容栅传感器结构及原理详解

容栅传感器（Capacitive Sensor）是瑞士Trimz公司在变面积型电容传感器基础上发展起来的一种新型大位移数字传感器。它除了拥有电容式传感器的优点以外，还具有多极电容带来的平均效应，并且采用闭环式反馈测量电路减小了寄生电容的影响，提高了测量精度（可达5μm）及抗干扰能力，极大地扩展了量程（可达1m），在各种小型量具如数显卡尺、数显千分尺、竖线高度尺上获得广泛应用。近年来随着制作精度的不断提高，已开始用于坐标测量机及机床的位移测量系统中。

（一）容栅传感器的特点

1.测量速度快

容栅的节距大，如分辨率0.01mm的容栅尺的节距为W=5.08mm，采用相位测量系统，因此具有较高的响应速度。分辨率0.001mm的容栅尺测量速度可达1m/s，比相同分辨率的光栅和感应同步器数显装置都高出数倍。

2.结构小巧简单

容栅的结构仅由两组平行平板组成，便于和大规模集成电路和液晶显示屏制成一体，组成小巧玲珑的数显量具，如容栅式数显卡尺、数显式汽车轮胎充气枪等。

3.对使用环境要求不高

容栅传感器对油污、灰尘及空气湿度变化等不敏感，适合于车间现场使用。

4.功耗小

容栅传感器的空气介质损耗和静电引力都很小，传感器本身几乎不消耗功率，电源负载主要是一片CMOS大规模集成电路，功耗极小，一个1.5V的氧化银纽扣电池使用寿命可达一年。

（二）容栅传感器的工作原理

1.容栅传感器的结构

根据结构形式，容栅传感器可分为直线式、圆形和圆筒形容栅传感器。其中，直线式和圆筒形容栅传感器用于直线位移的测量，圆形容栅传感器用于角位移的测量。现以数显卡尺为例来说明直线式容栅传感器的结构。直线式容栅传感器由动栅板和定栅尺两部分组成。动栅板装在卡尺的动尺上，定栅尺固定在尺身上。动栅板的正面装有专用大规模集成电路、液晶显示板集元件，其背面如图3-10a所示，由薄膜技术制作的48个发射电极组成的发射极和一个接收电极组成的接收极组成。接收极在发射电极的下方，为3mm×25.4mm的一金属条，其长度正好为节距的5倍。接收极与发射电极正对，前后有4个发射电极空出，目的是减小边缘效应引起的非线性误差。

定栅尺由环氧敷铜板腐蚀而成，它由许多相互隔离的传送电极和相互连成一体的屏蔽电极组成，其表面贴有绝缘层，防止工作时动栅电极与定栅尺短路。定栅尺的结构如图3-10b所示。

动栅尺正对定栅尺安装，间隙约为0.12mm，这样动栅尺上的发射电极和接收电极便分别与定栅尺的传送极构成了两组平板电容，发射极与传送极之间的耦合电容为Ci（x），传送极与接收极之间的耦合电容为Cj，卡尺发射极与接收极之间的等效电路如图3-11所示。(https://www.xing528.com)

图3-10　容栅传感器结构图

图3-11　容栅传感器的等效电路

2.容栅的工作原理

容栅传感器工作时，在每个发射电极上分别加上幅值和频率固定、相邻电极间相位差45°的方波激励电压，如图3-12所示。

图3-12　发射电极激励电压的8组波形

如图3-13实线所示，式中的负号表示发射电极上的上升脉冲在接收电极上将感应出下降脉冲。

图3-14　两极板位置变化

容栅传感器的动栅板上实际有48个发射电极与定栅尺相对应，但接收极的长度只有5个节距，因此接收电极总是同时接收5组信号，利用它们产生的平均效应，可以减小容栅制造误差对测量结果的影响。

3.容栅测置电路

容栅传感器的输出信号是随动定栅相对位移而变化的调相型信号，其测量电路的基本原理是检测定标脉冲与调相信号过零点的时间差来测量输出信号的相位变化，其信号处理电路如图3-15所示。由晶体产生的时钟信号经多级分频处理后，产生一次相差45°的8路调制方波信号，它们分别激励动栅A、B、C…H等8个栅片。当交流的方波信号激励动栅板时，动栅尺与定栅尺构成的两组平板电容产生信号，定栅尺收集与合成该电信号，并通过电容耦合到接收极上，形成信号处理电路的输入信号。

图3-15　信号处理电路图