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电容传感器容栅旋转编码器原理及应用
电容传感器容栅旋转编码器原理及应用一、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
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容栅技术介绍：该技术主要应用于高精度长度、角度的测量。主要原理是将付栅栅条由沿X轴方向排列，改变为在X、Y轴方向作交替排列，使相邻栅条沿X轴方向间距为零，同时又使同侧相册条之间的距离增加。既减少了栅条制作的工艺难度，又提高了传感器的测量精度，并将栅条制作在陶瓷、玻璃等无机材料上，提高了传感器的工作可靠性和稳定性。经过两年多的努力，成功解决了在低设备投入、低净化条件下在陶瓷基片上沉积金属的方法与制作精细线条、多层电路用的关键工艺技术和材料。几年来利用该技术开发成功的产品有：①全防水滚动数显卡尺（填补国家空白）②数显水平仪电子组件③数显测力计④数显手提秤电子组件⑤数显卷尺电子组件⑥数显杠杆表⑦数显角度尺（填补国家空白）⑧高精度数显卡尺⑨双指示数显千分表、百分表（填补国家空白）。二、容栅测量系统的基本原理与特点： 容栅测量系统是一种无差调节的闭环控制系统，它的基本测量部分是一个差动电容器，它的作用是利用电容的电荷耦合方式将机械位移量转变成为电信号的相应变化量，将该电信号送入电子电路后，再经过一系列变换和运算后显示出机械位移量的大小。 由于容栅测量系统的原理及其结构设计的先进性，使其具有许多突出优点： 1.由于传感器采用等节距的栅型结构，使测量的精度不直接与长度有关，故非常适宜于大位移测量。 2.测量速度快。分辨率为0.001mm时，测量速度可达0.35m/s；分辨率为0.01mm时,测量速度可达 1.5m/s。分辨率为0.001mm的光栅和感应同步器数显测量装置，测量速度一般应在0.2m/s左右。其它可测大位移的传感器在测量速度上也很少能达到容栅类传感器的水平。 3.传感器的结构简单，易于与集成电路制成一体，易进行机械设计。传感器机械部分主要由两组极板组成，结构小巧，使得测量系统的结构简单，成本低廉。这一优点也是其它类型的位移测量系统所不能比拟的。 4.对使用环境要求不高。能抗电、磁场的干扰；采用适当的防护措施后，能防油污、防尘，对空气湿度不敏感，适合于在车间生产现场使用。这也是容栅测量系统的一个很突出的优势。 5.能耗少。这是由于传感器本身的介质损耗和静电引力都很小的缘故。电路采用大规模的CMOS集成电路，使电路能在底工耗下工作。一颗扣式氧化银电磁就可使其连续工作一年时间。这一优点使得在通用精密量具上实现数显，并使之成为具有很大发展前途的产品。 6.功能多，运用方便。容栅测量系统的电子线路经过几度改进，使其系统逐渐完善，现在的电路具有任意点置零，公英制转换、值保持、最大值最小值寻找，数值予值，测量速度过快及电磁电压过低报等功能，使测量系统的运用方便，确保测量数据的正确性。 7.串行码数据输出，可供计算机进行相应要求的处理以及打印机进行数据记录。这对产品质量控制提供了便利条件。 光栅 也称衍射光栅。是利用多缝衍射原理使光发生色散（分解为光谱）的光学元件。它是一块刻有大量平行等宽、等距狭缝（刻线）的平面玻璃或金属片。光栅的狭缝数量很大,一般每毫米几十至几千条 光栅测量原理 　　送线机构上配置的测量光栅由标尺光栅和指示光栅组成。用厚度为0.06mm的不锈钢片作为光栅材料，通过特殊的工艺在不锈钢片表面均匀地刻上100对/mm透光镂空和不透光条纹。 　　把指示光栅安装在送线机构上，而标尺光栅固定于机架上，而标尺光栅固定于机架上，并使二者之间保持0.03mm～0.06mm的间隙以避免摩擦，且在安装时使二者的光栅纹线之间形成一个小夹角，当光线透过光栅时，指示光栅纹时，指示光栅上就会产生若干条粗的明暗条纹，这就是莫尔条纹。当指示光栅相对于标尺光栅作左右移动时，莫尔条纹也在作上下移动。莫尔条纹移动的方向近似地与光栅移动的方向垂直。 　　莫尔条纹具有平均误差和放大使用，而且光栅栅线和莫尔条纹之间具有数量和方向上的对庆关系。利用光电传感器得到与明暗条纹相对应的周期性电压信号，再经放大、变换整形即可得到计数脉冲。由于脉冲数是表示指示光栅所移动的条纹数，所以，只要知道光栅栅距即可得出光栅所多动的实际距离。三,容栅与磁栅的区别:磁栅和容栅有什么区别？哪个的稳定性好，精度高？我用通俗的比喻对原理进行说明，看能讲明白不。.栅---栅栏------也就是竖条筷子状的东西排成长列的意思。 磁栅------将磁极做成竖条状的东西，并将其磁极性排列成N..S..N..S..N..S..N..S..N..S..N..S..N..S..N..S.当有一个带“有线圈的磁头”扫过这个磁栅时，就能在磁头中的线圈两端产生出“交流信号来”。将这个“交流信号来”放大、整形、计数、显示，就是位移长度的计量数。容栅------可以理解为一根长长的铜线，来回的折成相等长度的小棍状，并将其排列成栅形。注：这些小棍是来回串联的。当有一个“马蹄形磁铁”扫过这个栅时，就能在这个容栅上感应出交流信号。将这个“交流信号来”放大、整形、计数、显示，就是位移长度的计量数。它们有一个同的弱点：1，怕外界的强磁场。2，怕震。四,光栅介绍光栅 也称衍射光栅。是利用多缝衍射原理使光发生色散（分解为光谱）的光学元件。它是一块刻有大量平行等宽、等距狭缝（刻线）的平面玻璃或金属片。光栅的狭缝数量很大,一般每毫米几十至几千条 光栅测量原理 　　送线机构上配置的测量光栅由标尺光栅和指示光栅组成。用厚度为0.06mm的不锈钢片作为光栅材料，通过特殊的工艺在不锈钢片表面均匀地刻上100对/mm透光镂空和不透光条纹。 　　把指示光栅安装在送线机构上，而标尺光栅固定于机架上，而标尺光栅固定于机架上，并使二者之间保持0.03mm～0.06mm的间隙以避免摩擦，且在安装时使二者的光栅纹线之间形成一个小夹角，当光线透过光栅时，指示光栅纹时，指示光栅上就会产生若干条粗的明暗条纹，这就是莫尔条纹。当指示光栅相对于标尺光栅作左右移动时，莫尔条纹也在作上下移动。莫尔条纹移动的方向近似地与光栅移动的方向垂直。 　　莫尔条纹具有平均误差和放大使用，而且光栅栅线和莫尔条纹之间具有数量和方向上的对庆关系。利用光电传感器得到与明暗条纹相对应的周期性电压信号，再经放大、变换整形即可得到计数脉冲。由于脉冲数是表示指示光栅所移动的条纹数，所以，只要知道光栅栅距即可得出光栅所多动的实际距离。五. 高防护容栅电子尺一种以线位移容栅原理制作的、高防护容栅电子尺，能够防油污、防液溅、防尘附。其特征在于：将动、定栅电极之间的空气间隙安排在一个可移动的保护空间里，不管保护空间移动到何处，保护空间以外的定栅电极均被一条紧贴其表面的薄带复盖而不受污染，动、定栅电极之间空气间隙应有的正常介电系数不会因污染而招致异常。结构简单，容易制作，性能价格比好，实用性强。
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新型容栅式磁翻柱液位计研究.pdf75页
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