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1（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。2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3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。4