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发表于 2008-11-7 18:58:39
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数显卡尺的原理 7 g- R: R, C5 [
一、容栅测长概述 1 n+ q# M$ z: H4 W
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。 9 ]1 Q5 P* H. o
主要特点：测量精度高，达5mm，量程大，达1m。
# c$ B. }) E7 N9 q" S' @* Z' X) {二、容栅传感器定义
6 n5 U1 R. x7 I% _, S4 a0 N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： & g2 |) X6 v5 D% k$ G7 M4 F1 K Z
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； : }+ ]; ~* C# V
2、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； N5 E( w- c _2 U/ n
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。 / a: a. U4 Y& O) y7 I. V* |
三、容栅传感器的基本类型及工作原理
4 n/ T- } e1 M/ H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： ! Z! C( W; u/ R
1．直线形容栅传感器（长容栅） ! U3 O7 G9 R& P
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。
5 f+ F) I5 y# b5 a# b* h6 @2．圆形容栅传感器（片状圆容栅） # `8 P9 M, J; v' b9 x- w
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。 5 P1 T# B0 m* B$ S
3．筒形容栅传感器（柱状圆容栅）
; P" `( |7 w' P2 ~! r& W3 A& V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。
, l% P! c/ ] q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： 9 s. _9 k- W% q' c" [1 [' v+ c
式中 n——动尺栅极片数 a，b——栅极片长度和宽度；
2 v, i! v2 |; R/ F: E* c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。 * o s: N' E$ r( N- v8 E' P
圆容栅传感器的结构原理图如图3 所示。 8 U4 U. F- j" h1 f9 Z. i
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：
3 t4 Z, K( S0 B# N- P/ B式中 r1，r2 ——圆盘上栅极片外半径和内半径； ; U' Y( ?* J' d1 M& C. B
α——每条栅极片对应的圆心角。 9 s; }/ k$ d* O* y5 |
柱状圆容栅的结构示意如图4 所示
3 b$ ^6 I* P; l- S3 J/ a5 }; r. T图4 柱状圆容栅的结构原理图
1 w( R% m ?* K0 O$ D( h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。 . B- [$ j# n' n F& D
四、容栅传感器的测量电路
* R e- ~- P4 {* s5 L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]。 ! ~1 |% P9 ^" K4 u p1 T' c
参考资料： [1] 强锡富主编，《传感器》，机械工业出版社，1996
p) o, Y- P0 ^: `9 L$ W C五、容栅传感器与光栅、磁栅和感应同步器的关系 ) j7 O: T/ J6 }. {) X
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。
; K. R- s5 c5 T+ E六、容栅式数显卡尺生产厂家 ( N9 M. ?' }8 y" r3 j) h" l7 C
青海量具刃具有限责任公司http://www.qlr.com.cn 8 r3 W: G# T/ a
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。
+ u( R1 }3 }' `. ~- C- N桂林广陆数字测控股份有限公司http://www.guanglu.com.cn
' E) b9 N& ^. w" a1 h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。
3 [5 t- h- e9 k7 m P" @上海量具刃具厂http://www.smctw.com.cn 3 K- ]8 K% {. I& _9 T) }/ h# F( I
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。
1 R7 i' K. j6 f) A* P哈尔滨量具刃具集团有限责任公司http://www.harbin-links.com.cn
- N8 M6 b- [$ H x4 c& G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
