容栅传感器的工作原理及特点

　　容栅传感器的工作原理

　　容栅传感器是一种基于变面积工作原理，可测量大位移的电容式数字传感器。它与其它数字式位移传感器，如光栅、感应同步器等相比，具有体积小、结构简单、分辨率和准确度高、测量速度快、功耗小、成本低、对使用环境要求不高等突出的特点，因此在电子测量技术中占有十分重要的地位。

　　容栅传感器的工作原理是根据平板电容理论而来。一般容栅传感器的结构包括动栅板和定栅板。动栅板包含发射极和接收极，定栅板包含反射极。反射极分别和发射极、接收极形成平板电容器。通过在发射极上施加n相激励信号，反射极将此信号反射到接收极，随着动栅板的移动，接收极的感应信号的幅度变化不大，而相位变化与位移量成一定函数关系：

　　θ（x）=arctan［（1-2x／w）／（1+√2）］（1）

　　其中，x为位移量，w为小发射极宽度。当位移发生一个w宽度变化时，接收极产生360°／n的相差。设激励信号的周期为T，则有：

　　T=N·β（2）

　　式中：β为最小计时单位，N为常数。而每周期代表位移量为L（本系统为0．508mm），在每周期中β代表一个小相位，则一个周期被分解为N个小相位，每个小相位代表位移量即最小分辨率：

　　△l=L／N（3）

　　本系统N为512，即最小分辨率约为0．001mm。对于最大测量速度Vmax，因为在一个周期内最多能分辨N个相位，所以有：

　　Vmax=L／T（4）

　　容栅传感器的特点

　　在整个测量系统中，容栅传感器的主要作用是把机械位移量转变成电信号的相位变化量，然后送给测量电路进行数据处理。容栅传感器通过精密电压比较器TLC354进行控制，由继电器供电，由CPU89C52提供所需的激励信号，同时接收其感应信号，并通过鉴相型电路测量出激励信号与感应信号的相位差，经过一系列的变化，即可得出活塞移动的长度距离。

　　容栅传感器相对于其他类型的传感器有许多突出的优点：

　　1、量程大、分辨率高。在线位移测量时，分辨率为2mm时，量程可达到20m，在角位移测量时，分辨率为0.1°时，量程为4096圈。其测量速度也比较高，测量线速度可达到1.5m/s。

　　2、容栅测量属非接触式测量，因此容栅传感器具有非接触传感器的优点，诸如测量时摩擦阻力可以减到最小，不会因为测量部件的表面磨损而导致测量精度下降。

　　3、结构简单。容栅传感器的敏感元件主要由动栅和静栅组成，信号线可以全部从静栅上引出，作为运动部件的动栅可以没有引线，为传感器的设计带来很大的方便。

　　4、配用专用集成电路的容栅传感器是一种数字传感器，和计算机的接口方便，便于长距离传送信号，几乎无数据传输误差。数据更新速率可以达到每秒50次。

　　5、功耗极小。正常工作电流小于10mA，传感器敏感元件可以长期工作，一粒钮扣电池可以连续工作1年以上。利用这个特点，可以设计出准绝对式的位移传感器。

　　6、在价格上有很大优势，其性能价格比远高于同类传感器。