容栅传感器的特点
雨量计 原理 参数 翻斗式 虹吸式 称重式
雨量计全自动雨量计原理参数简介雨量计（全自动雨量计）容栅式雨量计是通过容栅位移传器检测降雨量的，由于容栅传感器的分辨率是0. 01，所以容栅雨量计的计量非常精确。
采用上下电动阀控制进水和排水，又使得容栅雨量计在记录降水过程中雨量不流失，从而保证了计量过程的准确性。
雨量计（全自动雨量计）容栅式雨量计的数字化电路设计，不但计量精度高、操作方便、可靠性好等优点，与传统的雨量计相比较，该雨量计具有多项目前国内唯一的性能特点：•精度最高：分辨率0.01mm，比传统的翻斗式雨量计的精度高出10倍，所以在测量细雨和毛毛雨方面也不含糊。
•容许测量的降雨强度范围最大：国家标准是0.1mm—4mm/分钟，而容栅式雨量计的最大降雨强度测量可以高达9mm/分钟，大大超过国家标准，不管多大的暴雨都不漏计。
从而解决了以往其他遥测雨量计大雨时计量严重失准的弊病。
•计量误差最小：无论遇大雨暴雨，容栅式雨量计的误差始终小于±2%，远低于国家标准±4%，完全符合国际气象组织的检测标准，更让遇大雨暴雨计量严重失准（有时误差超过30%）的翻斗式雨量计望尘莫及。
•人工比对最准确：与人工测量比对，非常精确。
迄今为止，国内唯一可作为真实降雨记录和历史依据的测量设备。
•安装维护最方便：由于容栅式雨量计内部采用数字电路设计，因此无需像其他普通雨量计那样使用前、和使用一段时间后，要派人去现场先进行麻烦的精度校准，实现真正的无人值守。
•雨量计（全自动雨量计）其他技术参数：功耗：静态0.16W动态1.8W工作电压：DC9V～15V工作环境温度：0℃～60℃雨量计全自动雨量计原理参数简介雨量计（全自动雨量计）数据采集器用于读取容栅雨量计的降雨量，然后把这个降雨量保存在内部的存储器中。
这种Y系列的采集器配上“数据发送器”（Moden）后，还可以把保存在存储器中的雨量数据发送到省、市监控中心。
这就是一个完整的“自动遥测雨量站”。
雨量计（全自动雨量计）数据采集器另外具备温度输入端口，接上连线可以还采集百叶箱里数字温度传感器的地面温度数据。
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。
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。
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
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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
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。
磁翻柱液位计中容栅传感器电容极板的优化设计
ｍｅ ｔｍｅｈ ｄ，ｔｅ ｃ ａ ｇ ｆｅｅ ｔ ｎ ｏ ｓａ ａｙ ｅ ｎ ｔｏ ｈ ｈ ｎ ｅｏ ｌｃｒｓａｉ ｆ ｌ ｈ ｔｈ ｐ ｅ ｓｂ ｔ ｅ ｈ ｌｃｒｄ ｓｏ ｅ ｓ ｒｉ ｎ ｚ ｄ，ｉ ｃｉ ｈ ｌ ｔ ｓ
ｉ ａ ｎｅ ｉ ｖ ｌＭ ｅ ｅ ｎ Ｍ ｇ ｔｃ Ｌｅ ｅ ｔｒ
Ｚ ＨＡＮＧ Ｔ ｏ ａ ，Ｌ Ｕ Ｘｉｇ ｘ ｎ ，ＪＡ ｎ ｆｉ Ｉ ｎ ．ｕ Ｉ Ｙｕ － ｅ （， ｃ ｏｌ ｆ ｌ ｔｃｌ ｎｉｅｒ ｇａ ｄＡ ｔｍ ｔ ｎ Ｔａｊ ｎｖｒｔ， ｉ ｊ ００ ２ ｈｎ ； １Ｓｈｏ ｏ Ｅｅ ｒ ａ Ｅ ｇｎｅ ｎ ｎ ｕｏ ａ ｏ ， ｉｎｉ Ｕ ｉｅｓｙ Ｔａ ｉ ３ ０ ７ ，Ｃ ｉａ ｃ ｉ ｉ ｉ ｎ ｉ ｎｎ
ａｏ ｎ ａ ｓ ｅｃ ｕ ｔｄ ａ ｅ ｅｒｌｔ ｅｖｒ ｔ ｎｏ ａ ａ ｉ ｎ ｅａ ｂｅ ｔｕ ｃｉｎ ｔｅｅａｅｆｕ ｉ ｒｕ ｄｃ ｎａ ｏｂ ｏ ｎｅ ．Ｔ ｋ ｎｔ ａ ｖ ａ ａｉ ｆ ｐ ｃｔ ｃ ｓａ ｏｊｃ ｆｎ ｔ ， ｈ ｒ ｌ ｒ ｆ ｌ ｈ ｅ ｉ ｉ ｏ ｃ ａ ｎ ｏ ｏ ｄ－
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第４ ０卷
第 １ 期
２０ ０ ７年 １月
天 津 大 学 学 报 Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆ ｉ ｊ ｎｖｒｉ ｏ ｒａ ａ ｉ Ｕ ｉｅｓ ｙ ｏＴ ｎｎ ｔ
Ｖｏ ． Ｎｏ． １４０ １
Ｊｎ ０ ７ ａ ．２ ０
磁 翻 柱 液 位 计 中容栅 传 感 器 电容极 板 的优 化 设 计
张 涛 ，刘 星汛 ，贾云飞
（ ．天津大学 电气 与 自动化工程学 院 ， １ 天津 ３ ０ ７ ；２ ０ ０ ２ ．天津市计量监督检测科学研究院 ，天津 ３０ ９ ） ０ １２
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
测试技术-12.4 容栅传感器
容栅传感器是一种基于变面积工作原理、可 测量大位移的电容式数字传感器，与其他数字式 位移传感器，如光栅、感应同步器等相比，具有 如下突出优点： 、成本低；
对使用环境要求不高等等， 因此广泛应用于数显卡尺、千分表、测长仪、高 度仪和坐标测量机等数显测量系统中。
12.4.1容栅传感器的结构和工作原理
图12-16中，48个发射极分为6组，则每组各有8个发射电极，每隔 8个将相同字母的发射电极连在一起，组成一个激励相，在其上施加 幅值、频率、相位都相同的激励信号，且相邻电极上激励信号的相位 差是45°（360°/8）。例如，序号为A的发射电极上激励信号的相位 为0°，则序号为B的发射电极上激励信号的相位为45°，依此类推， 序号为H的发射电极上激励信号的相位为315°。
12.4.1容栅传感器的结构和工作原理
根据结构形式，容栅传感器可分为直线型 、圆形、圆筒型容栅传感器三类。其中直线型和 圆筒型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。图12-16所示为直线 型容栅传感器的结构及其等效电路简图。
12.4.1容栅传感器的结构和工作原理
容栅传感器由动尺和定尺组成，两者保持很小的间隙。如图1216(a)所示，动尺上有多个发射电极（A、B、C、D、E、F、G、H） 和一个长条形接收电极（J）；在图12-16(b)中，定尺包含多个相互 绝缘的反射电极（R）和一个屏蔽电极（S）。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，如图12-16(c)所示 。其发射极和反射极均做成大小和形状不同的栅状电容极板，可有效 提高灵敏度和测量精度。
容栅传感器 可看成由多个可变 电容器组成。当动 尺相对定尺移动时 ，发射电极与反射 电极间的相对面积 发生变化，导致反 射电极上的电荷量 产生变化，通过电 容
一种数显卡尺用的容栅传感器[实用新型专利]
![一种数显卡尺用的容栅传感器[实用新型专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/54f284ddf9c75fbfc77da26925c52cc58ad69073.png)
[19]中华人民共和国国家知识产权局[12]实用新型专利说明书[11]授权公告号CN 2526779Y[45]授权公告日2002年12月18日[21]ZL 专利号02226160.5[21]申请号02226160.5[22]申请日2002.03.14[73]专利权人陈熠地址510310广东省广州市海珠区广州大桥东汇美街2号801房[72]设计人王昭进 陈熠 [51]Int.CI 7G01B 3/20权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 1 页[54]实用新型名称一种数显卡尺用的容栅传感器[57]摘要本实用新型涉及一种数显卡尺用的容栅传感器，它公开了一种数显卡尺用的容栅传感器在同一节距T 内相邻的发射电极分别交错排列在接收电极的两侧，在以NT(N为整数)个节距为一组内各个节距的发射电极的排列顺序相同，而每隔一组发射电极的排列顺序相交错，在2N(N为整数)组内相邻发射电极在测量方向上有间隙地排列，在每个节距T内、节距与节距之间和组与组之间相邻发射电极在测量方向上的间隙相同。
这种排列方式，可增大测量信号的强度从而提高测量灵敏度，而且不会增加制作的难度和成本。
02226160.5权 利 要 求 书第1/1页 1.一种数显卡尺用的容栅传感器，包括设在副标尺上的动栅线路板和设在主标尺上的定栅线路板，上述动栅线路板上设有与测量方向垂直的在每个节距T内有2N(N为整数)个发射不同信号的发射电极、一个矩形的接受电极以及进行数据处理的电子电路，定栅线路板上设有面向上述发射电极和接收电极并在沿测量方向上依次排列的反射电极，接收电极的长度是发射电极的节距T的整数倍，其两端分别比发射电极的两外端短T/2，反射电极的间距与发射电极的节距T相等，其特征在于：在同一节距T内相邻的发射电极分别交错排列在接收电极的两侧，在以NT(N为整数)个节距为一组内各个节距的发射电极的排列顺序相同，而每隔一组发射电极的排列顺序相交错，在2N(N为整数)组内相邻发射电极在测量方向上有间隙地排列。
《传感器》课后习题解答
普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器课后习题解答哈尔滨工业大学机械工业出版社CHINA MACHINE PRESS目录第一章传感器的一般特性..................................................................................... - 1 -第二章电阻式传感器............................................................................................. - 3 -第三章电感式传感器............................................................................................. - 5 -第四章电容式传感器............................................................................................. - 7 -第五章磁电式传感器........................................................................................... - 10 -第六章压电式传感器........................................................................................... - 16 -第七章光电式传感器........................................................................................... - 17 -第八章热电式传感器........................................................................................... - 23 -第九章气电式传感器........................................................................................... - 25 -第十章谐振式传感器........................................................................................... - 26 -第十一章波式和射线式传感器........................................................................... - 28 -第十二章半导体式物性传感器........................................................................... - 30 -第十三章新型传感器........................................................................................... - 31 -第一章 传感器的一般特性1、什么是传感器的静特性？它有哪些性能指标？（第一章，第一节）答：静特性表示传感器在被测量处于稳定状态时的输出输入关系。
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。
传感器与检测技术复习资料
二、填空题1、按能量角度分析，典型的传感器构成方法有三种，即自源型、带激励源型以及外源型，前两者属于能量转换型，后者是能量控制型。
2、将温度转换为电势大小的热电式传感器是热电偶传感器，而将温度变化转换为电阻大小的热电式传感器是热电阻（金属材料）或热敏电阻（半导体材料）。
3、光纤传感器由光源、光纤和光探测器三部分组成，光纤传感器一般分为两大类，即传光型光纤传感器，也称为非功能性光纤传感器，另一类是传感性光纤传感器，也称为功能型光纤传感器，前者多使用多模光纤，而后者只能用单模光纤。
4、实际使用中的传感器，其特性要受到环境变化的影响，为消除环境干扰的影响，广泛采用的线路补偿法包括相同传感器补偿型、不同传感器补偿型、差动结构补偿型。
5、电感式传感器也称为变磁阻式传感器，它是利用电磁感应原理将被测物理量转换成线圈自感系数和忽感系数的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化，从而实现非电量到电量的转换。
6、容栅传感器实际上是多个差动式变面积型电容传感器的并联，它具有误差平均效应，测量精度很高。
7、热电偶传感器的工作基础是热电效应，其产生的热电势包括接触电势和温差电势两部分。
热电偶的连接导体定律是工业上运用补偿导线法进行温度补偿的理论基础；中间温度定律为制定分度表奠定了理论基础；根据中间导体定律，可允许采用任意的焊接方式来焊接热电偶。
8、用于制作压电传感器的常用压电材料是石英晶体和压电陶瓷。
9、在磁敏式传感器中，霍尔传感器和磁敏电阻传感器属于体型磁敏传感器，磁敏二极管和磁敏三极管属于结型磁敏传感器。
10、为克服电容式传感器的边缘效应，可采用减小极板厚度方法和带保护环结构。
为消灭寄生电容的影响可采用驱动电缆法、整体屏蔽法以及采用组合式与集成技术方法。
11、基于外光电效应的器件有光电管和光电倍增管；基于内光电效应的器件有光敏电阻、光电池、光敏二极管和光敏晶体管等。
12、传感器的输入输出特性指标可分为__静态_____和动态指标两大类，线性度和灵敏度是传感器的___静态________指标，而频率响应特性是传感器的动态指标。
基于提升小波变换的容栅传感器输出信号降噪
ｄ（ ） ｄ ／ 一 ｄ ｎ ≥ｒ ｎ ＝２ （， ｒ ／ ） （）
【（ 一 ｄ ｎ ＜ 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
—
ｌ ２ ｄ １ ｓ ＋（ ＝１２，… ＝５ ， ： ２ ｌｎ ， 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 ｄ ３更 来 更 新 ｓ ， 即用 ＝ 十 亦
（ ） 预测 是 由式 （ ） 得 的 ｓ ２反 ２所 和给定 的 ｄ ， 由式 （ ） 预测 ｓ 。 ３反 ｓ ＝ ＋ ｓ） ２ Ｐ（２ 川
图 １ 容栅 结构示意图
（） ３ （） ４
（ ） 并是 由 ｓ ｓ 融合 得到 原信 号 ｓ。 ３合 和
ｓ＝ ｅｇ （２， １ ｍ ｒｅ Ｓ ｓ ＋） 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
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
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容栅传感器的特点
容栅传感器
容栅传感器是一种基于变面积工作原理，可测量大位移的电容式数字传感器。
它与其它数字式位移传感器，如光栅、感应同步器等相比，具有体积小、结构简单、分辨率和准确度高、测量速度快、功耗小、成本低、对使用环境要求不高等突出的特点，因此在电子测量技术中占有十分重要的地位。
随着测量技术向精密化、高速化、自动化、集成化、智能化、经济化、非接触化和多功能化方向的发展，容栅传感器的应用越来越广泛。
容栅传感器的特点
在整个测量系统中，容栅传感器的主要作用是把机械位移量转变成电信号的相位变化量，然后送给测量电路进行数据处理。
容栅传感器通过精密电压比较器TLC354进行控制，由继电器供电，由CPU89C52提供所需的激励信号，同时接收其感应信号，并通过鉴相型电路测量出激励信号与感应信号的相位差，经过一系列的变化，即可得出活塞移动的长度距离。