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《傳感器世界雜志》2016年第7期

摘要：

數顯量具在各種制造業，尤其是傳統機械制造業中，正以強勁的勢頭替代傳統的機械量具和氣動量具，成為生產現場主導測量器具。容柵數顯位移傳感技術和產品以其結構簡單、對使用環境要求不高、測量速度快、能耗低等優點得到最為廣泛的應用。介紹了相對式容柵數顯量具的傳感器結構、測量原理和相應的電路結構，指出相對式容柵測量系統使用過程中存在的問題，比較了絕對式容柵和相對式容柵的優缺點。介紹了絕對式容柵傳感器和電路的結構，最后指出了國外絕對式容柵技術現狀，以及國內絕對式容柵技術存在的差距。

關鍵詞：

數顯量具；相對式容柵；絕對式容柵

一、引言

在計算機信息技術、自動化數字測量技術快速發展的今天，數顯量具在各種制造業，尤其是傳統機械制造業中，正以強勁的勢頭替代傳統的機械量具和氣動量具，成為生產現場使用中占主導的先進測量器具[1]。日本三豐、瑞士TESA和Sylvac、德國Mahr以及英國Bowers等世界著名量具制造廠商開發的數顯量具技術，引領著該領域的發展趨勢，數顯量具產品在國外工業發達國家的制造業生產現場中已經得到推廣普及；同樣，在我國汽車制造業、壓縮機、家電制造業等產品零部件的先進生產流水線上，數顯量具也得到了很好應用。由于具有良好防水防塵性能、測量數據/圖形顯示和輸出、測量數據統計處理分析和故障診斷等優異使用功能，同時又具有可靠的精度，適于在生產現場使用，使電子數顯量具量儀成為提高機械制造精度和加工效率的重要工具和手段[2]。目前，在數字化數顯位移傳感技術和產品中，主要有光柵、容柵、磁柵、球柵和感應同步器等。幾大類產品各有優勢、互為補充，在競爭中都得到不同程度的發展。而在通用數顯量具方面，容柵數顯量具的產量大，應用廣泛，各類數顯卡尺、數顯百分表、數顯千分表、數顯千分尺以及數顯內、外徑表等等，品種繁多，性能各異。容柵數顯位移傳感技術和產品以其結構簡單、對使用環境要求不高、測量速度塊、能耗低等優點得到最為廣泛的應用[3,4]。

二、容柵數顯位移傳感技術

常見的容柵數顯量具大多為采用相對式容柵測量技術，其傳感器結構圖如圖1所示。相對式容柵傳感器由動柵板和定柵板兩部分組成。動柵板的正面裝有專用大規模集成電路、液晶顯示器件及數據傳送用輸出接口，背面有發射極和接收極兩部分。發射極共有48個小發射極，分成6組，每組各有8個小發射極。小發射極板寬度為L0，每8個小發射極所占的寬度稱為一個節距S，S=8L0；其大小與傳感器的分辨率有關。接收極為一長金屬條，處于發射極的下方，長為5個節距，與中間5組發射極相對應，即前后各空出4個小發射極，這是為了消除邊緣效應。定柵板是在環氧敷銅板上腐蝕出寬為S/2、間隔亦為S/2的與其他部分絕緣的小矩形方格，表面粘貼絕緣保護層，這些小方格稱為反射極，其他連通部分屏蔽接地，對測量沒有影響[5]。動柵板正對定柵板安裝，每組發射極中有4個小發射極正對定柵板的屏蔽地，測量中不起作用。在測量時，將發射電壓加至發射極上，通過電容耦合，在反射極上產生電荷Qf，從而有電壓Vf；又通過電容耦合在接收極板上產生電荷Qr，從而有電壓Vr，這就是傳感器的輸出信號，從而實現了機械位移量到電信號的轉換。容柵傳感器的輸出可近似用如下表達式來定義：（1）式中，Vo(x,t)—表示容柵傳感器的輸出，它是一個與位移x、時間t有關的電壓信號；K—信號傳輸比例系數；ω—測試系統時鐘分頻后的參數；λ—表示容柵傳感器的節距[4]。由式（1）可看出，容柵傳感器是一個調相型位移傳感器，它將位移的變化轉化為電容的周期性變化量。利用容柵傳感器，將位移的變化量周期性變化的電信號，再輔以相關的處理電路，就構成了容柵數顯測量系統[1]。容柵數顯測量系統的結構框圖如圖2所示。圖中，信號發生器產生測量系統需要的各種時序信號，容柵驅動電路對相應時序信號進行組合，產生周期性變化的脈沖信號，驅動容柵傳感器，容柵傳感器將位移變化轉換成周期變化的電信號，通過鑒相解調電路，變成與位移相關的數字信號，經過數據處理電路，譯碼顯示電路，在液晶顯示器中顯示出來，最終完成位移量的數字顯示。

三、絕對式、相對式容柵測量技術比較

目前國內容柵數顯量具大多為相對式數顯量具，年銷售量接近500萬件，每年還在按照15%左右的速度增長，具有很大的市場潛力。但相對式容柵測量卡尺采用增量式測量原理，在使用過程中存在如下3個問題：（1）沒有絕對意義上的原點，測量過程中，一旦關機，測量狀態無法恢復；（2）當傳感器相對移動速度過快時，因處理速度跟不上而發生計算錯誤，造成測量失敗；（3）測量過程中需持續供電，電路消耗的功率較大，電池的壽命太短。而絕對式容柵數顯量具是新一代電子卡尺產品，它采用“一點三測”的原理[6]，實現絕對位置的測量，可對所設置的原點位置進行持續跟蹤，無論何時開機，液晶屏都會顯示關機前副尺相對于原點的準確位置，以便隨時進行測量，像游標卡尺一樣存在一個絕對意義上的原點，在卡尺通電后即可進行測量而不必進行繁瑣的清零，校零操作；而且它可以徹底解決相對式卡尺的超速問題，使得計量更加安全可靠；應用絕對式測量原理，采用間歇工作的模式，減小了測量系統的功耗，也為制造太陽能卡尺提供了可能。

四、絕對式容柵測量技術的實現

圖4為絕對式容柵傳感器的結構圖。絕對式容柵傳感器包括粗測、中測、細測三條碼道，通過粗測、中測、細測三種測量模式，三種測量模式分別對位移進行粗大精度、中等精度、精確精度的測量，從而完成位移測量的模數轉換，實現傳感器絕對位置的測量。傳感器信號通過后續電路組合，實現粗測、中測、細測的信號合成[7,8]，其中：

細測合成信號=Sa-Sb

中測合成信號=Sc-Sd

粗測合成信號=（Sa+Sb）-（Sc+Sd）

其中，Sa，Sb—傳感器粗測差分輸出信號；

Sc，Sd—傳感器中測差分輸出信號。

絕對式容柵測量硬件電路部分用于完成傳感器輸入信號的放大、解調、整形等功能；軟件部分用于完成驅動和輸入信號的控制功能，計算傳感器檢測出的位移量，送給譯碼顯示電路進行顯示。絕對式容柵測量系統的電路結構與相對式容柵測量系統的電路結構相似，而由于傳感器部分相對要復雜，所以電路的控制部分要復雜些。

五、絕對式容柵測量技術現狀

絕對式容柵測量技術在國外已經是成熟技術，日本三豐公司早在1987年申請的專利《電容式測位傳感器》中，就已經提出了實現絕對測量的方法，之后在1989年申請了名為《位置絕對測量用電容型測試裝置》的專利，在1993年申請了名為《用于絕對位置的測量的電容型測量器具》的專利，對其絕對容柵測量技術進行保護。在此基礎上，日本三豐公司成功將該技術應用到數顯卡尺、數顯高度尺、數顯量表中，并實現批量化生產。而在國內，目前僅北京航天峰光電子技術有限公司、桂林廣陸數字測控股份有限公司、東莞特馬電子有限公司等有限幾家數顯量具生產廠有相關絕對式容柵數顯量具產品在國內機床展覽會上亮相，并未形成大批量銷售。從產品外觀、性能指標、使用壽命、產品穩定性等方面來看，國內絕對式容柵數顯產品與國外相比，還有較大差距，需要國內廠商加緊努力，提升技術水平，盡快達到國外相關產品水平。

六、結束語

絕對式測量是現代測量技術發展的趨勢，絕對式容柵測量系統是在相對式容柵測量系統基礎上研制出來的，其成本與相對式容柵測量系統差別不大，而性能上則有很大的提升，因此必將逐漸替代相對式容柵測量系統，實現容柵測量技術的升級換代。

參考文獻：

[1]李強,楊光明,徐剛等.中國量具市場的現狀與發展趨勢[J].機電產品市場.2007,(8):22-23.

[2]李強,楊光明,徐剛等.從統計數據分析中國量具市場的現狀和發展趨勢[J].世界制造技術與裝備市場.2008,(1):77-81.

[3]王峰,劉建新,李民等.容柵位移傳感器在噴油泵試驗臺中的應用[J].儀表技術與傳感器.2004,(5):46-48.

[4]王習文,齊欣,宋玉泉.容柵傳感器及其發展前景[J].吉林大學學報(工學版),2003,(4):89-94.

[5]凌銳鴻,王佶.容柵傳感器刻劃誤差的分析計算[J].工具技術.1995,29(7):41-46.

[6]郭永彩,趙毅高潮.一種絕對式容柵測量新技術[J].光電工程.2010,(2):69-73.

[7]株式會社三豐.電容式測位傳感器[P].中國.ZL87102580,1990.1.31.

[8]株式會社三豐.位置絕對測量用電容型測試裝置[P].中國.ZL89106051.0,1987.12.2

作者:王孝 王玉花 謝行 單位:北京航天試驗技術研究所