容柵傳感器的工作原理

　　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。

　　容柵傳感器的工作原理是根據(jù)平板電容理論而來(lái)。一般容柵傳感器的結(jié)構(gòu)包括動(dòng)?xùn)虐搴投虐濉?dòng)?xùn)虐灏l(fā)射極和接收極，定柵板包含反射極。反射極分別和發(fā)射極、接收極形成平板電容器。通過(guò)在發(fā)射極上施加n相激勵(lì)信號(hào)，反射極將此信號(hào)反射到接收極，隨著動(dòng)?xùn)虐宓囊苿?dòng)，接收極的感應(yīng)信號(hào)的幅度變化不大，而相位變化與位移量成一定函數(shù)關(guān)系：

　　θ（x）=arctan［（1-2x／w）／（1+√2）］（1）

　　其中，x為位移量，w為小發(fā)射極寬度。當(dāng)位移發(fā)生一個(gè)w寬度變化時(shí)，接收極產(chǎn)生360°／n的相差。設(shè)激勵(lì)信號(hào)的周期為T，則有：

　　T=N·β（2）

　　式中：β為最小計(jì)時(shí)單位，N為常數(shù)。而每周期代表位移量為L(zhǎng)（本系統(tǒng)為0．508mm），在每周期中β代表一個(gè)小相位，則一個(gè)周期被分解為N個(gè)小相位，每個(gè)小相位代表位移量即最小分辨率：

　　△l=L／N（3）

　　本系統(tǒng)N為512，即最小分辨率約為0．001mm。對(duì)于最大測(cè)量速度Vmax，因?yàn)樵谝粋€(gè)周期內(nèi)最多能分辨N個(gè)相位，所以有：

　　Vmax=L／T（4）

　　容柵傳感器的特點(diǎn)

　　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(guò)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(guò)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(guò)一系列的變化，即可得出活塞移動(dòng)的長(zhǎng)度距離。

　　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(lái)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(wú)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。