容栅传感器的测量原理及其结构
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。
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
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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。
容栅传感器的特点
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。
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 。
电容式传感器的工作原理和结构课件
研究更先进的技术和材料，以 扩大电容式传感器的动作范围。
提高响应速度
优化传感器结构和电路设计， 以提高电容式传感器的响应速度。
改进电源管理
优化电源管理系统，提高电容 式传感器的电源稳定性。
PART 05
电容式传感器的发展趋势
技术创新
微型化
随着微电子技术的进步，电容式传感 器的尺寸不断缩小，提高了其集成度 和空间利用率。
分类
根据转换原理和应用领域，电容 式传感器可分为变间隙型、变面 积型和变介电常数型等。
工作原理简介
工作原理
电容式传感器基于电场原理，通过测量电场中电容量的变化来检测被测量的变 化。
转换过 程
当被测量发生变化时，会引起电容器极板间的距离、面积或介电常数的变化极材料
01
电极材料的选择对电容式传感器 的性能也有重要影响。常用的电 极材料包括金、银、铜、镍等。
02
电极材料的导电性能、稳定性以 及与被测物体的兼容性等因素都 需要考虑。
电极形状与尺寸
电极的形状和尺寸也会影响电容式传感器的性能。不同形状和尺寸的电极适用于 不同的应用场景。
例如，对于测量液体流量的传感器，通常采用圆环形电极；对于测量压力的传感 器，则采用圆形或方形电极。电极的尺寸也会影响传感器的灵敏度和响应速度。
2023 WORK SUMMARY
电容式传感器的工作 原理和结构课件
REPORTING
CATALOGUE
• 电容式传感器概述 • 电容式传感器的结构 • 电容式传感器的应用 • 电容式传感器的优缺点 • 电容式传感器的发展趋势
PART 01
电容式传感器概述
定义与分类
定义
电容式传感器是一种基于电容原 理的传感器，能够将非电学量转 换为电学量。
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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。
二、容栅旋转编码器的结构和测量原理
1、容栅旋转编码器的结构组成
容栅旋转编码器分动栅和静栅二部分，都为精密加工的印刷电路板。
动栅上有发射极和接收极，在发射极和接收极之间有屏蔽极，避免发射极到接收极之间的直接电容耦合。
静栅上有反射极和屏蔽极，反射极与屏蔽极的宽度一致，屏蔽极需可靠接地。
动栅上共有48个发射电极，发射极的极距按实际要求可变，每4个发射极对应于一个反射极。
动栅上每8个发射电极为一组，共6组。
对每组发射极进行编号A到H同编号的发射极电路上相连。
运行时，两块印刷电路板的栅面平行同轴相对，间距在0.1mm左右。
图1所示的是旋转式容栅编码器的结构图。
2、容栅传感器测量原理
在动栅栅面编号为A～H发射电极上分别加上8个等幅、同频、相位依次相差p/4的方波激励电压信号（i=0，1，2，…，7）。
每组编号相同的发射极都加以相同的激励信号，经过两对电容耦合在接收极上形成容栅电压信号。
由于各组中序号相同的发射极和反射极的相对位置相同，所以可以将48个发射极和对应的反射极板间的电容简化为到的8个电容器。
Cf代表反射
极与接收极相互耦合之后形成的电容器，由于接收极在动栅移动方向上的长度恰好为一组反射极长度的整数倍，又由于反射极是周期性排列的，所以接收极和反射极的相互覆盖面积不随位移变化，即Cf为一个常数。
图2所示为其等效电路图[2]。
容栅工作时，施加发射电极上的周期激励信号，通过发射极与反射极、反射极与接收极两对电容耦合，在接收极上形成合成信号。
传感器输入、输出信号与各电极之间电容耦合关系如图3[1]。
式中，k为一常系数，正负由动栅和静栅的相对运动方向决定。
从公式（5）可知，输出信号的电位相与容栅传感器的位移有一一对应关系（在一个周期内是单值函数），调相信号是一个周期信号，动栅和静栅每相对运动一组发射极的宽度，调相信号变化一个周期。
根据这个原理可以通过鉴相器鉴别调相信号的相位变化，从而推算出动栅和静栅的相对位移。
同时还可以通过可逆计数器记录输出信号周期变化数，实现长距离的测量。
接收极上的输出信号并不能直接送鉴相电路使用，在这之前还需要经过解调́、滤波、放大和整形，形成方波，最后通过鉴相器输出位移信息送显示。
图4为鉴相型容栅传感器的测量原理图[2]。
3、容栅旋转编码器的数据传递
容栅旋转编码器的核心部件是容栅集成芯片，它负责把传感器的位置信息转化为数字信号输出。
容栅芯片有4根引出线，分别为+1.5V、CLK、DATA和0V线。
其中+1.5V和0V线为电源线和地线，CLK和DATA线为同步时钟信号线和数据线。
CLK信号为同步时钟信号，在一次数据传送中，开始为54ms的高电平，表示数据即将开始传送；接下来是两段各有24个宽度为13ms的窄脉冲，前后两段窄脉冲之间有110ms的高电平作为间隔；最后是75ms的高电平，以示数据传送结束。
具体波形如图5。
容栅旋转编码器的数据传送是周期性的，在慢速状态下，周期间隔为250ms，在快速状态时，为20ms。
DATA信号为数据信号，它包含了编码器的位移信息。
在数据采集时，容栅芯片在CLK信号窄脉冲的下降沿对DATA信号进行采样，先后采样两组24位数据。
一组为绝对数据，另一组为相对数据。
绝对数的初值只受上电影响，相对数据初值由数据清零信号控制。
三、容栅旋转编码器的关键技术
容栅编码器有功耗低、性价比高等优点。
但其工作容易受到外界的干扰，影响工作稳定性。
所以在设计容栅编码器时，需要一些特殊措施来抵抗干扰，提高稳定性。
环境对容栅编码器的工作影响很大，特别是湿度。
电容传感器主要是通过两极板之间的电容量变化来反映相应的被测量变化。
在大湿度的情况下，会改变两极板间的介电常数影响电容值，同时也使容栅电路的漏电流明显增大，使容栅编码器工作的稳定性将受到削弱。
因此，建立一个良好的容栅工作小环境，使其免受外界环境的影响，对其能否可靠工作非常重要。
容栅编码器是靠电容极板传递信号，因此保证极板之间的电场稳定是容栅位移信号能够正常无误传递的前提。
由于容栅编码器经常用于工业环境，其现场工作环境很差，常伴有大功率的电磁干扰，将容栅核心部件全部密封在金属壳内，而非像一般的容栅数显产品把静栅暴露于环境中，这样既有效的进行了电磁屏蔽，同时隔绝了外界水汽、油污，使编码器能在一个相对良好的环境中工作。
容栅的动栅和静栅的屏蔽极都要有效的接地，起隔离屏蔽和消除寄生电容的作用。
实际中，动栅和静栅相互独立，没有任何连线，这就需要通过外界搭桥，一般情况下，编码器的外壳就起这样的作用。
动栅上集成的容栅芯片的正极通常和动栅屏蔽极相连，这就有可能由于后续电路接地引起电池短路。
因此在进行电路设计时，必须考虑这个特点，在设计上采取针对性措施，对电路进行隔离，来解决因后续电路接地带来的电池短路问题。
容栅编码器是一种准绝对式传感器。
在平时全靠内部电池维持其正常工作，因此，电池问题不容忽视。
经过实际操作证明在电池电压降低时，将产生许多不可预料的情况。
采用超级电容和电池并联工作，可以有效的降低电池的功耗，延长容栅编码器的工作时间。
同时，通过设计电路实测电池电压报警，尽量避免由于电池电量不足影响编码器正常工作。
除了以上几点，还需要其他的一些软件和硬件上的辅助措施，才能保证容栅编码器正常稳定的工作。
四、容栅旋转编码器的应用
容栅旋转编码器具有测量分辨率高、量程大，可以应用于大位移（角位移）测量。
表1列出了不同节距数时，容栅旋转编码器的分辨率可达到的精度和测量量程。
利用上述性能，可作为多圈角位移的高精度测量。
如丝杠推进位移的高精度控制，借助齿条、链条、线束传动，可以将角位移转换为线位移。
用容栅编码器作大位移测量，如长行程油缸的位移，堆取料机在轨道上定位等，笔者曾将容栅编码器用于超大型构件水平推进的同步控制，取得良好效果。
容栅旋转编码器类似于绝对式编码器，其机电转换部件由内置电池供电，其信号发送部件由外接电源供电。
当外接电源断开时，虽然不输出数据，但传感器还是在内部电池支持下工作，对角位移的变化做出反应，在任何时间都能取得正确数据。
因为要有内部电池支持，这类传感器被称作准绝对式传感器。
由于传感器耗电极小（<10mA）更换一粒钮扣电池可工作一年以上。
与led 容栅编码器采用RS-422通讯接口，便于计算机接口，也便于进行长距离的信号传递。
每个传感器可设置其ID编码号，便于实
现多个传感器信号的网络传递。
容栅编码器数据测量周期最短为20ms，数据长度为4字节，可以和一般的串行通讯速率相匹配。
五、结束语
随着容栅技术的应用，容栅编码器破壳而出。
凭借其优异的性能和可靠性的不断改进，容栅编码器必将越来越受到关注，在今后的编码器市场上占据自己的一席。