(完整word版)容栅传感器简介
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。
电容式传感器的简介及应用
一个为固定极板，另一个为可动极板，两极板均成
半圆形。假定极板间的介质不变（即电介质常数不 变），当两极板完全重叠时，其电容量为C0=⊿A/d。
当动极板绕轴转动一个α 角时，两极板的对应
面积要减小⊿A，则传感器的电容量就要减小⊿C。 如果我们把这种电容量的变化通过谐振电路或其它
回路方法检测出来，就实现了角位移转换为电量的
电测变换。电容式位移传感器的位移测量范围在 1um—10mm之间，变极距式电容传感器的测量精度
约为2%。变面积式电容传感器的测量精度较高，其
分辨率可达0.3μ m。
3.变介电常数型电容式传感器
当被测液体的液面在电容式 传感器元件的两同心圆柱型电极 间变化时，引起极间不同介电常 数的高度发生变化，导致电容的 改变。 若厚度 d 保持不变，介 电常数改变（如湿度变化），可 做成湿度传感器；若不变，可做
间的距离。δ 、A、ε 三个参数中任一个的变化都将引起电容量变化，
并可用于测量。因此电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型、介
质变化型三类。极距变化型一般用来测量微小的线位移或由于力、压力、
振动等引起的极距变化。面积变化型一般用于测量角位移或较大的线位 移。介质变化型常用于物位测量和各种介质的温度、密度、湿度的测定。
四.电容式传感器的应用
电容式压力传感器由圆形薄膜与固定电 极构成。薄膜在压力的作用下变形，从而改 变电容器的容量。另一种型式的固定电极取 凹形球面状，膜片为周边固定的张紧平面， 膜片可用塑料镀金属层的方法制成。这种型 式适于测量低压，并有较高过载能力。还可 以采用带活塞动极膜片制成测量高压的单电 容式压力传感器。这种型式可减小膜片的直 接受压面积，以便采用较薄的膜片提高灵敏 度。
环境中工作。3、动态响应好：可动部分可以做的很轻，很薄，
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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。
当动尺向右移动x距离时，发射电极与反射电极间的相对面积发生变化，反射电极上的电荷量发生变化，并将电荷感应到接收电极上，在接收电极上累积的电荷Q与位移量x成正比。
经运算器处理后进行公/英制转换和BCD码转换，再由译码器将BCD码转变成七段码，送显示驱动单元，容栅测量转换电路框图如图11-24所示。
图11-24 容栅测量转换电路框图
一般用于数显卡尺的容栅的节距W=0.635mm（25毫英寸），最小分辨力为0.01mm，非线性误差小于0.01mm，在150mm范围内的总测量误差为0.02～0.03mm。
直线型容栅传感器还有一种梳状结构，能接近衍射光栅和激光干涉仪的测量准确度，但造价远比它们低。
11.5.2 容栅传感器在数显尺中的应用
普通测量工具，如游标卡尺、千分尺等在读数时存在视差。
随着容栅技术在测量工具中的应用及性能/价格比的不断提高，数显卡尺、千分尺应运而生，并在生产中越来越多地替代了传统卡尺。
数显卡尺示意图如图11-25所示。
图11-25 数显卡尺示意图
1—尺身2－游标3－游标紧固螺钉4－液晶显示器
5－串行接口6－电池盒7－复位按钮8－公/英制转换按钮
在图11-25中，容栅定尺安装在尺身上，动尺与测量转换电路（专用IC）安装在游标上，分辨力为0.01mm，重复准确度0.02mm。
当若干分钟不移动动尺时，自动断电，因此1.5V氧化银扣式电池可使用一年以上。
通过复位按钮可在任意位置置零，消除累积误差；可通过公/英制转换按钮实现公/英制转换；通过串行接口可与计算机或打印机相连，经软件处理，可对测量数据进行统计处理。
除此以外，直线型容栅还可配以单片机为处理核心的测量电路，应用于数显测高仪中，测量范围可达1m以上，分辨力可达0.005mm。
数显千分尺示意图如图11-26所示，它的分辨力为0.001mm，重复准确度为0.002mm，累积误差为0.003mm。
数显千分尺采用的是圆容栅。
圆容栅由旋转容栅和固定容栅组成，圆容栅示意图如图11-27所示。
图11-26数显千分尺示意图
图11-27圆容栅示意图
a）旋转容栅b）固定容栅
1－屏蔽电极2－反射电极3－发射电极4－接收电极
旋转容栅上面有5块独立的、互相隔离且均匀分布的金属导片，相当于反射电极，其余部分的金属连成一片并接地，相当于屏蔽电极。
固定容栅的外圆均匀分布着40条金属导片，共分成8组，每组5条导片，每隔4条连成一组，形成发射电极。
这5组导片分别接到5个引出端子，由5个依次相移72︒（360︒/5）的方波进行激励。
固定容栅的中间有两个金属环与发射电极相对应，一个金属环作为接收电极，另一个最里圈的金属环接地，也相当于屏
蔽电极。
使用数显千分尺时，固定容栅不动，安装在尺身上，旋转容栅随螺杆旋转，发射电极与反射电极的相对面积发生变化，反射电极上的电荷也随之发生变化，并感应到接收电极上。
接收电极上的电荷量与角位移存在一定的比例关系，并间接反映了螺杆的直线位移。
接收电极上的电荷量经信号调理电路（专用IC）处理后，由显示器显示出位移量。