精度，通常可以达到很小的压力范围。
2. 宽测量范围：容栅传感器的测量范围可以根据具体应用进行调整和定制，适用于不同压力范围的测量需求。
3. 快速响应：容栅传感器的响应速度较快，可以实时监测压力变化。
4. 耐腐蚀性：由于容栅传感器的电极通常使用耐腐蚀的材料制成，因此具有较好的耐腐蚀性，可以应对各种液体介质。
5. 可靠性高：容栅传感器的结构简单，没有机械零件，因此具有较高的可靠性和稳定性。
容栅传感器在工业控制、环境监测、医疗设备等领域有广泛应用。
例如，在工业领域，容栅传感器可以用于测量流体管道中的压力，以实现对流体的控制和监测。
在医疗设备中，容栅传感器可以用于测量血压、呼吸机的气道压力等。
电子身高尺容栅原理ppt课件
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图1 固定容栅结构
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图2 动栅结构图
• (3) 信号处理电路。信号处理电路工作在鉴 相器模式下 ，整个电路包括晶体振荡电路、
信号放大电路、采样调制、相位比较、分 频驱动、数据处理信号处理电路
• (2)可动容栅 ( 简称动栅 ) 以定栅一样也为 铜片组成。如图 2 所示。节距为 t = T/ 8 = 0 .635 mm ，每一动栅由 48 片独立栅片构 成 ，对应定栅的一个节距有 8 个动栅片 (A,B,C,D,E,F,G,H), 一般称为发射极。每 8 个栅片为一组，一般每块动栅由 6 组栅片 并联。一方面提高测量精度 ，另一方面又
電子身高尺传感器结构及工作原理
• 1、结构 • 容栅式直线同步传感器由容栅付及相应的信号处
理电路组成。 组成容栅付的固定容栅和可动容栅 是该传感器的关键部件。 • (1)固定容栅（简称定栅）在测量过程中位置固定 不变，它是测量的基准部件。它是由有规律排列 的金属片组成。如图 1 所示。其节距 T = 5 .08 mm ，公共板极和独立的定栅片宽度各为总宽度 的一半 , 即 2.54 mm 。
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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。
当相对位移量超过l0(小电极片的间距)即L0/4时，由控制电路自动改变小电极片组的接线，见图中位置b，这时电极片组由小电极片2～5构成；电极片组由小电极片6～9构成。
这样，在电极片P相对移动的过程中，能保证始终与不同的小电极片形成同样的差动电容器，重复前述过程，而得到与位移成线性关系的输出电压。
该测量系统由输出电压来调节激励电压，形成闭环反馈式测量系统。
因而具有下节所述闭环反馈系统的优点，而且还使寄生电容的影响大为减小。
电路复杂是其主要缺点。
(三) 调相式测量原理
调相式测量原理如图4-25所示。
容栅传感器一个极板K由数个发射极片组形成，每个极片组中有八个宽度均为l0的发射极片，分别加以八个幅值为Um、
频率为w 、相位依次相差p /4的正弦激励电压；另一个极板由许多反射极片M和接地的屏蔽极片S形成；还有一个接受极片R。
图中给出其中一组来说明测量原理，当两个极板处于相对位置a时，每个发射极片与反射极片完全覆盖，所形成的电容均为C0。
当两个极板相对移动x(< ?l0)而处于位置b时，若将反射极片的电压记为UM、接受极片的电压记为UR，反射极片与接受极片之间的电容记为CMR、接受极片与地之间的电容记为CRG，则有
由上式可以推导出
(4-21)
可见，传感器输出一个与激励同频的正弦波电压，其幅值近似为常数k，而其相位q 则与被测位移x近似成线性关系。
通常采用相位跟踪法测出相位角q 。
当被测位移x超过l0时，则重复上述过程，勿需改变发射极片的接线即可实现大位移测量。
显然，调相式测量系统具有很强的抗干扰能力，但由式（4-21）可知它在原理上存在非线性误差(0.01l0)，而且当用方波电压激励时还存在高次谐波的影响，结果导致测量精度下降。
二、容栅传感器的结构形式
(一) 反射式
其结构形式和安装示意图如图4-26所示。
图中动栅上排列一系列尺寸相同、宽度为l0的小发射电极片1～8，R为公共接收极，定栅上均匀排列着一系列尺寸相同、宽度和间隙各为4l0的反射电极片M1、M2、…和屏蔽极片S。
电极片间互相绝缘。
动栅和定栅的电极片相对、平行安装。
当发射电极片1～8分别加以激励电压U1～U8时，通过电容耦合在反射电极片上产生电荷，再通过电容在公共接收极上产生电荷输出。
采用不同的激励电压和相应的测量电路，则可得到幅值或相位与被测位移成比例关系的调幅信号或调相信号。
此结构形式简单，使用方便，但移动过程中，导轨的误差对测量精度影响较大。
(二) 透射式
其结构形式如图4-27所示。
它是一个开有均匀间隔矩形窗口的金属带和测量装置组成。
在测量装置的两侧分别固定着一个公共接收电极板和一个与图4-26中一样的有一系列小发射电极片的极板，而金属带则在测量装置的中间通过并随被测位移一起移动。
发射电极通过金属带上的矩形窗口与接收电极形成耦合电容，而金属带则代替图4-26中的屏蔽极起屏蔽作用。
这种结构形式的特点是：测量调整方便、安装误差和运行误差的影响大为降低。
但其制造安装困难。
(三) 倾斜式
它是将图4-26中的一系列小发射电极均倾斜一个角度a ，而其它电极栅片不变所形成的，图4-28给出其动栅极片形状。
它可以消除图4-24中测量系统在改变小电极片组的接线时，由于小发射极片间隙与接收电极片边缘不理想所产生的突变误差,因此它对加工精度要求不高。
前面讨论了线位移容栅传感器即长容栅的测量原理和结构形式，可将它们移植到测量角位移的电容传感器中，形成所谓的圆容栅。
容栅传感器的机械结构以及设计原则与电容传感器有许多相似之处，可参阅本章前面的内容。