容栅传感器的特点
雨量计 原理 参数 翻斗式 虹吸式 称重式
雨量计全自动雨量计原理参数简介雨量计（全自动雨量计）容栅式雨量计是通过容栅位移传器检测降雨量的，由于容栅传感器的分辨率是0. 01，所以容栅雨量计的计量非常精确。
采用上下电动阀控制进水和排水，又使得容栅雨量计在记录降水过程中雨量不流失，从而保证了计量过程的准确性。
雨量计（全自动雨量计）容栅式雨量计的数字化电路设计，不但计量精度高、操作方便、可靠性好等优点，与传统的雨量计相比较，该雨量计具有多项目前国内唯一的性能特点：•精度最高：分辨率0.01mm，比传统的翻斗式雨量计的精度高出10倍，所以在测量细雨和毛毛雨方面也不含糊。
•容许测量的降雨强度范围最大：国家标准是0.1mm—4mm/分钟，而容栅式雨量计的最大降雨强度测量可以高达9mm/分钟，大大超过国家标准，不管多大的暴雨都不漏计。
从而解决了以往其他遥测雨量计大雨时计量严重失准的弊病。
•计量误差最小：无论遇大雨暴雨，容栅式雨量计的误差始终小于±2%，远低于国家标准±4%，完全符合国际气象组织的检测标准，更让遇大雨暴雨计量严重失准（有时误差超过30%）的翻斗式雨量计望尘莫及。
•人工比对最准确：与人工测量比对，非常精确。
迄今为止，国内唯一可作为真实降雨记录和历史依据的测量设备。
•安装维护最方便：由于容栅式雨量计内部采用数字电路设计，因此无需像其他普通雨量计那样使用前、和使用一段时间后，要派人去现场先进行麻烦的精度校准，实现真正的无人值守。
•雨量计（全自动雨量计）其他技术参数：功耗：静态0.16W动态1.8W工作电压：DC9V～15V工作环境温度：0℃～60℃雨量计全自动雨量计原理参数简介雨量计（全自动雨量计）数据采集器用于读取容栅雨量计的降雨量，然后把这个降雨量保存在内部的存储器中。
这种Y系列的采集器配上“数据发送器”（Moden）后，还可以把保存在存储器中的雨量数据发送到省、市监控中心。
这就是一个完整的“自动遥测雨量站”。
雨量计（全自动雨量计）数据采集器另外具备温度输入端口，接上连线可以还采集百叶箱里数字温度传感器的地面温度数据。
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。
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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。
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各种容栅测量装置
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各种容栅数显表
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各种容栅数显卡尺
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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）
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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
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各种容栅数显卡尺（续）
内卡尺
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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。
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容栅传感器的特点
容栅传感器
容栅传感器是一种基于变面积工作原理，可测量大位移的电容式数字传感器。
它与其它数字式位移传感器，如光栅、感应同步器等相比，具有体积小、结构简单、分辨率和准确度高、测量速度快、功耗小、成本低、对使用环境要求不高等突出的特点，因此在电子测量技术中占有十分重要的地位。
随着测量技术向精密化、高速化、自动化、集成化、智能化、经济化、非接触化和多功能化方向的发展，容栅传感器的应用越来越广泛。
容栅传感器的特点
在整个测量系统中，容栅传感器的主要作用是把机械位移量转变成电信号的相位变化量，然后送给测量电路进行数据处理。
容栅传感器通过精密电压比较器TLC354进行控制，由继电器供电，由CPU89C52提供所需的激励信号，同时接收其感应信号，并通过鉴相型电路测量出激励信号与感应信号的相位差，经过一系列的变化，即可得出活塞移动的长度距离。