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(guó)”科學(xué)百科詞條編寫與應(yīng)用工作項(xiàng)目
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。
容柵傳感器是一種基于變面積工作原理，可測(cè)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(yīng)同步器等相比，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分辨率和準(zhǔn)確度高、測(cè)量速度快、功耗小、成本低、對(duì)使用環(huán)境要求不高等突出的特點(diǎn)，因此在電子測(cè)量技術(shù)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(diǎn)
體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分辨率高等
應(yīng) 用
電子測(cè)量技術(shù)
目錄
1
簡(jiǎn)介
2
結(jié)構(gòu)
3
特點(diǎn)
4
優(yōu)點(diǎn)
5
主要問題
容柵傳感器簡(jiǎn)介
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語(yǔ)音
容柵傳感器
本系統(tǒng)中主要是對(duì)直線位移的測(cè)量，所以采用直線型容柵傳感器。容柵傳感器的結(jié)構(gòu)非常類似于平行板電容器，它是由一組排列成柵狀結(jié)構(gòu)的平行板電容器并聯(lián)而成的，如果把隨時(shí)間變化的周期信號(hào)，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(gè)柵極上，則在另一公共極板上，任一瞬間產(chǎn)生的感應(yīng)信號(hào)將與該瞬間加載的激勵(lì)信號(hào)具有相同的相位分布。
容柵傳感器結(jié)構(gòu)
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語(yǔ)音
容柵傳感器動(dòng)?xùn)拧⒍鸥鳂O板之間形成的電容的等效電路，設(shè)C1(x)，C2(x)，C3(x)……C8(x)為動(dòng)?xùn)派?8塊極板與定柵上相應(yīng)極板所構(gòu)成的電容量，它是位移x的函數(shù)，假設(shè)小發(fā)射極板與反射極板完全覆蓋時(shí)兩者之間的電容為C0，每一塊小發(fā)射極板的寬度為w，當(dāng)0≤x≤w 時(shí)，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(gè)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(shí)，動(dòng)?xùn)派系?8塊極板中總有一部分與“地”(屏蔽板)形成電容，相應(yīng)的輸入信號(hào)源直接接入“地”，對(duì)傳感器的輸出信號(hào)不產(chǎn)生影響，可是為了導(dǎo)出φ(x)(φ(x)為傳感器的輸出信號(hào)相對(duì)于某一驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位移)隨位移量x連續(xù)變化的統(tǒng)一公式，在推導(dǎo)中不考慮這些極板對(duì)“地” 形成電容，而仍把它們看作對(duì)定柵板形成電容，只不過此時(shí)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(yīng)的信號(hào)源全部落在這些電容上，同樣，對(duì)傳感器的輸出信號(hào)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(yīng)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(hào)中的第1路信號(hào)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(nèi)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(cè)量電路測(cè)出，即可得到相對(duì)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(duì)輸入信號(hào)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(diǎn)
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語(yǔ)音
在整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)中，容柵傳感器的主要作用是把機(jī)械位移量轉(zhuǎn)變成電信號(hào)的相位變化量，然后送給測(cè)量電路進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。容柵傳感器通過精密電壓比較器 TLC354進(jìn)行控制，由繼電器供電，由CPU89C52提供所需的激勵(lì)信號(hào)，同時(shí)接收其感應(yīng)信號(hào)，并通過鑒相型電路測(cè)量出激勵(lì)信號(hào)與感應(yīng)信號(hào)的相位差，經(jīng)過一系列的變化，即可得出活塞移動(dòng)的長(zhǎng)度距離。
[2]
容柵傳感器優(yōu)點(diǎn)
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語(yǔ)音
容柵傳感器相對(duì)于其他類型的傳感器有許多突出的優(yōu)點(diǎn)：1、量程大、分辨率高。在線位移測(cè)量時(shí)，分辨率為2mm時(shí)，量程可達(dá)到20m，在角位移測(cè)量時(shí)，分辨率為0.1°時(shí)，量程為4096圈。其測(cè)量速度也比較高，測(cè)量線速度可達(dá)到1.5m/s。2、容柵測(cè)量屬非接觸式測(cè)量，因此容柵傳感器具有非接觸傳感器的優(yōu)點(diǎn)，諸如測(cè)量時(shí)摩擦阻力可以減到最小，不會(huì)因?yàn)闇y(cè)量部件的表面磨損而導(dǎo)致測(cè)量精度下降。3、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。容柵傳感器的敏感元件主要由動(dòng)?xùn)藕挽o柵組成，信號(hào)線可以全部從靜柵上引出，作為運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)?xùn)趴梢詻]有引線，為傳感器的設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)的接口方便，便于長(zhǎng)距離傳送信號(hào)，幾乎無數(shù)據(jù)傳輸誤差。數(shù)據(jù)更新速率可以達(dá)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(zhǎng)期工作，一粒鈕扣電池可以連續(xù)工作1年以上。利用這個(gè)特點(diǎn)，可以設(shè)計(jì)出準(zhǔn)絕對(duì)式的位移傳感器。6、在價(jià)格上有很大優(yōu)勢(shì)，其性能價(jià)格比遠(yuǎn)高于同類傳感器。
容柵傳感器主要問題
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語(yǔ)音
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(zhǔn)絕對(duì)式傳感器在長(zhǎng)期斷電工作時(shí)，需要定期更換電池，所以難于作為傳感器用于長(zhǎng)期自動(dòng)測(cè)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(duì)位置信息，本文研究的容柵旋轉(zhuǎn)編碼器將容柵全部的結(jié)構(gòu)密封在金屬殼內(nèi)，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(dòng)測(cè)量奠定了基礎(chǔ)。
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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(shù), 1994(12):37-40.
2.
徐科軍. 容柵傳感器的研究與應(yīng)用[M]. 清華大學(xué)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(biāo)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(chǎn)品類型，具有性能穩(wěn)定、使用靈活、可靠性高、維護(hù)簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，在多個(gè)行業(yè)中都有一定的應(yīng)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(wǎng)小編就來具體介紹一下，希望可以幫助用戶更好的應(yīng)用產(chǎn)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(dāng)于多個(gè)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(dòng)極板的極距相同且柵寬相同。動(dòng)極板相對(duì)于定極板移動(dòng)時(shí)，機(jī)械位移量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙葜档淖兓ㄟ^電路轉(zhuǎn)化得到電信號(hào)的相應(yīng)變化量。
以電容器為敏感元件，將機(jī)械位移量轉(zhuǎn)換為電容量變化，可進(jìn)行位移的測(cè)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(gè)固定極板和一個(gè)可移動(dòng)極板，可以組成變面積式電容傳感器。改變兩極板的對(duì)應(yīng)面積，傳感器的電容隨之變化。
物理實(shí)驗(yàn)中使用的一種電子數(shù)顯尺，就是采用的多級(jí)片型容柵作為傳感器，動(dòng)尺的多組柵片并聯(lián)是為了提高測(cè)量精度及降低對(duì)傳感器制造精度的要求。動(dòng)極板在移動(dòng)的過程中，始終與不同的小電極組成差動(dòng)電容器。動(dòng)尺相對(duì)于定尺移動(dòng)時(shí)，電容周期變化，產(chǎn)生的脈沖信號(hào)通過電路轉(zhuǎn)化放大及芯片計(jì)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(jī)械位移量轉(zhuǎn)換為電容量變化，可進(jìn)行位移的測(cè)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(gè)固定極板和一個(gè)可移動(dòng)極板，可以組成變面積式電容。改變兩極板的對(duì)應(yīng)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(dāng)于多個(gè)變面積型電容傳感器的并聯(lián)。容柵結(jié)構(gòu)如圖2.2.1所示，定極板為兩組等間隔交叉的極柵，動(dòng)極板的極距相同且柵寬相同。動(dòng)極板相對(duì)于定極板移動(dòng)時(shí)，機(jī)械位移量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙葜档淖兓ㄟ^電路轉(zhuǎn)化得到電信號(hào)的相應(yīng)變化量。
物理實(shí)驗(yàn)中使用的一種數(shù)顯尺，就是采用如圖2.2.2所示的多級(jí)片型容柵作為傳感器，動(dòng)尺的多組柵片并聯(lián)是為了提高測(cè)量精度及降低對(duì)傳感器制造精度的要求。動(dòng)極板在移動(dòng)的過程中，始終與不同的小電極組成差動(dòng)電容器。動(dòng)尺相對(duì)于定尺移動(dòng)時(shí)，電容周期變化，產(chǎn)生的脈沖信號(hào)通過電路轉(zhuǎn)化放大及芯片計(jì)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(jī)位移控制
【產(chǎn)品參數(shù)】
名稱：容柵位移傳感器
型號(hào)：TM-003
用途：直線位移測(cè)量
分辨率：0.01mm
產(chǎn)品精度：±0.02mm
位移長(zhǎng)度：由配套定柵（反射柵）決定
電源：3V
電壓：18-20μA
外形尺寸：長(zhǎng)30mm（位移方向），寬20mm，PCB板厚1.2mm，連同元件厚度＜2.5mm
【產(chǎn)品特點(diǎn)】
1、 尺寸小巧，專用為小尺寸傳感器而生；
2、 使用電壓為3V，轉(zhuǎn)換速率更快；
3、 對(duì)電路優(yōu)化設(shè)計(jì)，感應(yīng)信號(hào)更強(qiáng)，讓裝配更加簡(jiǎn)單；
4、 數(shù)據(jù)口人性化設(shè)計(jì)，可外部控制清零，更為方便；
5、 低功耗。
產(chǎn)品的測(cè)量速度為3m/s，顯示的速度為8次/s；
1、產(chǎn)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(fù)極短接500MS實(shí)現(xiàn)；
3、產(chǎn)品負(fù)極接地（金屬），否則會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)不穩(wěn)現(xiàn)象；
4、產(chǎn)品與反射柵之間的間隙控制在0.2mm以內(nèi)為宜，反射柵可根據(jù)需要延長(zhǎng)；
5、產(chǎn)品測(cè)量范圍－999.99 ~ 999.99mm，分辨率為0.01mm；
6、芯片數(shù)據(jù)主動(dòng)發(fā)射，不被動(dòng)接收；
7、串行數(shù)據(jù)輸出為開漏輸出，前20位是數(shù)據(jù)，后4位是標(biāo)志位；
