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容栅传感器的工作原理及特点

时间:2020-03-13 15:10:52 来源:网络整理 有0人参与

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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小分辨率:

△l=L/N(3)

本系统N为512,即小分辨率约为0.001mm。对于测量速度Vmax,因为在一个周期内多能分辨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。

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