【文章內(nèi)容簡介】 間隔、非等寬度的黑白條紋按一定的規(guī)律排列組成。 光柵傳感器常用于線位移的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測量。在三坐標(biāo)測量機(jī)等許多幾何量計(jì)量儀器中常用它作為位移測量傳感器。它的優(yōu)點(diǎn)是量程大，精度高。目前光柵的測量精度可達(dá) 177。 （ 177。 2 10－ 6L） μ m，其中 L為被測長度（ m）。圓光柵測角精度可達(dá)177。 ’’ 。光柵傳感器的缺點(diǎn)是對環(huán)境有一定要求，油污灰塵會(huì)影響工作可靠性，電路較復(fù)雜，成本較高。 容柵式傳感器 容柵式傳感器是在變面積型電容傳感器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型傳感器。 長容柵傳感器由定尺和動(dòng)尺組成。若將定尺和動(dòng)尺的柵極面相對放置，其間充填電介質(zhì)，就形成一對對并聯(lián)連接的電容（即容柵）。根據(jù)電場理論并忽略邊緣效應(yīng)，其最大電容量為 m a xabCn ???（ 6－ 16） 圓容柵傳感器由同軸安裝的定圓盤和動(dòng)圓盤組成。在定圓盤和動(dòng)圓盤的相對面上制成幾何尺寸相同、彼此絕緣的輻射狀扇形柵極片。其工作原理與長容柵相同，最大電容量為 2221m a x()2rrCn ????? 調(diào)幅式測量系統(tǒng)原理如圖 6－ 28所示。 圖 628 調(diào)幅式測量系統(tǒng)原理圖 電荷量發(fā)生變化，輸出交變電壓，經(jīng)測量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)輸出 Um，通過電子開關(guān) S S2跟蹤改變 Um Um2的值，最終使電極片 P上所產(chǎn)生的電荷變化為 0，則： 12( ) ( ) 0m A m BU U C U U C? ? ? ?當(dāng)位移 x使電極片 P和 B的遮蓋長度增加，且時(shí) ， 。 為初始位置時(shí)的電容， 為電極片 P的寬度。由（ 618）可得 ： 0 /2xL?00(1 2 / )AC C x L?? 00(1 2 / )BC C x L?? 0C0L12120()1 ()2mU U xU U UL?? ? ? 當(dāng)相對位移 （小電極片間距）時(shí)，由控制電路自動(dòng)改變小電極片組的接線（見圖 6－ 28位置 b），這時(shí)電極片組 A由小電極片 2～ 5構(gòu)成，加電壓 ；電極片組 B由小電極片 6～ 9構(gòu)成，加電壓 。這樣，在電極片 P相對移動(dòng)的過程中，能始終保證與不同的小電極片形成差動(dòng)電容器、輸出與移位成線性關(guān)系的電壓信號。 0xl?1mU2mU 圖 6－ 29 調(diào)相式測量系統(tǒng)原理圖 容柵式傳感器動(dòng)尺上的發(fā)射電極片 K每 8片一組，將 8個(gè)等幅、同頻、相位依次相差 的方波電壓 ～ 分別加在角片上。根據(jù)諧波分析原理可知，方波由其基波和諧波之和組成，因此仍可用正弦波進(jìn)行討論。設(shè)動(dòng)尺相對定尺的初始位置及每個(gè)小發(fā)射電極片所加的激勵(lì)電壓相位如圖 6－ 29（ a）所示。 /4?1U 8U且各發(fā)射電極片與反射電極片（或稱中間電極片） M全遮蓋時(shí)的電容均為 。當(dāng)位移 （小發(fā)射電極片寬度）時(shí)（見圖 6－ 29（ b）），在發(fā)射電極片 M上的感應(yīng)電荷為： 0C 0xl?00000 0 0000si n si n24 si n si n si n422 1 c os 2 c os 1 si n4M m mm m mmxQ C U t C U tLlxC U t C U t C U tlxC U t tl??????? ? ????? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ??? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ????? ??? ? ? ? ???????????設(shè) 則上式可寫成： 01 ( 2 / ) , 2 c o s ( / 4 ) 1 ,x l a b?? ? ? ?220 2 2 2 2c o s s inMmabQ C U a b t ta b a b????? ? ? ???????根據(jù)坐標(biāo)變換，可設(shè) ， ，因此可得： 22/ s i na a b ??? 22/ c o sb a b ???220 sin ( )mmQ C U a b t??? ? ? ?a r c ta n ab? ?（ 6－ 19） 發(fā)射極片 E、反射極片 M、接受極 R和屏蔽極 S之間的電容如圖 6－ 29（ c）的等效電路所示。圖中 ， 和分別為 M極片、 S極片對 R極的電容； 、 和 分別為 M極片、 R極片、 S極片對地（公共端）的電容，且 ， k為與屏蔽極 S結(jié)構(gòu)尺寸相關(guān)的常量。由圖 6－ 29（ c）可得： MRC SRCMgC RgC SgCS g M gC k C?0()M M R M g M R M M M g MQ Q Q Q u u Q u? ? ? ? ?00()R g M SR M MC u C u u??0()S SR S S Sg SQ C u u C u? ? ?00()Rg S SR s sC u C u u??設(shè) ，則在接收極 R上的感生電壓為： M g R gCC? Ru00R M Su u u??因?yàn)? ，且 ，所以 MS?0 s i n ( )Ru k t???? 01 2 /a r c ta nxl? ??（ 6－ 20） 式中： 為感生電壓幅值，與供電電壓幅 值 、 、 、 有關(guān)，當(dāng) 較小時(shí)近似為一常數(shù)； 為激勵(lì)電壓的角頻率。 由式（ 6－ 20）可知，感生電壓 的相位角與被測位移近似呈線性關(guān)系。通常采用相位跟蹤測量法測出相位角 ，則可測出位移 。調(diào)相式信號處理具有很強(qiáng)的抗干擾能力，但有理論非線性誤差（約為 ）和高次諧波，影響測量精確度。 0k0C MgC 0lx x?Ru? x0lM g R gCC? 目前容柵式傳感器的精度最高可達(dá) 1μm。分辨率為，測量速度可達(dá) ，其它可測大位移的傳感器在測量速度上很少能達(dá)到這個(gè)的水平。容柵式傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，易于與集成電路制成一體，易進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)。傳感器機(jī)械部分主要由兩組極板組成，結(jié)構(gòu)小巧，使得測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉。由于傳感器本身的介質(zhì)損耗和靜電引力都很小的緣故，電路采用大規(guī)模的 CMOS集成電路，使電路能在低功耗下工作。一顆扣式氧化銀電池就可使其連續(xù)工作一年時(shí)間。這對于在通用精密量具上實(shí)現(xiàn)數(shù)顯尤為重要，并使之成為具有很大發(fā)展前途的產(chǎn)品。 磁柵是另一種用于測量位移的數(shù)字式傳感器。磁柵傳感器由磁尺（或磁盤）、磁頭和檢測電路組成。磁尺類似于一條錄音帶，上面記錄有一定波長的矩形波或正弦波磁信號。磁頭的作用是把磁尺上的信號轉(zhuǎn)寒成電信號；此電信號再由檢測電路變換和細(xì)分后進(jìn)行計(jì)數(shù)輸出。 磁柵傳感器 磁柵是用不導(dǎo)磁的金屬，或是用表面涂覆有一層抗磁材料的鋼材做尺基，在尺基的表面上均勻地涂覆一層磁性薄膜，然后用記錄磁頭在磁性薄膜上記錄節(jié)距為 W的正弦波或矩形波，得到如圖 630所示的柵狀磁化圖形。對于長磁柵，可采用激光干涉儀定位錄磁。當(dāng)量程較大或安裝面受限制時(shí)，可采用帶型磁柵，如圖 6－ 31b所示。帶狀磁尺 1是在一條寬約 圖 630 磁柵的剖面 1－非導(dǎo)磁材料基體； 2－磁性薄膜 20mm、厚約 ，然后錄制而成的。帶狀磁尺的錄磁與工作均在張緊狀態(tài)下進(jìn)行。磁頭是在非接觸狀態(tài)下讀取信號，能在振動(dòng)環(huán)境下正常工作。為了防止磁尺磨損，可在磁尺表面涂上一層幾微米厚的保護(hù)層，調(diào)節(jié)張緊預(yù)變形量可在一定程度上補(bǔ)償帶狀尺的累積誤差與溫度誤差。 圖 631 磁柵結(jié)構(gòu)示意圖 （ a）尺形長磁柵；（ b）帶型長磁柵；（ c）同軸長磁柵；（ d）圓磁柵 1－磁柵； 2－磁頭； 3－屏蔽罩 同軸型磁柵是在青銅棒上電鍍一層磁性薄膜，然后錄制而成。磁頭套在磁棒上工作，如圖 631c所示，兩者之間具有微小的間隙。由于磁棒的工作區(qū)被磁頭圍住，對周圍的磁場起了很好的屏蔽作用，增強(qiáng)了它的抗干擾能力。這種磁柵傳感器結(jié)構(gòu)特別小巧，可用于結(jié)構(gòu)緊湊的場合或小型測量裝置中。 磁柵錄制時(shí)，要求錄磁信號幅度均勻，幅度變化應(yīng)小于 10％，節(jié)距均勻。目前長磁柵常用的磁信號節(jié)距一般為 ，圓磁柵的角節(jié)距一般為幾分至幾十分。 2．磁頭 根據(jù)讀出信號方式不同，磁頭可分為動(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩種。 動(dòng)態(tài)磁頭又稱速度響應(yīng)式磁頭。它僅有一組輸出繞組；只有在磁頭與磁柵間有連續(xù)相對運(yùn)動(dòng)時(shí)才有信號輸出。運(yùn)動(dòng)速度不同，輸出信號的大小也不同，靜止時(shí)就沒有信號輸出。所以一般不適合于長度測量。磁頭的輸出為正弦信號，在 N、 N處達(dá)正向峰值，在 S、S處達(dá)負(fù)向峰值見圖 632（ a）。 圖 632 動(dòng)態(tài) (a)與靜態(tài) (b)磁頭工作原理圖 1－磁頭； 2－磁柵； 3－輸出信號波形 靜態(tài)磁頭又稱磁通響應(yīng)式磁頭。它可用在磁頭與磁柵間無相對運(yùn)動(dòng)的測量，如圖 621（ b）所示。它有兩個(gè)繞組，一為激磁繞組 W1，另一為輸出繞組 W2。在激磁繞組上加交變的激磁信號，使截面很小的 H型鐵心中間部分在每個(gè)周期內(nèi)兩次被激磁信號產(chǎn)生的磁通所飽和。這時(shí)鐵心的磁阻很大，磁柵上的信號磁通就不能通過，