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。
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。
容栅位移传感器的集成块由控制逻辑电路
容栅位移传感器的集成块由控制逻辑电路、数据处理电路、LCD 数码显示驱动、8路驱动输出、反射信号放大及信号处理电路和晶振等组成。
晶振的信号通过分频器分频后送到8路驱动电路进行相移,然后形成8路驱动信号,每路信号之间相位相差pi/ 4,这8路信号送到芯片的5～12引脚,再加到动栅板,反射回来的信号通过17引脚进入信号放大电路,再把放大后的信号与分频器输出信号进行信号处理和数据处理,控制逻辑的作用是进行公英制转换、清零和数据输出等。
LCD数码驱动器把位移数据变换成12LCD 驱动信号,直接与液晶屏相连,显示位移量。
这是郝卫东论文里的：（作参考）（2）容栅传感位移显示原理采用容栅位移测量原理设计的超大规模集成电路型号很多,如:数显卡尺集成块78102, M 7003等,它们内部电路结构是一样的,只是有的芯片功能脚引出多一点,有些引出少一点。
从图2上可看出作容栅位移传感器的集成块由控制逻辑电路、数据处理电路、LCD 数码显示驱动、8路驱动输出、反射信号放大及信号处理电路和晶振等组成。
晶振的信号通过分频器分频后送到8路驱动电路进行相移,然后形成8路驱动信号,每路信号之间相位相差pi/ 4,这8路信号送到芯片的5～12引脚,再加到动栅板,反射回来的信号通过17引脚进入信号放大电路,再把放大后的信号与分频器输出信号进行信号处理和数据处理,控制逻辑的作用是进行公英制转换、清零和数据输出等。
LCD数码驱动器把位移数据变换成12LCD 驱动信号,直接与液晶屏相连,显示位移量。
芯片引脚33至59为液晶显示驱动脚,直接可以与LCD 相连,57脚输出驱动显示“inch ”表示英制显示。
其中53,54,55脚为第6位LCD ,大部分数显卡尺不用,因此不必引出。
5脚至12脚为8路驱动输出引脚,17脚为反射接收输入脚,13脚与14脚接晶体,通常采用150kHz 或180kHz 的晶体。
27脚为双功能引脚,当27脚接VDD 时, LCD 显示清零,27脚同时又是串行输出的CP 端( 同步脉冲输出端) ,28脚为串行输出的 D 端( 串行数据输出图2芯片内容结构端) ,32脚为公英制转换脚,每接一次VDD ,就转换一次公英制。
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？
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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。
电容式传感器原理及其应用
电容式传感器原理及其应用
传感器通常由两个电极组成：一个是探测电极，用于和物体接触形成
电容；另一个是参考电极，用于和环境隔离，提供一个参考电容。
当物体
接近传感器时，探测电极和参考电极之间的电容会发生变化。
1.位置检测：在机器人、自动门、车辆等设备上，可以使用电容式传
感器来检测物体的位置，以便进行准确控制。
2.形状检测：电容式传感器可以根据物体所形成的电容来检测物体的
形状，适用于模具、雕塑、冲压等领域。
3.压力检测：电容式传感器可以根据物体施加的压力来测量电容的变化，常用于汽车空调系统、机械手等设备中的压力控制。
4.湿度检测：在湿度计、空调、除湿器等设备中，电容式传感器可以
通过测量物体和介质之间的相对湿度来判断湿度的变化。
5.液位检测：电容式传感器可以通过测量液体的介电常数来判断液位
的高低，用于液位测量仪表、储罐等设备。
6.运动检测：电容式传感器可以通过检测物体运动时电容的变化来实
现运动检测，常用于门禁系统、人体感应灯等。
7.接近开关：电容式传感器可以检测物体与传感器之间的距离，常用
于接近开关、自动水龙头、触摸屏等设备。
8.手势识别：电容式传感器可以检测手的位置和动作，实现手势识别，常用于智能手机、智能手表等设备中。
总结来说，电容式传感器具有广泛的应用领域，可以用于位置检测、形状检测、压力检测、湿度检测等。
其原理是通过测量电容的变化来获取物体或环境的相关信息，为现代科技领域提供了重要的技术支持。
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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。