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发表于 2008-11-7 18:58:39
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数显卡尺的原理
- E' c; H* H! j4 A一、容栅测长概述 ; f u0 J! a( | i2 P. D, B$ e
容栅式测长的主要(核心)部分是容栅传感器，容栅传感器是国外70～80 年代研制出的一种新颖、大位移传感器， 当安装在不同的设备上时可以构成不同的测长仪器。现已成功地在量具（如电子数显卡尺、千分尺）、量仪（如高度仪、坐标仪）和机床数显装置（如机床行程测量）等方面得到应用。 % O: |" Y/ j6 @. C+ m
主要特点：测量精度高，达5mm，量程大，达1m。 ) r! w9 ?! _, b( c3 `! }4 U
二、容栅传感器定义 ) ~! D1 H0 Q% q4 b6 k+ b
容栅传感器是一大类变面积原理的电容传感器，它的电极不止一对，电极排列呈梳状，故称为容栅传感器。具有 三大优点： 6 e; G. Z5 X! e1 Q) x
1、为同组中有多个电极或多个电极并联，极大地提高了灵敏度；
! }3 l; C5 n0 E& x3 Q2、一个大极距内有多个发射电极，可细分，实现小位移测量；在定尺上有多个大电极，可计数，实现大位移测量； ; s# c% E0 R% k3 u! I- }$ ~, R* C
3、由于增加了反射电极，通过它的电容耦合和电荷传递作用，使得传感器的活动部分（动尺）与测量线路之间没有活动的引线。 , l4 Z$ M; X0 U- I( s
三、容栅传感器的基本类型及工作原理
- V& C7 V' I* @ B% B! m, B0 D容栅传感器可实现直线位移和角位移的测量，根据结构形式，容栅传感器可分为三类：
7 i, e8 U0 B+ x$ o1．直线形容栅传感器（长容栅） 6 [4 |- P& N& \% r3 `
整个传感器由两组条状电极群相对放置组成，一组为动栅，另一组为定栅；动栅和定栅通过静电耦合来实现其 位移的测量。 8 h5 Q+ @* S- s& U$ q g
2．圆形容栅传感器（片状圆容栅） ; l5 z9 B4 s3 H5 D
在圆盘形绝缘材料基底上镀了多个辐射状电极群，两同轴圆盘上的电极群相对应，其电容耦合情况就反映了两 圆盘相对旋转的角度。 9 n, p' `( H; s8 \" Q' M
3．筒形容栅传感器（柱状圆容栅）
' B9 ?) Q/ m; \. P有两个套在一起的同轴圆筒组成，电极镀在圆筒上，可实现长度的测量。长容栅的结构原理如图1 所示。
/ `/ Y, `4 m# B2 f图1 中，1 为定尺，2 为动尺，在它们的A 、B 面上分别印制（镀或刻划）一系列相同尺寸均匀分布并互相绝缘的金 属栅状极片。将动尺和定尺的栅极面相对放置，其间留有间隙，形成一对对电容，这些电容并联联接，根据电场理论并忽略边缘效应，其最大电容量为：
2 V4 {) v8 U2 M$ P式中 n——动尺栅极片数 a，b——栅极片长度和宽度；
0 P1 @& U7 A( R) z9 `" z最小电容量理论上为零，实际上为固定电容C0，为容栅固有电容。当动尺沿x 方向平行于定尺不断移动时，每对电容 的相对遮盖长度a 将由大到小，由小到大地周期性变化，电容量值也随之相应周期变化，如图2 所示，经电路处理后， 则可测得线位移值。
( ~# t( s0 Z4 k; c圆容栅传感器的结构原理图如图3 所示。 O9 K: S1 d8 V4 M& Z
图3 为片状圆容栅，它由同轴安装的固定圆盘1 和可动圆盘2 组成，A、B 面上的栅极片呈辐射的扇形，尺寸相同均 布并互相绝缘。工作原理与长容栅相同，最大电容为： 4 I0 c0 M' T; Y8 b
式中 r1，r2 ——圆盘上栅极片外半径和内半径；
. R" }: M" ~( u* u3 f. Yα——每条栅极片对应的圆心角。 + \4 G, ~& e% k& N W
柱状圆容栅的结构示意如图4 所示
( S, Y; t# a$ H# ` \图4 柱状圆容栅的结构原理图
3 u5 l$ o: h ~5 f柱状圆容栅是由同轴安装的定子（圆套）1 和转子（圆柱）2 组成，在他们的内、外柱面上刻制一系列宽度相等的齿 和槽，当转子旋转时就形成了一个可变电容器：定子、转子齿面相对时电容量最大，错开时电容量最小。 ) @; [ N- T# R+ I: M4 ^
四、容栅传感器的测量电路
2 t) J5 U) U. n1 Z容栅传感器的测量电路形式有多种，根据信号处理方式通常可分为调幅式和调相式测量电路[1]。
/ f/ F- a, h7 K5 S2 [: x参考资料： [1] 强锡富主编，《传感器》，机械工业出版社，1996
: M+ o$ l. B, T五、容栅传感器与光栅、磁栅和感应同步器的关系
$ ^, Q. q% T" b w7 ?! H1 Z W容栅传感器与光栅、磁栅和感应同步器等同属于大位移测量传感器。这些装置各有所长，但成本较高，结构复 杂，对使用环境和安装条件要求高，特别是各部分间的连线困难，易受干扰，难以普及使用和实现在现有机床设备改 造中的应用。容栅式测量系统具有重复性好，精度高，抗干扰能力强，对环境要求不苛刻，实现数字化等优点；而且 相对光栅测量系统而言，它具有结构简单、造价低、体积小、耗能少、安装使用方便、环境适应性强、分辨率高、动 态范围宽等优越性，因此广泛应用于国内外相关领域。特别是其位移传感器的可动部分不需通电，从根本上解决了连线困难的问题。因而适用于多种机械设备的位移量数字化自动显示。 " I/ s6 ]+ q! w# M; B5 d, @
六、容栅式数显卡尺生产厂家
3 R d$ [1 U5 N& n8 X4 Y青海量具刃具有限责任公司http://www.qlr.com.cn
- s7 s/ r2 x# F青海量具刃具有限责任公司创建于1955 年，是中国最早生产千分尺的厂家。该公司已成长为中国量具行业规模最大的千分尺生产厂家。在中国，该公司生产的千分尺品种、规格最为齐全。 . B: I( s" I4 l
桂林广陆数字测控股份有限公司http://www.guanglu.com.cn
2 } n# z* C% }/ ^: Z1 d该公司下辖无锡广陆仪表有限公司、上海广陆测控技术开发有限公司和上海广陆量具有限公司。公司主要生产四 大类产品：电子数显卡尺系列产品（通用和专用）；电子数显千分尺系列产品；电子数显指示表系列产品以及其它智能 化、数字化精密仪器仪表系列产品。生产规模已达100 万套，80%以上的产品出口到欧美等三十多个国家和地区。
% ^- n( J$ `) n上海量具刃具厂http://www.smctw.com.cn
6 L: @; B: [. `% Q% v! m1 F& N& `上海量具刃具厂是国内生产量具、量仪和刃具产品的老企业。生产的游标卡尺、千分尺、电子数显量具、圆度仪、齿轮量仪和锯片铣刀、立铣刀畅销国内外。 ! h9 u* e9 d7 o2 Q8 e7 s! |+ q
哈尔滨量具刃具集团有限责任公司http://www.harbin-links.com.cn
7 p3 U3 E B1 `0 g* A哈尔滨量具刃具集团有限责任公司(原哈尔滨量具刃具厂）是中国最大的精密工量具制造企业之一。通过 ISO9001:2000 质量体系认证。主要产品有：标准刃具、通用量具、数控刀具及工具系统、精密测量仪器、六足并联数控机床等，是全国同行业中产品品种最多、规格最全的工量具制造企业。 |
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