容柵傳感器

本系統中主要是對直線位移的測量，所以採用直線型容柵傳感器。容柵傳感器的結構非常類似於平行板電容器，它是由一組排列成柵狀結構的平行板電容器並聯而成的，如果把隨時間變化的週期信號，通過電子電路的控制，在同一瞬間以不同的相位分佈，分別加載於順序排列的柵狀電容器各個柵極上，則在另一公共極板上，任一瞬間產生的感應信號將與該瞬間加載的激勵信號具有相同的相位分佈。

容柵傳感器動柵、定柵各極板之間形成的電容的等效電路，設C1(x)，C2(x)，C3(x)……C8(x)為動柵上48塊極板與定柵上相應極板所構成的電容量，它是位移x的函數，假設小發射極板與反射極板完全覆蓋時兩者之間的電容為C0，每一塊小發射極板的寬度為w，當0≤x≤w 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-x/w)，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的變化規律。

在x為任何值時，動柵上的48塊極板中總有一部分與“地”(屏蔽板)形成電容，相應的輸入信號源直接接入“地”，對傳感器的輸出信號不產生影響，可是為了導出φ(x)(φ(x)為傳感器的輸出信號相對於某一驅動信號的相位移)隨位移量x連續變化的統一公式，在推導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。由於這些電容量為零，則其阻抗為無窮大。相應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。 ^[1] 

如果給容柵傳感器每組發射極板上所加的發射電壓V1~V8為8路頻率、幅值相同而相鄰小極板間相位相差為π/4的正弦交變電壓，則在發射極上有電壓Vf，在接收極上有電壓Vr。應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表示各發射極電壓的幅值，並取8路信號中的第1路信號的相位為參考值，則有：

其中φ0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射電壓相同的正弦電壓，其幅值在很小範圍內變化，可近似看作一常數，而相位比V1超前了π/4+φ(x)。相位移 φ(x)可採用鑑相型測量電路測出，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。

在整個測量系統中，容柵傳感器的主要作用是把機械位移量轉變成電信號的相位變化量，然後送給測量電路進行數據處理。容柵傳感器通過精密電壓比較器 TLC354進行控制，由繼電器供電，由CPU89C52提供所需的激勵信號，同時接收其感應信號，並通過鑑相型電路測量出激勵信號與感應信號的相位差，經過一系列的變化，即可得出活塞移動的長度距離。 ^[2] 

容柵傳感器相對於其他類型的傳感器有許多突出的優點：

1、量程大、分辨率高。在線位移測量時，分辨率為2mm時，量程可達到20m，在角位移測量時，分辨率為0.1°時，量程為4096圈。其測量速度也比較高，測量線速度可達到1.5m/s。

2、容柵測量屬非接觸式測量，因此容柵傳感器具有非接觸傳感器的優點，諸如測量時摩擦阻力可以減到最小，不會因為測量部件的表面磨損而導致測量精度下降。

3、結構簡單。容柵傳感器的敏感元件主要由動柵和靜柵組成，信號線可以全部從靜柵上引出，作為運動部件的動柵可以沒有引線，為傳感器的設計帶來很大的方便。

4、配用專用集成電路的容柵傳感器是一種數字傳感器，和計算機的接口方便，便於長距離傳送信號，幾乎無數據傳輸誤差。數據更新速率可以達到每秒50次。

5、功耗極小。正常工作電流小於10mA，傳感器敏感元件可以長期工作，一粒鈕釦電池可以連續工作1年以上。利用這個特點，可以設計出準絕對式的位移傳感器。

6、在價格上有很大優勢，其性能價格比遠高於同類傳感器。

容柵傳感器有最主要的問題是穩定性和可靠性，環境潮濕和外界電磁干擾的影響尤為顯著，其次作為準絕對式傳感器在長期斷電工作時，需要定期更換電池，所以難於作為傳感器用於長期自動測量。

容柵編碼器是以脈衝數字量來表示容柵傳感器敏感元件間相對位置信息，本文研究的容柵旋轉編碼器將容柵全部的結構密封在金屬殼內，大大提高了容柵傳感器的電磁兼容性和抗環境污染能力，為容柵原理用於自動測量奠定了基礎。