数显卡尺的原理_容栅测长概述

张衍波

数显卡尺的原理
一、容栅测长概述
容栅式测长的主要(核心)部分是容栅传感器，容栅传感器是国外70～80 年代研制出的一种新颖、大位移传感器，
当安装在不同的设备上时可以构成不同的测长仪器。现已成功地在量具（如电子数显卡尺、千分尺）、量仪（如高度仪、
坐标仪）和机床数显装置（如机床行程测量）等方面得到应用。
主要特点：测量精度高，达5mm，量程大，达1m。
二、容栅传感器定义
容栅传感器是一大类变面积原理的电容传感器，它的电极不止一对，电极排列呈梳状，故称为容栅传感器。具有
三大优点：
1、为同组中有多个电极或多个电极并联，极大地提高了灵敏度；
2、一个大极距内有多个发射电极，可细分，实现小位移测量；在定尺上有多个大电极，可计数，实现大位移测量；
3、由于增加了反射电极，通过它的电容耦合和电荷传递作用，使得传感器的活动部分（动尺）与测量线路之间没
有活动的引线。
三、容栅传感器的基本类型及工作原理
容栅传感器可实现直线位移和角位移的测量，根据结构形式，容栅传感器可分为三类：
1．直线形容栅传感器（长容栅）
整个传感器由两组条状电极群相对放置组成，一组为动栅，另一组为定栅；动栅和定栅通过静电耦合来实现其
位移的测量。
2．圆形容栅传感器（片状圆容栅）
在圆盘形绝缘材料基底上镀了多个辐射状电极群，两同轴圆盘上的电极群相对应，其电容耦合情况就反映了两
圆盘相对旋转的角度。
3．筒形容栅传感器（柱状圆容栅）
有两个套在一起的同轴圆筒组成，电极镀在圆筒上，可实现长度的测量。
长容栅的结构原理如图1 所示。
图1 中，1 为定尺，2 为动尺，在它们的A 、B 面上分别印制（镀或刻划）一系列相同尺寸均匀分布并互相绝缘的金
属栅状极片。将动尺和定尺的栅极面相对放置，其间留有间隙，形成一对对电容，这些电容并联联接，根据电场理论
并忽略边缘效应，其最大电容量为：
式中 n——动尺栅极片数
a，b——栅极片长度和宽度；
最小电容量理论上为零，实际上为固定电容C0，为容栅固有电容。当动尺沿x 方向平行于定尺不断移动时，每对电容
的相对遮盖长度a 将由大到小，由小到大地周期性变化，电容量值也随之相应周期变化，如图2 所示，经电路处理后，
则可测得线位移值。
圆容栅传感器的结构原理图如图3 所示。
图3 为片状圆容栅，它由同轴安装的固定圆盘1 和可动圆盘2 组成，A、B 面上的栅极片呈辐射的扇形，尺寸相同均
布并互相绝缘。工作原理与长容栅相同，最大电容为：
式中 r1，r2 ——圆盘上栅极片外半径和内半径；
α——每条栅极片对应的圆心角。
柱状圆容栅的结构示意如图4 所示
图4 柱状圆容栅的结构原理图
柱状圆容栅是由同轴安装的定子（圆套）1 和转子（圆柱）2 组成，在他们的内、外柱面上刻制一系列宽度相等的齿
和槽，当转子旋转时就形成了一个可变电容器：定子、转子齿面相对时电容量最大，错开时电容量最小。
四、容栅传感器的测量电路
容栅传感器的测量电路形式有多种，根据信号处理方式通常可分为调幅式和调相式测量电路[1]。
参考资料：
[1] 强锡富主编，《传感器》，机械工业出版社，1996
五、容栅传感器与光栅、磁栅和感应同步器的关系
容栅传感器与光栅、磁栅和感应同步器等同属于大位移测量传感器。这些装置各有所长，但成本较高，结构复
杂，对使用环境和安装条件要求高，特别是各部分间的连线困难，易受干扰，难以普及使用和实现在现有机床设备改
造中的应用。容栅式测量系统具有重复性好，精度高，抗干扰能力强，对环境要求不苛刻，实现数字化等优点；而且
相对光栅测量系统而言，它具有结构简单、造价低、体积小、耗能少、安装使用方便、环境适应性强、分辨率高、动
态范围宽等优越性，因此广泛应用于国内外相关领域。特别是其位移传感器的可动部分不需通电，从根本上解决了连
线困难的问题。因而适用于多种机械设备的位移量数字化自动显示。
六、容栅式数显卡尺生产厂家
青海量具刃具有限责任公司http://www.qlr.com.cn
青海量具刃具有限责任公司创建于1955 年，是中国最早生产千分尺的厂家。该公司已成长为中国量具行业规模
最大的千分尺生产厂家。在中国，该公司生产的千分尺品种、规格最为齐全。
桂林广陆数字测控股份有限公司http://www.guanglu.com.cn
该公司下辖无锡广陆仪表有限公司、上海广陆测控技术开发有限公司和上海广陆量具有限公司。公司主要生产四
大类产品：电子数显卡尺系列产品（通用和专用）；电子数显千分尺系列产品；电子数显指示表系列产品以及其它智能
化、数字化精密仪器仪表系列产品。生产规模已达100 万套，80%以上的产品出口到欧美等三十多个国家和地区。
上海量具刃具厂http://www.smctw.com.cn
上海量具刃具厂是国内生产量具、量仪和刃具产品的老企业。生产的游标卡尺、千分尺、电子数显量具、圆度仪、
齿轮量仪和锯片铣刀、立铣刀畅销国内外。
哈尔滨量具刃具集团有限责任公司http://www.harbin-links.com.cn
哈尔滨量具刃具集团有限责任公司(原哈尔滨量具刃具厂）是中国最大的精密工量具制造企业之一。通过
ISO9001:2000 质量体系认证。主要产品有：标准刃具、通用量具、数控刀具及工具系统、精密测量仪器、六足并联数
控机床等，是全国同行业中产品品种最多、规格最全的工量具制造企业。