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数显游标卡尺的工作原理

  雨林沐风 · 2011-04-23 11:02 · 68846 次点击

哪位大侠知道数显游标卡尺的工作原理

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3 条回复

yaohejie 2011-06-20 10:07: 很好的学习资料谢谢

wuxihongda 2011-06-20 10:02: 好像还有个光栅式的不怎么懂

仪器信息网 2011-05-30 23:29: 数显游标卡尺的原理

容栅式传感器
容栅式传感器是在变面积型电容传感器的基础上发展起来的一种新型传感器。它在具有电容式传感器优点的同时，又具有多极电容带来的平均效应，而且采用闭环反馈式等测量电路减小了寄生电容的影响、提高了抗干扰能力、提高了测量精度(可达5?m)、极大地扩展了量程(可达1m)，是一种很有发展前途的传感器。现已应用于数显卡尺、测长机等数显量具。
将电容传感器中的电容极板刻成一定形状和尺寸的栅片，再配以相应的测量电路就构成了容栅测量系统。正是特定的栅状电容极板和独特的测量电路使其超越了传统的电容传感器，适宜进行大位移测量。
一、工作原理及转换电路
(一) 开环调幅式测量原理
传感器电容极板的基本结构示于图4-23。在图中左侧，一个极板由均匀排列电极的长栅(定栅)组成，另一个极板由一对相同尺寸的交错对插电极梳(动栅对)组成。运行时，传感器的两个电极栅片相对按装如图中右侧，其中暗区域是两个电极栅的重叠面积，从而形成一对随位移反向变化的差动电容器C1和C2。传感器仍采用传统差动变压器测量电路，但通过将电容极板刻成栅状提高了测量精度并实现了大位移测量。
(二) 闭环调幅式测量原理
其测量原理如图4-24所示，其中左侧是系统原理图、右侧是电极栅片原理结构。图中A、B为动尺上的两组电极片，P为定尺上的一片电极片，它们之间构成差动电容器CA、CB。两组电极片A和B各由四片小电极片组成，在位置a时，一组为小电极片1～4，另一组为5～8。方波脉冲控制开关S1和S2，轮流将参考直流电压± U0和测量转换系统的直流输出电压Um分别接入两个小电极组A和B。
若系统保证电容极板P为虚地，则在一个周期内，激励信号通过差动电容CA和CB在电容极板P上产生的电荷量QP为(CAU0-CBU0+CAUm+CBUm)。当QP为零时，测量转换电路保证Um不变；否则导致测量转换电路使Um改变，并保证其变化使QP的值减小，直至为零。这时，由上面可推导出

(4-20)
则输出直流电压与位移成线性关系。
当相对位移量超过l0(小电极片的间距)即L0/4时，由控制电路自动改变小电极片组的接线，见图中位置b，这时电极片组由小电极片2～5构成；电极片组由小电极片6～9构成。这样，在电极片P相对移动的过程中，能保证始终与不同的小电极片形成同样的差动电容器，重复前述过程，而得到与位移成线性关系的输出电压。
该测量系统由输出电压来调节激励电压，形成闭环反馈式测量系统。因而具有下节所述闭环反馈系统的优点，而且还使寄生电容的影响大为减小。电路复杂是其主要缺点。
(三) 调相式测量原理
调相式测量原理如图4-25所示。容栅传感器一个极板K由数个发射极片组形成，每个极片组中有八个宽度均为l0的发射极片，分别加以八个幅值为Um、
频率为w 、相位依次相差p /4的正弦激励电压；另一个极板由许多反射极片M和接地的屏蔽极片S形成；还有一个接受极片R。图中给出其中一组来说明测量原理，当两个极板处于相对位置a时，每个发射极片与反射极片完全覆盖，所形成的电容均为C0。当两个极板相对移动x(< ?l0)而处于位置b时，若将反射极片的电压记为UM、接受极片的电压记为UR，反射极片与接受极片之间的电容记为CMR、接受极片与地之间的电容记为CRG，则有

由上式可以推导出
(4-21)
可见，传感器输出一个与激励同频的正弦波电压，其幅值近似为常数k，而其相位q 则与被测位移x近似成线性关系。通常采用相位跟踪法测出相位角q 。
当被测位移x超过l0时，则重复上述过程，勿需改变发射极片的接线即可实现大位移测量。显然，调相式测量系统具有很强的抗干扰能力，但由式（4-21）可知它在原理上存在非线性误差(0.01l0)，而且当用方波电压激励时还存在高次谐波的影响，结果导致测量精度下降。
二、容栅传感器的结构形式
(一) 反射式
其结构形式和安装示意图如图4-26所示。图中动栅上排列一系列尺寸相同、宽度为l0的小发射电极片1～8，R为公共接收极，定栅上均匀排列着一系列尺寸相同、宽度和间隙各为4l0的反射电极片M1、M2、…和屏蔽极片S。电极片间互相绝缘。动栅和定栅的电极片相对、平行安装。当发射电极片1～8分别加以激励电压U1～U8时，通过电容耦合在反射电极片上产生电荷，再通过电容在公共接收极上产生电荷输出。采用不同的激励电压和相应的测量电路，则可得到幅值或相位与被测位移成比例关系的调幅信号或调相信号。此结构形式简单，使用方便，但移动过程中，导轨的误差对测量精度影响较大。
(二) 透射式
其结构形式如图4-27所示。它是一个开有均匀间隔矩形窗口的金属带和测量装置组成。在测量装置的两侧分别固定着一个公共接收电极板和一个与图4-26中一样的有一系列小发射电极片的极板，而金属带则在测量装置的中间通过并随被测位移一起移动。发射电极通过金属带上的矩形窗口与接收电极形成耦合电容，而金属带则代替图4-26中的屏蔽极起屏蔽作用。
这种结构形式的特点是：测量调整方便、安装误差和运行误差的影响大为降低。但其制造安装困难。
(三) 倾斜式
它是将图4-26中的一系列小发射电极均倾斜一个角度a ，而其它电极栅片不变所形成的，图4-28给出其动栅极片形状。它可以消除图4-24中测量系统在改变小电极片组的接线时，由于小发射极片间隙与接收电极片边缘不理想所产生的突变误差,因此它对加工精度要求不高。
前面讨论了线位移容栅传感器即长容栅的测量原理和结构形式，可将它们移植到测量角位移的电容传感器中，形成所谓的圆容栅。
容栅传感器的机械结构以及设计原则与电容传感器有许多相似之处，可参阅本章前面的内容。

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