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发表于 2008-11-7 18:58:39
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数显卡尺的原理 ( ?# A' z. \* [1 |$ r2 ]9 c
一、容栅测长概述 + c( O$ b0 O! h0 H
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。 - l" v3 L- G7 m# S* ~. Q
主要特点：测量精度高，达5mm，量程大，达1m。 6 a1 W+ W) z8 w
二、容栅传感器定义 " I% K( I" j- r1 T" I. k
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：
9 w' y2 M+ }/ g/ U- g1、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；
6 _; E. W3 {; T" G2、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；
; [' F G* o' V" B1 M# Y# d3、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。 , |* x" z3 g* E
三、容栅传感器的基本类型及工作原理
9 b( K3 [" H" M0 \2 h5 q. f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： ' F# \5 u. Q- z3 O) u2 }, F
1．直线形容栅传感器（长容栅） : o7 G! J* m9 z1 U2 X
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。
" H1 g" k& E# i w" u b2．圆形容栅传感器（片状圆容栅）
* r6 f5 A' t) I V2 f! j7 V! @1 m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。 + w8 N' T5 M- P' H
3．筒形容栅传感器（柱状圆容栅）
) r0 x; s: s2 H+ \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。
" g) Z3 U0 @$ O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：
- e. i0 t) h- O0 K# `; E) m4 |式中 n——动尺栅极片数 a，b——栅极片长度和宽度； 6 z( j# ^" Q) x( ]( `' |
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。 0 I" \6 ~+ ~' b8 ?2 \8 O
圆容栅传感器的结构原理图如图3 所示。 1 \& |. c' s' u+ U$ V) Z1 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： 7 ?& q& Z) [# S4 P! D9 E
式中 r1，r2 ——圆盘上栅极片外半径和内半径； 7 d* C2 {. Q- U0 f0 z
α——每条栅极片对应的圆心角。
0 a0 P- U# j( e* J3 l- L柱状圆容栅的结构示意如图4 所示 0 K) `# v. e2 c0 ~
图4 柱状圆容栅的结构原理图
* r" Z. }' @6 Q1 d8 j7 N( B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。 ! S5 U: E* T4 U+ V* Y
四、容栅传感器的测量电路 6 r3 d V+ E; X/ T6 _1 \; `/ M
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]。 " c+ P$ I# A% [, f ~4 f" x2 K
参考资料： [1] 强锡富主编，《传感器》，机械工业出版社，1996 : N" j& a. t. K& L( H5 P9 b
五、容栅传感器与光栅、磁栅和感应同步器的关系 # n1 `* r! U" v- ~
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。
# t7 Q4 _2 S. x9 }5 m& f, _六、容栅式数显卡尺生产厂家 ( H9 V) W4 J4 H$ E3 \* U
青海量具刃具有限责任公司http://www.qlr.com.cn
! T" d& g- R! Z1 P* z3 A# o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。 . |% V4 T, V: L" \
桂林广陆数字测控股份有限公司http://www.guanglu.com.cn
; }* P' t) u" Q( n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。
8 C' g# L9 U+ r9 F: H上海量具刃具厂http://www.smctw.com.cn
& q0 z' t1 c2 l1 ?7 c* h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。 ! Z1 Z; h- c0 C
哈尔滨量具刃具集团有限责任公司http://www.harbin-links.com.cn 3 I8 l( y% z* V% E8 g# G7 n
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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楼主: cmx
