容栅式传感器的原理
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。
电容式传感器
电容值与电极材料无关，仅取决于电极的几何尺寸，且空 气等介质的损耗很小。因此仅需从强度、温度系数等机械性考 虑，合理选择尺寸即可，本身发热极小，影响稳定性甚微。 2）结构简单，适用性强。
3)动态响应好。 （固有频率很高，动态响应时间很短外，又由于其介质损耗小， 可以用较高频率供电，因此系统工作频率高。 4)可以实现非接触式测量，具有平均效应。
d d0
d d0
2
d d0
3
C
C1
C2
C0
2
d d0
2
d d0
3
2
d d0
C
0
1
d d0
2
d d0
4
略去高次项，则
C
2
d d0
C0
传感器的灵敏度为 K C 2C0 d d0
其非线性误差为
( d )3
d 0 (d /d 0)2 100%
( d ) d0
灵敏度较单组变极距型提高了一倍，非线性大大减小。
②等有U关sc ，与任电何源这电些压参U数的、波固动定都电将容使C0及输电出容特式性传产感生器误的差ε，0因、此A 固定电容C0必须稳定，且需要高精度的交流稳压源。 ③由于电容传感器的电容小，容抗很高，故传感器与放大器之 间的联结，需要有屏蔽措施。 ④不适用于差动式电容传感器的测量。
五、电容式传感器的特点及设计要点
主要缺点：
输出阻抗高，负载能力差 寄生电容影响大
输出特性是非线性
2、设计要点
设计时可从以下几个方面考虑：
1)减小环境温度、湿度等变化所产生的误差，保证绝缘材料
的绝缘性能；
2)消除和减小边缘效应 边缘效应不仅使电容传感器灵敏度降低而且产生非线性，
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
19
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。
电子身高尺容栅原理
பைடு நூலகம் •
图1 固定容栅结构
•
图2 动栅结构图
• (3) 信号处理电路。信号处理电路工作在鉴 相器模式下 ，整个电路包括晶体振荡电路、 信号放大电路、采样调制、相位比较、分 频驱动、数据处理等若干部分组成，如图 3 所示。
图3 信号处理电路
• 2、工作原理 • 由晶振产生的时钟信号经多级分频处理后，产生 依次相差 45 °的8路调制方波信号，它分别激励 动栅 A,B,C, …… ,H 8 个栅片。当动栅与定栅保 持适当的间隙并平行放置在一起时，每个动栅片 与其相对应的定栅片形成一个电容器，当交流的 方波信号激励动栅片时 ，对应的定栅片通过电容 器接收信号，因为任何一个瞬间每组动栅片都有 4 个动栅片与定栅片相对应，所以定栅片除接收 动栅片上的信号外，还有一个收集合成作用。同 时由动栅结构决定每一个时刻都有 5 个定栅片起 这样的作用，与此同时定栅片又与接收极形成电 容，定栅片上合成的电信号通过电容耦合到接收 极 J 上，形成信号处理电路的输入信号。
• (2)可动容栅 ( 简称动栅 ) 以定栅一样也为 铜片组成。如图 2 所示。节距为 t = T/ 8 = 0 .635 mm ，每一动栅由 48 片独立栅片构 成 ，对应定栅的一个节距有 8 个动栅片 (A,B,C,D,E,F,G,H), 一般称为发射极。每 8 个栅片为一组，一般每块动栅由 6 组栅片 并联。一方面提高测量精度 ，另一方面又 降低了对传感器制造精度要求。
電子身高尺传感器结构及工作原理
• 1、结构 • 容栅式直线同步传感器由容栅付及相应的信号处 理电路组成。 组成容栅付的固定容栅和可动容栅 是该传感器的关键部件。 • (1)固定容栅（简称定栅）在测量过程中位置固定 不变，它是测量的基准部件。它是由有规律排列 的金属片组成。如图 1 所示。其节距 T = 5 .08 mm ，公共板极和独立的定栅片宽度各为总宽度 的一半 , 即 2.54 mm 。
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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。
当相对位移量超过l0(小电极片的间距)即L0/4时，由控制电路自动改变小电极片组的接线，见图中位置b，这时电极片组由小电极片2～5构成；电极片组由小电极片6～9构成。
这样，在电极片P相对移动的过程中，能保证始终与不同的小电极片形成同样的差动电容器，重复前述过程，而得到与位移成线性关系的输出电压。
该测量系统由输出电压来调节激励电压，形成闭环反馈式测量系统。
因而具有下节所述闭环反馈系统的优点，而且还使寄生电容的影响大为减小。
电路复杂是其主要缺点。
(三) 调相式测量原理
调相式测量原理如图4-25所示。
容栅传感器一个极板K由数个发射极片组形成，每个极片组中有八个宽度均为l0的发射极片，分别加以八个幅值为Um、
频率为w 、相位依次相差p /4的正弦激励电压；另一个极板由许多反射极片M和接地的屏蔽极片S形成；还有一个接受极片R。
图中给出其中一组来说明测量原理，当两个极板处于相对位置a时，每个发射极片与反射极片完全覆盖，所形成的电容均为C0。
当两个极板相对移动x(< ?l0)而处于位置b时，若将反射极片的电压记为UM、接受极片的电压记为UR，反射极片与接受极片之间的电容记为CMR、接受极片与地之间的电容记为CRG，则有
由上式可以推导出
(4-21)
可见，传感器输出一个与激励同频的正弦波电压，其幅值近似为常数k，而其相位q 则与被测位移x近似成线性关系。
通常采用相位跟踪法测出相位角q 。
当被测位移x超过l0时，则重复上述过程，勿需改变发射极片的接线即可实现大位移测量。
显然，调相式测量系统具有很强的抗干扰能力，但由式（4-21）可知它在原理上存在非线性误差(0.01l0)，而且当用方波电压激励时还存在高次谐波的影响，结果导致测量精度下降。
二、容栅传感器的结构形式
(一) 反射式
其结构形式和安装示意图如图4-26所示。
图中动栅上排列一系列尺寸相同、宽度为l0的小发射电极片1～8，R为公共接收极，定栅上均匀排列着一系列尺寸相同、宽度和间隙各为4l0的反射电极片M1、M2、…和屏蔽极片S。
电极片间互相绝缘。
动栅和定栅的电极片相对、平行安装。
当发射电极片1～8分别加以激励电压U1～U8时，通过电容耦合在反射电极片上产生电荷，再通过电容在公共接收极上产生电荷输出。
采用不同的激励电压和相应的测量电路，则可得到幅值或相位与被测位移成比例关系的调幅信号或调相信号。
此结构形式简单，使用方便，但移动过程中，导轨的误差对测量精度影响较大。
(二) 透射式
其结构形式如图4-27所示。
它是一个开有均匀间隔矩形窗口的金属带和测量装置组成。
在测量装置的两侧分别固定着一个公共接收电极板和一个与图4-26中一样的有一系列小发射电极片的极板，而金属带则在测量装置的中间通过并随被测位移一起移动。
发射电极通过金属带上的矩形窗口与接收电极形成耦合电容，而金属带则代替图4-26中的屏蔽极起屏蔽作用。
这种结构形式的特点是：测量调整方便、安装误差和运行误差的影响大为降低。
但其制造安装困难。
(三) 倾斜式
它是将图4-26中的一系列小发射电极均倾斜一个角度a ，而其它电极栅片不变所形成的，图4-28给出其动栅极片形状。
它可以消除图4-24中测量系统在改变小电极片组的接线时，由于小发射极片间隙与接收电极片边缘不理想所产生的突变误差,因此它对加工精度要求不高。
前面讨论了线位移容栅传感器即长容栅的测量原理和结构形式，可将它们移植到测量角位移的电容传感器中，形成所谓的圆容栅。
容栅传感器的机械结构以及设计原则与电容传感器有许多相似之处，可参阅本章前面的内容。