數(shù)字游標(biāo)卡尺原理

1、.容柵傳感器容柵數(shù)字顯示卡尺工作原理(1)利用容柵傳感器的電子數(shù)顯卡尺在我國的出現(xiàn)，已經(jīng)有十多年的歷史了。本文初稿編寫于十多年前，根據(jù)當(dāng)時國產(chǎn)芯片供貨單位的資料和自己實際計算，主要是通過交流電路含電阻電容的普通復(fù)數(shù)計算而得出機(jī)械位移與輸出信號相位呈近似線性關(guān)系式作為誤差分析的依據(jù)。現(xiàn)在重新整理出來供有興趣者參考和交流。所謂調(diào)制和解調(diào)，就是把有用信號和不要的干擾信號區(qū)別開來的措施，本來廣泛用于電訊技術(shù)中。為了能在一條電話線中傳輸許多不同信道的電話就要對各通道的 電話信號進(jìn)行調(diào)制使之互相區(qū)別開來。大家最熟悉不過的就是上網(wǎng)用的modem和收音機(jī)、電視機(jī)都是通過調(diào)制信號后再傳送出去。接收時再將原信號解

2、調(diào)回來。其中有調(diào)幅、調(diào)頻等等之說。同樣在機(jī)電一體化的長度測量技術(shù)中如光柵和感應(yīng)同步器等傳感器里多半是采用相位調(diào)制方法來進(jìn)行長度測量的。尤其是感應(yīng)同步器和容柵傳感器有非常相似之處。在感應(yīng)同步器里，滑尺上有兩組激磁繞組，相隔一定的距離，分別施加正弦和余弦電壓，它們在定尺繞組上產(chǎn)生總感應(yīng)電勢的初相位中包含了與時間無關(guān)的機(jī)械位移量x的信息。所不同的是容柵傳感器采用了電容和分別施加8路相位差以45度遞增的正弦電壓而已 。這種正弦電壓是由時鐘振蕩器產(chǎn)生的方波經(jīng)分頻器產(chǎn)生周期性的畸形方波，其基波成分就是正弦波了。如果沒有交流信號作為載波，那么機(jī)械位移信息就很難傳送。因此在這里只須用交流電路中的相量復(fù)數(shù)計算方

3、法就足夠了，不過式子太長了一些，有時分子和分母要分開來寫。既然是調(diào)相，那么鑒相器就是解調(diào)器了。當(dāng)然還有辨別x的方向功能等都包括在電路中了。本文主要分析電容柵板傳感器測量位移的原理。  1           數(shù)顯卡尺的結(jié)構(gòu) 圖1 是卡尺結(jié)構(gòu)的示意圖。   主要的傳感器元件是定柵2，它粘貼在尺身上。動?xùn)?，它與尺框相連結(jié)，并且隨尺框一起移動。動定柵之間的電容量隨著其相對位移依一定規(guī)律而變化。在6組8路驅(qū)動交流電壓的作用下，在接收板輸出一個交流電壓信號，其相位

4、是機(jī)械位移量x的函數(shù)。它在一定精度下呈近似線性函數(shù)。從而在這種調(diào)相和解調(diào)過程中實現(xiàn)長度精確計量，并在液晶顯示屏中顯示讀數(shù)。 二測量電路原理 如下圖所示，電路板中有時鐘振蕩器，產(chǎn)生時鐘脈沖方波，所謂分頻，就是周期性地拉寬方波的峰或谷，產(chǎn)生畸形方波，其基波即為正弦波。有8個分路，每一路施加正弦電壓初相位以45度角(/4)的增量依次遞增，此8路信號施加給每組中的8條動?xùn)虐鍡l，共6組(對應(yīng)48條動?xùn)牛＝邮瞻遢敵龅男盘栆彩钦也妷?，其頻率與輸入信號相同，其初相角則是動?xùn)艡C(jī)械位移的函數(shù)，近似線性變化。由位移x產(chǎn)生輸出的交流電壓相位與x的關(guān)系呈近似的線性變化，而輸出的相位值通過集成電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字顯示，顯

5、示的數(shù)字就是位移值了。接下一篇（2）容柵數(shù)字顯示卡尺工作原理(1)利用容柵傳感器的電子數(shù)顯卡尺在我國的出現(xiàn)，已經(jīng)有十多年的歷史了。本文初稿編寫于十多年前，根據(jù)當(dāng)時國產(chǎn)芯片供貨單位的資料和自己實際計算，主要是通過交流電路含電阻電容的普通復(fù)數(shù)計算而得出機(jī)械位移與輸出信號相位呈近似線性關(guān)系式作為誤差分析的依據(jù)?，F(xiàn)在重新整理出來供有興趣者參考和交流。所謂調(diào)制和解調(diào)，就是把有用信號和不要的干擾信號區(qū)別開來的措施，本來廣泛用于電訊技術(shù)中。為了能在一條電話線中傳輸許多不同信道的電話就要對各通道的 電話信號進(jìn)行調(diào)制使之互相區(qū)別開來。大家最熟悉不過的就是上網(wǎng)用的modem和收音機(jī)、電視機(jī)都是通過調(diào)制信號后再傳送

6、出去。接收時再將原信號解調(diào)回來。其中有調(diào)幅、調(diào)頻等等之說。同樣在機(jī)電一體化的長度測量技術(shù)中如光柵和感應(yīng)同步器等傳感器里多半是采用相位調(diào)制方法來進(jìn)行長度測量的。尤其是感應(yīng)同步器和容柵傳感器有非常相似之處。在感應(yīng)同步器里，滑尺上有兩組激磁繞組，相隔一定的距離，分別施加正弦和余弦電壓，它們在定尺繞組上產(chǎn)生總感應(yīng)電勢的初相位中包含了與時間無關(guān)的機(jī)械位移量x的信息。所不同的是容柵傳感器采用了電容和分別施加8路相位差以45度遞增的正弦電壓而已 。這種正弦電壓是由時鐘振蕩器產(chǎn)生的方波經(jīng)分頻器產(chǎn)生周期性的畸形方波，其基波成分就是正弦波了。如果沒有交流信號作為載波，那么機(jī)械位移信息就很難傳送。因此在這里只須用交

7、流電路中的相量復(fù)數(shù)計算方法就足夠了，不過式子太長了一些，有時分子和分母要分開來寫。既然是調(diào)相，那么鑒相器就是解調(diào)器了。當(dāng)然還有辨別x的方向功能等都包括在電路中了。本文主要分析電容柵板傳感器測量位移的原理。  1           數(shù)顯卡尺的結(jié)構(gòu) 圖1 是卡尺結(jié)構(gòu)的示意圖。   主要的傳感器元件是定柵2，它粘貼在尺身上。動?xùn)?，它與尺框相連結(jié)，并且隨尺框一起移動。動定柵之間的電容量隨著其相對位移依一定規(guī)律而變化。在6組8路驅(qū)動交流電壓的作用下，在接收板輸出

8、一個交流電壓信號，其相位是機(jī)械位移量x的函數(shù)。它在一定精度下呈近似線性函數(shù)。從而在這種調(diào)相和解調(diào)過程中實現(xiàn)長度精確計量，并在液晶顯示屏中顯示讀數(shù)。 二測量電路原理 如下圖所示，電路板中有時鐘振蕩器，產(chǎn)生時鐘脈沖方波，所謂分頻，就是周期性地拉寬方波的峰或谷，產(chǎn)生畸形方波，其基波即為正弦波。有8個分路，每一路施加正弦電壓初相位以45度角(/4)的增量依次遞增，此8路信號施加給每組中的8條動?xùn)虐鍡l，共6組(對應(yīng)48條動?xùn)牛?。接收板輸出的信號也是正弦波電壓，其頻率與輸入信號相同，其初相角則是動?xùn)艡C(jī)械位移的函數(shù)，近似線性變化。由位移x產(chǎn)生輸出的交流電壓相位與x的關(guān)系呈近似的線性變化，而輸出的相位值通過集

9、成電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字顯示，顯示的數(shù)字就是位移值了。接下一篇（2）二。電路原理（集成電路芯片） 三動?xùn)排c定柵尺寸和它們之間的相互位置（圖中數(shù)字單位為mm）此外，接收板r是與定柵耦合的，它長25.4mm。因定柵節(jié)距為5.08mm,故25.4/5.08=5,就是說，接收板與5節(jié)定柵相耦合。這些數(shù)據(jù)將在計算式中用到，特此強(qiáng)調(diào)一下。 四容柵傳感器中機(jī)械結(jié)構(gòu)與電信號傳送過程圖中e1(t),e2(t).e8(t)表示由時鐘脈沖產(chǎn)生的8路交流電壓，其初相角依次以45度角遞增。分別作用到相鄰的8塊動?xùn)虐迳?。圖中只表示其中的第一組，其余各組和第一組相同。即：動?xùn)虐骞灿?組（6x8=48條)，接收板長25.4對應(yīng)著5組

10、耦合。 接下一篇四容柵傳感器中機(jī)械結(jié)構(gòu)與電信號傳送過程圖中e1(t),e2(t).e8(t)表示由時鐘脈沖產(chǎn)生的8路交流電壓，其初相角依次以45度角遞增。分別作用到相鄰的8塊動?xùn)虐迳?。圖中只表示其中的第一組，其余各組和第一組相同。即：動?xùn)虐骞灿?組（6x8=48條)，接收板長25.4對應(yīng)著5組耦合。 接下一篇五8路驅(qū)動電壓源-周期畸形方波 設(shè)t為5。5msec,即時鐘脈沖周期。則畸形方波周期T=512t.(圖中的多數(shù)小方波周期估計為16 t）前半周期凸畸形，后半周期為凹畸形。其基波為正弦波 ，依次以45度初相位遞增：五8路驅(qū)動電壓源-周期畸形方波 設(shè)t為5。5msec,即時

11、鐘脈沖周期。則畸形方波周期T=512t.(圖中的多數(shù)小方波周期估計為16 t）前半周期凸畸形，后半周期為凹畸形。其基波為正弦波 ，依次以45度初相位遞增：六各路驅(qū)動電壓相位矢量圖七等效電路圖八各動?xùn)烹娙蓦S位移x變化圖八各動?xùn)烹娙蓦S位移x變化圖八各動?xùn)烹娙蓦S位移x變化圖開始計算  平行平板電容計算的一般公式 1）Cr-接收板對一塊定柵的耦合電容，介質(zhì)為空氣滌綸，其厚度各為0.1mm,共0.2mm: 即  2)C0定柵板與尺身（地）之間的電容。因為定柵覆箔板厚度為0。35mm,其基材為環(huán)氧樹脂，故有3) Cro接收板與屏蔽接地板之間的電容。由于屏蔽板尺寸與定柵板相同，

12、其板面間距離也相同    4)C1(x),C2(x)至C8(x) 各組每塊動?xùn)虐迮c定柵之間的電容.它們是機(jī)械位移量x的函數(shù)，有時為零，有時為斜函數(shù)Kx，有時為最大值KW(常數(shù))。如圖8所示，由于是不連續(xù)的折線，必須分段計算各對應(yīng)時刻的電容值。當(dāng)動?xùn)艞l完全與定柵耦合時，設(shè)每毫米寬對應(yīng)的動?xùn)排c定柵耦合電容為K，則有K= Ci(x)max/0.635=1.37397x10(-12)法/mmW=0.635mm本來是動?xùn)殴?jié)距，為了計算方便，用以代替板寬，誤差不會很大。為了簡化，用Ci代替Ci(x).由圖8可以看出：開始計算  平行平板電容計算的一般公式

13、1）Cr-接收板對一塊定柵的耦合電容，介質(zhì)為空氣滌綸，其厚度各為0.1mm,共0.2mm: 即  2)C0定柵板與尺身（地）之間的電容。因為定柵覆箔板厚度為0。35mm,其基材為環(huán)氧樹脂，故有3) Cro接收板與屏蔽接地板之間的電容。由于屏蔽板尺寸與定柵板相同，其板面間距離也相同    4)C1(x),C2(x)至C8(x) 各組每塊動?xùn)虐迮c定柵之間的電容.它們是機(jī)械位移量x的函數(shù)，有時為零，有時為斜函數(shù)Kx，有時為最大值KW(常數(shù))。如圖8所示，由于是不連續(xù)的折線，必須分段計算各對應(yīng)時刻的電容值。當(dāng)動?xùn)艞l完全與定柵耦合時，設(shè)每毫米寬對應(yīng)的動?xùn)排c定柵耦合

14、電容為K，則有K= Ci(x)max/0.635=1.37397x10(-12)法/mmW=0.635mm本來是動?xùn)殴?jié)距，為了計算方便，用以代替板寬，誤差不會很大。為了簡化，用Ci代替Ci(x).由圖8可以看出：i.       當(dāng)0xW時 各條動?xùn)诺碾娙葜捣謩e是             C1 =Kx C2 = C3 = C4 = KWC5 =K(W-x)C6 = C7 = C8 =0 ii.  

15、    當(dāng)Wx2W 時 C1 = C2 = C3 =KW C4 = K(2W-x) C5 = C6 = C7 =0 C8 =K(x-W)iii.    當(dāng)2Wx3W時C8 = C1 = C2 =KW C3 =K(3W-x) C4 = C5 = C6 =0C7 =K(x-2W)iv.      當(dāng)3Wx4W 時C7 = C8 = C1 =KWC2 =K(4W-x)C3 = C4 = C5 =0C6 =K(x-3W)其余依此類推。由圖4還可以看到，在x為任何值時，動?xùn)派系?8塊極板 中總有

16、分一部分與地（屏蔽板）形成電容。相應(yīng)的輸入信號直接入地，對傳感器的輸出信號不產(chǎn)生影響。在計算時可把該電容當(dāng)作零。動?xùn)派瞎灿?組極板，各組的工作情況都是相同的，所以可取其中一組來進(jìn)行分析。每組8塊發(fā)射極板，各自收到從驅(qū)動電路送來的方波信號或基波正弦信號e1(t)、e2(t)e8(t),叫做8路驅(qū)動信號。它們依次以45度相位差遞增。驅(qū)動信號的形狀比較特別，也有人稱之為標(biāo)記脈沖的（圖5）。此信號之周期T=512 =2816秒。在1/8 T開始處較寬的凸波，而在后1/2 T開始處又有較寬的凹波，這樣在整個T周期內(nèi)的基波就是正弦信號了。因此就把它當(dāng)作正弦波了。實際上測出的波形也是正弦波。所以把它們寫作e

17、1(t)=Esin(t),e2(t)=Esin(t+/4),e3(t)=Esin(t+/2).它們就是我們計算的交流電壓源，每條電路都是交流電路，完全可以用克希霍夫第一、第二定律寫出等效電路中的電流和電壓方程，它們是：i.       當(dāng)0xW時 各條動?xùn)诺碾娙葜捣謩e是             C1 =Kx C2 = C3 = C4 = KWC5 =K(W-x)C6 = C7 = C8 =0 ii. 

18、60;    當(dāng)Wx2W 時 C1 = C2 = C3 =KW C4 = K(2W-x) C5 = C6 = C7 =0 C8 =K(x-W)iii.    當(dāng)2Wx3W時C8 = C1 = C2 =KW C3 =K(3W-x) C4 = C5 = C6 =0C7 =K(x-2W)iv.      當(dāng)3Wx4W 時C7 = C8 = C1 =KWC2 =K(4W-x)C3 = C4 = C5 =0C6 =K(x-3W)其余依此類推。由圖4還可以看到，在x為任何值時，動?xùn)派系?8塊極板

19、中總有分一部分與地（屏蔽板）形成電容。相應(yīng)的輸入信號直接入地，對傳感器的輸出信號不產(chǎn)生影響。在計算時可把該電容當(dāng)作零。動?xùn)派瞎灿?組極板，各組的工作情況都是相同的，所以可取其中一組來進(jìn)行分析。每組8塊發(fā)射極板，各自收到從驅(qū)動電路送來的方波信號或基波正弦信號e1(t)、e2(t)e8(t),叫做8路驅(qū)動信號。它們依次以45度相位差遞增。驅(qū)動信號的形狀比較特別，也有人稱之為標(biāo)記脈沖的（圖5）。此信號之周期T=512 =2816秒。在1/8 T開始處較寬的凸波，而在后1/2 T開始處又有較寬的凹波，這樣在整個T周期內(nèi)的基波就是正弦信號了。因此就把它當(dāng)作正弦波了。實際上測出的波形也是正弦波。所以把它們

20、寫作e1(t)=Esin(t),e2(t)=Esin(t+/4),e3(t)=Esin(t+/2).它們就是我們計算的交流電壓源，每條電路都是交流電路，完全可以用克?；舴虻谝弧⒌诙蓪懗龅刃щ娐分械碾娏骱碗妷悍匠?，它們是：2011-01-03 00:50結(jié)論是：由時鐘脈沖振蕩器產(chǎn)生系列方波，通過處理，又產(chǎn)生畸形方波，呈正弦函數(shù)的交流電壓，作為調(diào)制用的“載波”，再作用到一系列電容柵板上，由于容抗值受到機(jī)械位移x的影響，因而輸出的交流信號電壓相位與位移X呈近似線性關(guān)系，再通過轉(zhuǎn)換解調(diào)，成為位移X的液晶數(shù)字顯示。所顯示的X值的非線性誤差約為0.008mm。（完）容柵傳感器容柵傳感器是一種基于變面積

21、工作原理，可測量大位移的電容式數(shù)字傳感器。容柵傳感器它與其它數(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)簡單、分辨率和準(zhǔn)確度高、測量速度快、功耗小、成本低、對使用環(huán)境要求不高等突出的特點，因此在電子測量技術(shù)中占有十分重要的地位。隨著測量技術(shù)向精密化、高速化、自動化、集成化、智能化、經(jīng)濟(jì)化、非接觸化和多功能化方向的發(fā)展，容柵傳感器的應(yīng)用越來越廣泛。本系統(tǒng)中主要是對直線位移的測量，所以采用直線型容柵傳感器。容柵傳感器的結(jié)構(gòu)非常類似于平行板電容器，它是由一組排列成柵狀結(jié)構(gòu)的平行板電容器并聯(lián)而成的，如果把隨時間變化的周期信號，通過電子電路的控制，在同一瞬間以不同的相位分布，分別加載于順

22、序排列的柵狀電容器各個柵極上，則在另一公共極板上，任一瞬間產(chǎn)生的感應(yīng)信號將與該瞬間加載的激勵信號具有相同的相位分布。容柵傳感器動?xùn)?、定柵各極板之間形成的電容的等效電路，設(shè)C1(x)，C2(x)，C3(x)C8(x)為動?xùn)派?8塊極板與定柵上相應(yīng)極板所構(gòu)成的電容量，它是位移x的函數(shù)，假設(shè)小發(fā)射極板與反射極板完全覆蓋時兩者之間的電容為C0，每一塊小發(fā)射極板的寬度為w，當(dāng)0xw 時，C 8(x)=C 0(x)w，C 1(x)=C 2(x)=C 3(x)=C 0，C 4(x)=C 0(1-xw)，c5(x)=c6(x)=c7(x)=0。由此可以得出整個量程中兩極板之間的電容量隨位移x的變化規(guī)律。在x為

23、任何值時，動?xùn)派系?8塊極板中總有一部分與“地”(屏蔽板)形成電容，相應(yīng)的輸入信號源直接接入“地”，對傳感器的輸出信號不產(chǎn)生影響，可是為了導(dǎo)出(x)(x)為傳感器的輸出信號相對于某一驅(qū)動信號的相位移)隨位移量x連續(xù)變化的統(tǒng)一公式，在推導(dǎo)中不考慮這些極板對“地” 形成電容，而仍把它們看作對定柵板形成電容，只不過此時它們的電容量為零而已。由于這些電容量為零，則其阻抗為無窮大。相應(yīng)的信號源全部落在這些電容上，同樣，對傳感器的輸出信號無影響。如果給容柵傳感器每組發(fā)射極板上所加的發(fā)射電壓V1V8為8路頻率、幅值相同而相鄰小極板間相位相差為4的正弦交變電壓，則在發(fā)射極上有電壓Vf，在接收極上有電壓Vr。應(yīng)

24、用交流電路理論及基爾霍夫電流定律，解讀圖l的等效電路，如下：如果用Vo表示各發(fā)射極電壓的幅值，并取8路信號中的第1路信號的相位為參考值，則有：其中0為V1的相角。將上述各量及Ci(x)(i=1，2，8)代入以上兩式，即得可見，容柵傳感器的輸出電壓是一頻率與發(fā)射電壓相同的正弦電壓，其幅值在很小范圍內(nèi)變化，可近似看作一常數(shù)，而相位比V1超前了4+(x)。相位移 (x)可采用鑒相型測量電路測出，即可得到相對位移x，可見容柵傳感器是一種相位跟蹤型的位移傳感器，這種傳感器對輸入信號的幅值變化不敏感，故具有較好的抗干擾能力。在整個測量系統(tǒng)中，容柵傳感器的主要作用是把機(jī)械位移量轉(zhuǎn)變成電信號的相位變化量，然后

25、送給測量電路進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。容柵傳感器通過精密電壓比較器 TLC354進(jìn)行控制，由繼電器供電，由CPU89C52提供所需的激勵信號，同時接收其感應(yīng)信號，并通過鑒相型電路測量出激勵信號與感應(yīng)信號的相位差，經(jīng)過一系列的變化，即可得出活塞移動的長度距離。容柵傳感器容柵傳感器是一種基于變面積工作原理，可測量大位移的電容式數(shù)字傳感器。容柵傳感器它與其它數(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)簡單、分辨率和準(zhǔn)確度高、測量速度快、功耗小、成本低、對使用環(huán)境要求不高等突出的特點，因此在電子測量技術(shù)中占有十分重要的地位。隨著測量技術(shù)向精密化、高速化、自動化、集成化、智能化、經(jīng)濟(jì)化、非接觸化和多

26、功能化方向的發(fā)展，容柵傳感器的應(yīng)用越來越廣泛。本系統(tǒng)中主要是對直線位移的測量，所以采用直線型容柵傳感器。容柵傳感器的結(jié)構(gòu)非常類似于平行板電容器，它是由一組排列成柵狀結(jié)構(gòu)的平行板電容器并聯(lián)而成的，如果把隨時間變化的周期信號，通過電子電路的控制，在同一瞬間以不同的相位分布，分別加載于順序排列的柵狀電容器各個柵極上，則在另一公共極板上，任一瞬間產(chǎn)生的感應(yīng)信號將與該瞬間加載的激勵信號具有相同的相位分布。容柵傳感器動?xùn)拧⒍鸥鳂O板之間形成的電容的等效電路，設(shè)C1(x)，C2(x)，C3(x)C8(x)為動?xùn)派?8塊極板與定柵上相應(yīng)極板所構(gòu)成的電容量，它是位移x的函數(shù)，假設(shè)小發(fā)射極板與反射極板完全覆蓋時兩者