绝对式容栅测量技术研究范文

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《传感器世界杂志》2016年第7期

摘要：

数显量具在各种制造业，尤其是传统机械制造业中，正以强劲的势头替代传统的机械量具和气动量具，成为生产现场主导测量器具。容栅数显位移传感技术和产品以其结构简单、对使用环境要求不高、测量速度快、能耗低等优点得到最为广泛的应用。介绍了相对式容栅数显量具的传感器结构、测量原理和相应的电路结构，指出相对式容栅测量系统使用过程中存在的问题，比较了绝对式容栅和相对式容栅的优缺点。介绍了绝对式容栅传感器和电路的结构，最后指出了国外绝对式容栅技术现状，以及国内绝对式容栅技术存在的差距。

关键词：

数显量具；相对式容栅；绝对式容栅

一、引言

在计算机信息技术、自动化数字测量技术快速发展的今天，数显量具在各种制造业，尤其是传统机械制造业中，正以强劲的势头替代传统的机械量具和气动量具，成为生产现场使用中占主导的先进测量器具[1]。日本三丰、瑞士TESA和Sylvac、德国Mahr以及英国Bowers等世界著名量具制造厂商开发的数显量具技术，引领着该领域的发展趋势，数显量具产品在国外工业发达国家的制造业生产现场中已经得到推广普及；同样，在我国汽车制造业、压缩机、家电制造业等产品零部件的先进生产流水线上，数显量具也得到了很好应用。由于具有良好防水防尘性能、测量数据/图形显示和输出、测量数据统计处理分析和故障诊断等优异使用功能，同时又具有可靠的精度，适于在生产现场使用，使电子数显量具量仪成为提高机械制造精度和加工效率的重要工具和手段[2]。目前，在数字化数显位移传感技术和产品中，主要有光栅、容栅、磁栅、球栅和感应同步器等。几大类产品各有优势、互为补充，在竞争中都得到不同程度的发展。而在通用数显量具方面，容栅数显量具的产量大，应用广泛，各类数显卡尺、数显百分表、数显千分表、数显千分尺以及数显内、外径表等等，品种繁多，性能各异。容栅数显位移传感技术和产品以其结构简单、对使用环境要求不高、测量速度块、能耗低等优点得到最为广泛的应用[3,4]。

二、容栅数显位移传感技术

常见的容栅数显量具大多为采用相对式容栅测量技术，其传感器结构图如图1所示。相对式容栅传感器由动栅板和定栅板两部分组成。动栅板的正面装有专用大规模集成电路、液晶显示器件及数据传送用输出接口，背面有发射极和接收极两部分。发射极共有48个小发射极，分成6组，每组各有8个小发射极。小发射极板宽度为L0，每8个小发射极所占的宽度称为一个节距S，S=8L0；其大小与传感器的分辨率有关。接收极为一长金属条，处于发射极的下方，长为5个节距，与中间5组发射极相对应，即前后各空出4个小发射极，这是为了消除边缘效应。定栅板是在环氧敷铜板上腐蚀出宽为S/2、间隔亦为S/2的与其他部分绝缘的小矩形方格，表面粘贴绝缘保护层，这些小方格称为反射极，其他连通部分屏蔽接地，对测量没有影响[5]。动栅板正对定栅板安装，每组发射极中有4个小发射极正对定栅板的屏蔽地，测量中不起作用。在测量时，将发射电压加至发射极上，通过电容耦合，在反射极上产生电荷Qf，从而有电压Vf；又通过电容耦合在接收极板上产生电荷Qr，从而有电压Vr，这就是传感器的输出信号，从而实现了机械位移量到电信号的转换。容栅传感器的输出可近似用如下表达式来定义：（1）式中，Vo(x,t)—表示容栅传感器的输出，它是一个与位移x、时间t有关的电压信号；K—信号传输比例系数；ω—测试系统时钟分频后的参数；λ—表示容栅传感器的节距[4]。由式（1）可看出，容栅传感器是一个调相型位移传感器，它将位移的变化转化为电容的周期性变化量。利用容栅传感器，将位移的变化量周期性变化的电信号，再辅以相关的处理电路，就构成了容栅数显测量系统[1]。容栅数显测量系统的结构框图如图2所示。图中，信号发生器产生测量系统需要的各种时序信号，容栅驱动电路对相应时序信号进行组合，产生周期性变化的脉冲信号，驱动容柵传感器，容柵传感器将位移变化转换成周期变化的电信号，通过鉴相解调电路，变成与位移相关的数字信号，经过数据处理电路，译码显示电路，在液晶显示器中显示出来，最终完成位移量的数字显示。

三、绝对式、相对式容栅测量技术比较

目前国内容栅数显量具大多为相对式数显量具，年销售量接近500万件，每年还在按照15%左右的速度增长，具有很大的市场潜力。但相对式容栅测量卡尺采用增量式测量原理，在使用过程中存在如下3个问题：（1）没有绝对意义上的原点，测量过程中，一旦关机，测量状态无法恢复；（2）当传感器相对移动速度过快时，因处理速度跟不上而发生计算错误，造成测量失败；（3）测量过程中需持续供电，电路消耗的功率较大，电池的寿命太短。而绝对式容栅数显量具是新一代电子卡尺产品，它采用“一点三测”的原理[6]，实现绝对位置的测量，可对所设置的原点位置进行持续跟踪，无论何时开机，液晶屏都会显示关机前副尺相对于原点的准确位置，以便随时进行测量，像游标卡尺一样存在一个绝对意义上的原点，在卡尺通电后即可进行测量而不必进行繁琐的清零，校零操作；而且它可以彻底解决相对式卡尺的超速问题，使得计量更加安全可靠；应用绝对式测量原理，采用间歇工作的模式，减小了测量系统的功耗，也为制造太阳能卡尺提供了可能。

四、绝对式容栅测量技术的实现

图4为绝对式容栅传感器的结构图。绝对式容栅传感器包括粗测、中测、细测三条码道，通过粗测、中测、细测三种测量模式，三种测量模式分别对位移进行粗大精度、中等精度、精确精度的测量，从而完成位移测量的模数转换，实现传感器绝对位置的测量。传感器信号通过后续电路组合，实现粗测、中测、细测的信号合成[7,8]，其中：

细测合成信号=Sa-Sb

中测合成信号=Sc-Sd

粗测合成信号=（Sa+Sb）-（Sc+Sd）

其中，Sa，Sb—传感器粗测差分输出信号；

Sc，Sd—传感器中测差分输出信号。

绝对式容栅测量硬件电路部分用于完成传感器输入信号的放大、解调、整形等功能；软件部分用于完成驱动和输入信号的控制功能，计算传感器检测出的位移量，送给译码显示电路进行显示。绝对式容栅测量系统的电路结构与相对式容栅测量系统的电路结构相似，而由于传感器部分相对要复杂，所以电路的控制部分要复杂些。

五、绝对式容栅测量技术现状

绝对式容栅测量技术在国外已经是成熟技术，日本三丰公司早在1987年申请的专利《电容式测位传感器》中，就已经提出了实现绝对测量的方法，之后在1989年申请了名为《位置绝对测量用电容型测试装置》的专利，在1993年申请了名为《用于绝对位置的测量的电容型测量器具》的专利，对其绝对容栅测量技术进行保护。在此基础上，日本三丰公司成功将该技术应用到数显卡尺、数显高度尺、数显量表中，并实现批量化生产。而在国内，目前仅北京航天峰光电子技术有限公司、桂林广陆数字测控股份有限公司、东莞特马电子有限公司等有限几家数显量具生产厂有相关绝对式容栅数显量具产品在国内机床展览会上亮相，并未形成大批量销售。从产品外观、性能指标、使用寿命、产品稳定性等方面来看，国内绝对式容栅数显产品与国外相比，还有较大差距，需要国内厂商加紧努力，提升技术水平，尽快达到国外相关产品水平。

六、结束语

绝对式测量是现代测量技术发展的趋势，绝对式容栅测量系统是在相对式容栅测量系统基础上研制出来的，其成本与相对式容栅测量系统差别不大，而性能上则有很大的提升，因此必将逐渐替代相对式容栅测量系统，实现容栅测量技术的升级换代。

参考文献：

[1]李强,杨光明,徐刚等.中国量具市场的现状与发展趋势[J].机电产品市场.2007,(8):22-23.

[2]李强,杨光明,徐刚等.从统计数据分析中国量具市场的现状和发展趋势[J].世界制造技术与装备市场.2008,(1):77-81.

[3]王峰,刘建新,李民等.容栅位移传感器在喷油泵试验台中的应用[J].仪表技术与传感器.2004,(5):46-48.

[4]王习文,齐欣,宋玉泉.容栅传感器及其发展前景[J].吉林大学学报(工学版),2003,(4):89-94.

[5]凌锐鸿,王佶.容栅传感器刻划误差的分析计算[J].工具技术.1995,29(7):41-46.

[6]郭永彩,赵毅高潮.一种绝对式容栅测量新技术[J].光电工程.2010,(2):69-73.

[7]株式会社三丰.电容式测位传感器[P].中国.ZL87102580,1990.1.31.

[8]株式会社三丰.位置绝对测量用电容型测试装置[P].中国.ZL89106051.0,1987.12.2

作者:王孝 王玉花 谢行 单位:北京航天试验技术研究所