数字游标卡尺原理

容栅数字显示卡尺工作原理（1）

利用容栅传感器的电子数显卡尺在我国的出现，已经有十多年的历史了。本文初稿

编写于十多年前，根据当时国产芯片供货单位的资料和自己实际计算，主要是通过交流电路

含电阻电容的普通复数计算而得出机械位移与输出信号相位呈近似线性关系式作为误差分析的依据。现在重新整理出来供有兴趣者参考和交流。

所谓调制和解调，就是把有用信号和不要的干扰信号区别开来的措施，本来广泛用

于电讯技术中。为了能在一条电话线中传输许多不同信道的电话就要对各通道的电话信号进行调制使之互相区别开来。大家最熟悉不过的就是上网用的modem和收音机、电视机都

是通过调制信号后再传送出去。接收时再将原信号解调回来。其中有调幅、调频等等之说。

同样在机电一体化的长度测量技术中如光栅和感应同步器等传感器里多半是采用相位调制方法来进行长度测量的。尤其是感应同步器和容栅传感器有非常相似之处。在感应同步器里，滑尺上有两组激磁绕组，相隔一定的距离，分别施加正弦和余弦电压，它们在定尺绕组上产

生总感应电势的初相位中包含了与时间无关的机械位移量x的信息。所不同的是容栅传感器

采用了电容和分别施加8路相位差以45度递增的正弦电压而已。这种正弦电压是由时钟振

荡器产生的方波经分频器产生周期性的畸形方波，其基波成分就是正弦波了。如果没有交流

信号作为载波，那么机械位移信息就很难传送。因此在这里只须用交流电路中的相量复数计

算方法就足够了，不过式子太长了一些，有时分子和分母要分开来写。既然是调相，那么鉴

相器就是解调器了。当然还有辨别x的方向功能等都包括在电路中了。本文主要分析电容栅

板传感器测量位移的原理。

1 数显卡尺的结构

图1是卡尺结构的示意图。

主要的传感器元件是定栅2，它粘贴在尺身上。动栅5,它与尺框相连结，并且随尺框一起移动。动定栅之间的电容量随着其相对位移依一定规律而变化。在6组8路驱动交流电压的

容栅传感器

4・尺植

6.导电朋 %集

咸电路

层

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作用下，在接收板输出一个交流电压信号，其相位是机械位移量x 的函数。它在一定精度下呈近似线性函数。从而在这种调相和解调过程中实现长度精确计量，并在液晶显示屏中显示读数。

二．测量电路原理

如下图所示，电路板中有时钟振荡器，产生时钟脉冲方波，所谓分频，就是周期性地拉宽方波的峰或谷，产生畸形方波，其基波即为正弦波。有8 个分路，每一路施加正弦电压初相位以45度角（n /4的增量依次递增，此8路信号施加给每组中的8条动栅板条，共6组（对应48 条动栅）。接收板输出的信号也是正弦波电压，其频率与输入信号相同，其初相角则是动栅机械位移的函数，近似线性变化。由位移x 产生输出的交流电压相位与x 的关系呈近似的线性变化，而输出的相位值通过集成电路转换为数字显示，显示的数字就是位移值了。

接下一篇（2）

容栅数字显示卡尺工作原理（1）

利用容栅传感器的电子数显卡尺在我国的出现，已经有十多年的历史了。本文初稿编写于十多年前，根据当时国产芯片供货单位的资料和自己实际计算，主要是通过交流电路含电阻电容的普通复数计算而得出机械位移与输出信号相位呈近似线性关系式作为误差分析的依据。现在重新整理出来供有兴趣者参考和交流。

所谓调制和解调，就是把有用信号和不要的干扰信号区别开来的措施，本来广泛用于电讯技术中。为了能在一条电话线中传输许多不同信道的电话就要对各通道的电话信号进行调制使之互相区别开来。大家最熟悉不过的就是上网用的modem 和收音机、电视机都

是通过调制信号后再传送出去。接收时再将原信号解调回来。其中有调幅、调频等等之说。同样在机电一体化的长度测量技术中如光栅和感应同步器等传感器里多半是采用相位调制方法来进行长度测量的。尤其是感应同步器和容栅传感器有非常相似之处。在感应同步器里，滑尺上有两组激磁绕组，相隔一定的距离，分别施加正弦和余弦电压，它们在定尺绕组上产生总感应电势的初相位中包含了与时间无关的机械位移量x 的信息。所不同的是容栅传感器采用了电容和分别施加8 路相位差以45 度递增的正弦电压而已。这种正弦电压是由时钟振荡器产生的方波经分频器产生周期性的畸形方波，其基波成分就是正弦波了。如果没有交流信号作为载波，那么机械位移信息就很难传送。因此在这里只须用交流电路中的相量复数计算方法就足够了，不过式子太长了一些，有时分子和分母要分开来写。既然是调相，那么鉴相器就是解调器了。当然还有辨别x 的方向功能等都包括在电路中了。本文主要分析电容栅板传感器测量位移的原理。

1 数显卡尺的结构

图1 是卡尺结构的示意图。

呈近似线性函数。从而在这种调相和解调过程中实现长度精确计量,

读数。 •测量电路原理

如下图所示，电路板中有时钟振荡器， 产生时钟脉冲方波， 所谓分频，就是周期性地拉宽 方波的峰或谷，产生畸形方波，其基波即为正弦波。有 8个分路，每一路施加正弦电压初相 位以45度角（n /4的增量依次递增，此8路信号施加给每组中的 8条动栅板条，共6组（对应 48条动栅）。接收板输出的信号也是正弦波电压，其频率与输入信号相同，其初相角则是动 栅机械位移的函数，近似线性变化。由位移 x 产生输出的

交流电压相位与 x 的关系呈近似的线性变化，而输出的相位值通过集成电路转换为数字显 示，显示的数字就是位移值了。 接下一篇（2）

电路原理（集成电路芯片）

主要的传感器元件是定栅 2，它粘贴在尺身上。动栅

4・尺莊 6.导电朋 %集咸电路 5,它与尺框相连结，并且随尺框一起

移动。动定栅之间的电容量随着其相对位移依一定规律而变化。 在6组8路驱动交流电压的

作用下，在接收板输出一个交流电压信号,

其相位是机械位移量 x 的函数。它在一定精度下

并在液晶显示屏中显示

层

身质阳晶

尺:lr

动液