容栅传感器及应用实例
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。
传感器及其应用(应用实例)
知识点七、一些元器件的原理和使用
1．普通二极管和发光二极管
（1）都具有单向导电性。
（2）发光二极管除了具有单向导电性外，导电时还能发光。普通的发光二极管是用磷化镓或磷砷化镓等半导体材料制成，直接将电能转化为光能，该类发光二极管的正向导通电压大于 。
（2）特点：常温下具有铁磁性，能够被磁体吸引，温度达到约 时，失去铁磁性。
（3）居里点：又称居里温度，即指 。
2．电饭锅的结构
如图所示：
3．电饭锅的工作原理
开始煮饭时，用手压下开关按钮，永磁体与感温磁体相吸，手松开后，按钮不再恢复到图示状态，则触点接通，电热板通电加热，水沸腾后，由于锅内水保持 不变，故感温磁体仍与永磁体相吸，继续加热，直到饭熟后，水分被大米吸收，锅底温度升高，温度升至居里点 时，感温磁体失去铁磁性，在弹簧作用下，永磁体被弹开，触点分离，切断电源从而停止加热。
（2）在数控机床中的位移测量装置，就是利用高精度位移传感器进行位移测量，从而实现对零部件的精密加工。
4．飞向太空的传感器
在航空、航天技术领域，传感器应用得较早，也应用得较多，在运载火箭、载人飞船中，都应用了大量的传感器供遥测和遥控系统使用。这些传感器对控制航天器的姿态、接收和发送信息、收集太空数据等都有重要作用。在载人飞船中还使用一类测量航天员各种生理状况的生理传感器，如测量血压、心电图、体温等。
要点诠释：要想在天更暗时路灯才会照亮，应该把 的阻值调大些，这样要使斯密特触发器的输入端 电压达到某个值（如 ），就需要 的阻值达到更大，即天色更暗。
3．课本图乙电路分析
电容式传感器应用实例演示
电容式传感器应用实例演示电容式传感器是一种广泛应用于工业领域的传感器之一，它通过测量电容的变化来检测环境中的物理量。
其原理是利用了介质的电容与其周围环境的关系，当介质的性质或位置发生改变时，电容值也会发生相应的变化。
以下是几个电容式传感器应用实例的演示：1.液位检测：在液体储罐中安装电容式液位传感器，通过测量液位与罐壁之间的电容变化来确定液位的高低。
当液位上升时，液体与罐壁之间的介电常数增加，导致电容值增加；反之，当液位下降时，电容值减小。
这种液位检测方法广泛应用于石油、化工等行业。
2.触摸传感：将电容式传感器应用于触摸屏上，能够实现触摸位置的精确检测。
触摸屏上覆盖了一层由导电材料制成的感应层，当手指接触屏幕时，手指周围的电场会影响感应层上的电容。
通过测量这个电容的变化，可以确定手指触摸的位置，并将其转化为相应的控制信号。
3.地热能利用：利用地下的地热能作为供暖或供冷的能源已经成为一种环保的方式。
电容式传感器可以用于监测地下能源的温度变化，通过测量地下水或土壤的电容来确定温度变化的幅度和趋势。
这种监测方式有助于科学合理地利用地下的地热能，提高能源利用效率。
4.空气质量检测：通过检测空气中各种气体的电容变化，可以判断空气质量的优劣。
电容式传感器能够感知空气中的气体浓度变化，从而实时监测空气中的有害气体浓度。
将这些传感器应用于空气净化器或环境监测设备上，可以实时监测和改善室内空气质量。
5.智能农业：电容式传感器可以应用于农业领域，实现土壤湿度的准确测量。
根据土壤的含水量不同，土壤的电容也不同，通过测量土壤与传感器之间的电容变化，可以判断土壤的湿度状况。
利用这些数据，可以实现精准的灌溉控制，提高农作物的产量和质量。
总结：电容式传感器广泛应用于液位检测、触摸传感、地热能利用、空气质量检测和农业等领域。
通过测量电容的变化，可以实现对环境中各种物理量的检测和监测。
随着科技的不断进步，电容式传感器在各个领域的应用也将不断扩大和深入。
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
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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。
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9
各种容栅数显卡尺显卡尺的结构
11
容栅数显卡尺内的数据 和信号处理组合功能块
数显千分尺
该千分尺的分辨力为多少微米？
数显千分尺（续）
数显外径测量台
数显内螺孔深度尺
16
容栅数显百分表
红宝石测 头
17
其他容栅数显百分表
18
容栅数显千分表
可以显示1m位移量 的千分表
千分表与百分表的本质区别在哪里？
19
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
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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。
3
各种容栅测量装置
4
各种容栅数显表
5
各种容栅数显卡尺
6
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）
8
各种容栅数显卡尺（外续卡尺）
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。