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数显卡尺的原理
5 `2 S1 L4 V$ |& H一、容栅测长概述 7 k; V$ N) \( B" s% g
容栅式测长的主要(核心)部分是容栅传感器，容栅传感器是国外70～80 年代研制出的一种新颖、大位移传感器， 当安装在不同的设备上时可以构成不同的测长仪器。现已成功地在量具（如电子数显卡尺、千分尺）、量仪（如高度仪、坐标仪）和机床数显装置（如机床行程测量）等方面得到应用。 ( M O1 h9 m- T0 {4 E0 _: R8 G
主要特点：测量精度高，达5mm，量程大，达1m。
1 J9 Q5 t e6 `7 H8 X, o二、容栅传感器定义 1 [+ G/ I5 O5 f7 [. R$ t* P8 c
容栅传感器是一大类变面积原理的电容传感器，它的电极不止一对，电极排列呈梳状，故称为容栅传感器。具有 三大优点：
1 Z( i3 B& M1 b1、为同组中有多个电极或多个电极并联，极大地提高了灵敏度；
3 H% \6 Y) }& n2 W9 {2、一个大极距内有多个发射电极，可细分，实现小位移测量；在定尺上有多个大电极，可计数，实现大位移测量；
, G+ N6 Q, e2 ]8 H! a3、由于增加了反射电极，通过它的电容耦合和电荷传递作用，使得传感器的活动部分（动尺）与测量线路之间没有活动的引线。 ) L( d0 r5 j* @, N
三、容栅传感器的基本类型及工作原理
+ K9 D. D. F1 Z2 y, B+ J2 j- L# z容栅传感器可实现直线位移和角位移的测量，根据结构形式，容栅传感器可分为三类： : T* `1 T& D0 o
1．直线形容栅传感器（长容栅）
) Z8 a. G- W* l7 H V5 g整个传感器由两组条状电极群相对放置组成，一组为动栅，另一组为定栅；动栅和定栅通过静电耦合来实现其 位移的测量。 # Q' O7 L" L7 w, y# a9 X2 i
2．圆形容栅传感器（片状圆容栅） ! g! d' V- @" ?, s: \) H. W; J: A
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。
* \, V+ u) k" J2 M/ U- u3．筒形容栅传感器（柱状圆容栅）
4 Y0 f/ q( w+ s* n* G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。 4 y' Z" Y$ G* 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： 4 Y. v5 d; k5 q9 Z' D
式中 n——动尺栅极片数 a，b——栅极片长度和宽度；
: h. ?4 A y& o( ~1 p/ `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。 ! I, G$ V% p/ l
圆容栅传感器的结构原理图如图3 所示。
: L! n: |( F) `8 A5 K( A" S7 ?5 r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：
& \% g) y0 q+ z$ @式中 r1，r2 ——圆盘上栅极片外半径和内半径； 9 }: e& A- a/ m
α——每条栅极片对应的圆心角。
- X U& y7 ~ i柱状圆容栅的结构示意如图4 所示
0 Y' y# J, ]5 |7 L& W图4 柱状圆容栅的结构原理图
; y1 ~. L% R4 V& V4 @" x9 ^- T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。
; M5 |! Y5 Y% ~( Y# G四、容栅传感器的测量电路 : m' _4 C4 u. P% W& c$ g, N
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]。
+ {# o/ O! X0 A1 T0 e参考资料： [1] 强锡富主编，《传感器》，机械工业出版社，1996
0 d7 J$ H5 T6 j( S9 l五、容栅传感器与光栅、磁栅和感应同步器的关系
9 z, l) j( d/ u; N2 W( T6 O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。 8 z2 `6 e0 X& e7 B$ y. s, F" s
六、容栅式数显卡尺生产厂家 ; L+ Q8 `/ |; d* m0 ]7 s
青海量具刃具有限责任公司http://www.qlr.com.cn 0 F& ?1 J& H l6 s: r
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。 / i' w c: b% ~2 V Q4 C
桂林广陆数字测控股份有限公司http://www.guanglu.com.cn
; Z3 {# F7 O% d! Q4 u8 d4 D7 d' k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。 2 ~! n4 V3 j6 P0 f( B# F
上海量具刃具厂http://www.smctw.com.cn
9 E1 h8 `5 H; ]3 W- T1 s4 ^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。
, ]0 n5 h! @2 k; N5 s7 m, H哈尔滨量具刃具集团有限责任公司http://www.harbin-links.com.cn 2 |9 r3 o+ t3 ~( c, O
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
发表于 2008-10-28 00:25:56
