容柵 位移傳感器：容柵傳感器
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容柵傳感器
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本詞條由“科普中國”科學百科詞條編寫與應用工作項目
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。
容柵傳感器是一種基于變面積工作原理，可測量大位移的電容式數(shù)字傳感器。它與其它數(shù)字式位移傳感器，如光柵、感應同步器等相比，具有體積小、結構簡單、分辨率和準確度高、測量速度快、功耗小、成本低、對使用環(huán)境要求不高等突出的特點，因此在電子測量技術中占有十分重要的地位。
中文名
容柵傳感器
外文名
capacitance-grating sensor
工作原理
變面積
優(yōu) 點
體積小、結構簡單、分辨率高等
應 用
電子測量技術
目錄
1
簡介
2
結構
3
特點
4
優(yōu)點
5
主要問題
容柵傳感器簡介
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語音
容柵傳感器
本系統(tǒng)中主要是對直線位移的測量，所以采用直線型容柵傳感器。容柵傳感器的結構非常類似于平行板電容器，它是由一組排列成柵狀結構的平行板電容器并聯(lián)而成的，如果把隨時間變化的周期信號，通過電子電路的控制，在同一瞬間以不同的相位分布，分別加載于順序排列的柵狀電容器各個柵極上，則在另一公共極板上，任一瞬間產生的感應信號將與該瞬間加載的激勵信號具有相同的相位分布。
容柵傳感器結構
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容柵傳感器動柵、定柵各極板之間形成的電容的等效電路，設C1(x)，C2(x)，C3(x)……C8(x)為動柵上48塊極板與定柵上相應極板所構成的電容量，它是位移x的函數(shù)，假設小發(fā)射極板與反射極板完全覆蓋時兩者之間的電容為C0，每一塊小發(fā)射極板的寬度為w，當0≤x≤w 時，C 8(x)=C 0(x)/w，C 1(x)=C 2(x)=C 3(x)=C 0，C 4(x)=C 0(1-x/w)，c5(x)=c6(x)=c7(x)=0。由此可以得出整個量程中兩極板之間的電容量隨位移x的變化規(guī)律。在x為任何值時，動柵上的48塊極板中總有一部分與“地”(屏蔽板)形成電容，相應的輸入信號源直接接入“地”，對傳感器的輸出信號不產生影響，可是為了導出φ(x)(φ(x)為傳感器的輸出信號相對于某一驅動信號的相位移)隨位移量x連續(xù)變化的統(tǒng)一公式，在推導中不考慮這些極板對“地” 形成電容，而仍把它們看作對定柵板形成電容，只不過此時它們的電容量為零而已。由于這些電容量為零，則其阻抗為無窮大。相應的信號源全部落在這些電容上，同樣，對傳感器的輸出信號無影響。
[1]
如果給容柵傳感器每組發(fā)射極板上所加的發(fā)射電壓V1~V8為8路頻率、幅值相同而相鄰小極板間相位相差為π/4的正弦交變電壓，則在發(fā)射極上有電壓Vf，在接收極上有電壓Vr。應用交流電路理論及基爾霍夫電流定律，解讀圖l的等效電路，如下：如果用Vo表示各發(fā)射極電壓的幅值，并取8路信號中的第1路信號的相位為參考值，則有：其中φ0為V1的相角。將上述各量及Ci(x)(i=1，2，…，8)代入以上兩式，即得可見，容柵傳感器的輸出電壓是一頻率與發(fā)射電壓相同的正弦電壓，其幅值在很小范圍內變化，可近似看作一常數(shù)，而相位比V1超前了π/4+φ(x)。相位移 φ(x)可采用鑒相型測量電路測出，即可得到相對位移x，可見容柵傳感器是一種相位跟蹤型的位移傳感器，這種傳感器對輸入信號的幅值變化不敏感，故具有較好的抗干擾能力。
容柵傳感器特點
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在整個測量系統(tǒng)中，容柵傳感器的主要作用是把機械位移量轉變成電信號的相位變化量，然后送給測量電路進行數(shù)據處理。容柵傳感器通過精密電壓比較器 TLC354進行控制，由繼電器供電，由CPU89C52提供所需的激勵信號，同時接收其感應信號，并通過鑒相型電路測量出激勵信號與感應信號的相位差，經過一系列的變化，即可得出活塞移動的長度距離。
[2]
容柵傳感器優(yōu)點
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容柵傳感器相對于其他類型的傳感器有許多突出的優(yōu)點：1、量程大、分辨率高。在線位移測量時，分辨率為2mm時，量程可達到20m，在角位移測量時，分辨率為0.1°時，量程為4096圈。其測量速度也比較高，測量線速度可達到1.5m/s。2、容柵測量屬非接觸式測量，因此容柵傳感器具有非接觸傳感器的優(yōu)點，諸如測量時摩擦阻力可以減到最小，不會因為測量部件的表面磨損而導致測量精度下降。3、結構簡單。容柵傳感器的敏感元件主要由動柵和靜柵組成，信號線可以全部從靜柵上引出，作為運動部件的動柵可以沒有引線，為傳感器的設計帶來很大的方便。4、配用專用集成電路的容柵傳感器是一種數(shù)字傳感器，和計算機的接口方便，便于長距離傳送信號，幾乎無數(shù)據傳輸誤差。數(shù)據更新速率可以達到每秒50次。5、功耗極小。正常工作電流小于10mA，傳感器敏感元件可以長期工作，一粒鈕扣電池可以連續(xù)工作1年以上。利用這個特點，可以設計出準絕對式的位移傳感器。6、在價格上有很大優(yōu)勢，其性能價格比遠高于同類傳感器。
容柵傳感器主要問題
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容柵傳感器有最主要的問題是穩(wěn)定性和可靠性，環(huán)境潮濕和外界電磁干擾的影響尤為顯著，其次作為準絕對式傳感器在長期斷電工作時，需要定期更換電池，所以難于作為傳感器用于長期自動測量。容柵編碼器是以脈沖數(shù)字量來表示容柵傳感器敏感元件間相對位置信息，本文研究的容柵旋轉編碼器將容柵全部的結構密封在金屬殼內，大大提高了容柵傳感器的電磁兼容性和抗環(huán)境污染能力，為容柵原理用于自動測量奠定了基礎。
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參考資料
1.
徐科軍, 馬修水, 廖健芳,等. 容柵傳感器研究與開發(fā)現(xiàn)狀[J]. 工具技術, 1994(12):37-40.
2.
徐科軍. 容柵傳感器的研究與應用[M]. 清華大學出版社, 1995.
容柵 位移傳感器：容柵位移傳感器工作原理是什么？容柵位移傳感器工作原理詳解
原標題：容柵位移傳感器工作原理是什么?容柵位移傳感器工作原理詳解
容柵位移傳感器是一種常用傳感器產品類型，具有性能穩(wěn)定、使用靈活、可靠性高、維護簡便等優(yōu)點，在多個行業(yè)中都有一定的應用。容柵位移傳感器的工作原理是什么呢?下面必優(yōu)傳感網小編就來具體介紹一下，希望可以幫助用戶更好的應用產品。
容柵位移傳感器工作原理
容柵位移傳感器是基于變面積工作原理的電容傳感器，其電極的排列如同柵狀，相當于多個變面積型電容傳感器的并聯(lián)。定極板為兩組等間隔交叉的極柵，動極板的極距相同且柵寬相同。動極板相對于定極板移動時，機械位移量轉變?yōu)殡娙葜档淖兓?，通過電路轉化得到電信號的相應變化量。
以電容器為敏感元件，將機械位移量轉換為電容量變化，可進行位移的測量。平行板電容器的電容與極板面積成正比，與極板間距成反比。由一個固定極板和一個可移動極板，可以組成變面積式電容傳感器。改變兩極板的對應面積，傳感器的電容隨之變化。
物理實驗中使用的一種電子數(shù)顯尺，就是采用的多級片型容柵作為傳感器，動尺的多組柵片并聯(lián)是為了提高測量精度及降低對傳感器制造精度的要求。動極板在移動的過程中，始終與不同的小電極組成差動電容器。動尺相對于定尺移動時，電容周期變化，產生的脈沖信號通過電路轉化放大及芯片計算得到位移值的變化，并顯示出來。
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容柵 位移傳感器：容柵位移傳感器的工作原理
以器為敏感元件，將機械位移量轉換為電容量變化，可進行位移的測量。平行板的電容與極板面積成正比，與極板間距成反比。由一個固定極板和一個可移動極板，可以組成變面積式電容。改變兩極板的對應面積，傳感器的電容隨之變化。
容柵位移傳感器是基于變面積工作原理的電容傳感器，其電極的排列如同柵狀，相當于多個變面積型電容傳感器的并聯(lián)。容柵結構如圖2.2.1所示，定極板為兩組等間隔交叉的極柵，動極板的極距相同且柵寬相同。動極板相對于定極板移動時，機械位移量轉變?yōu)殡娙葜档淖兓?，通過電路轉化得到電信號的相應變化量。
物理實驗中使用的一種數(shù)顯尺，就是采用如圖2.2.2所示的多級片型容柵作為傳感器，動尺的多組柵片并聯(lián)是為了提高測量精度及降低對傳感器制造精度的要求。動極板在移動的過程中，始終與不同的小電極組成差動電容器。動尺相對于定尺移動時，電容周期變化，產生的脈沖信號通過電路轉化放大及芯片計算得到位移值的變化，并顯示出來。
容柵 位移傳感器：小尺寸容柵位移傳感器模塊、卡尺位移帶輸出芯片、單片機位移控制
【產品參數(shù)】
名稱：容柵位移傳感器
型號：TM-003
用途：直線位移測量
分辨率：0.01mm
產品精度：±0.02mm
位移長度：由配套定柵（反射柵）決定
電源：3V
電壓：18-20μA
外形尺寸：長30mm（位移方向），寬20mm，PCB板厚1.2mm，連同元件厚度＜2.5mm
【產品特點】
1、 尺寸小巧，專用為小尺寸傳感器而生；
2、 使用電壓為3V，轉換速率更快；
3、 對電路優(yōu)化設計，感應信號更強，讓裝配更加簡單；
4、 數(shù)據口人性化設計，可外部控制清零，更為方便；
5、 低功耗。
產品的測量速度為3m/s，顯示的速度為8次/s；
1、產品供電電源3-3.3V，不得超過3.6V；電源輸入需加濾波電容；
2、外部清零可通過第2線與負極短接500MS實現(xiàn)；
3、產品負極接地（金屬），否則會出現(xiàn)數(shù)據不穩(wěn)現(xiàn)象；
4、產品與反射柵之間的間隙控制在0.2mm以內為宜，反射柵可根據需要延長；
5、產品測量范圍－999.99 ~ 999.99mm，分辨率為0.01mm；
6、芯片數(shù)據主動發(fā)射，不被動接收；
7、串行數(shù)據輸出為開漏輸出，前20位是數(shù)據，后4位是標志位；
