電容傳感器容柵旋轉編碼器原理及應用

以旋轉容柵編碼器為例，簡(jiǎn)述容柵傳感器的測量原理及其結構，分析容柵自身以及容柵芯片的特點(diǎn)，通過(guò)機械機構設計和容柵編碼器后續電路設計，提高其工作可靠性，并應用于實(shí)際工程中。

電容傳感器具有測量分辨力和測量準確度高等特點(diǎn)，在很多場(chǎng)合被作為高精測量?jì)x器使用，但因其自身缺陷，只能使用在微小位移的測量中，無(wú)法滿(mǎn)足大位移測量的要求。80年代容柵傳感器的出現，徹底的改變了這種情況。借鑒了光柵的結構形式，工程師把電容做成柵型，大大提高了測量的精度和范圍，實(shí)現了大位移高精度測量。

容柵傳感器相對于其他類(lèi)型的傳感器有許多突出的優(yōu)點(diǎn)[2]：

1、量程大、分辨率高。在線(xiàn)位移測量時(shí)，分辨率為2mm時(shí)，量程可達到20m，在角位移測量時(shí)，分辨率為0.1°時(shí)，量程為4096圈。其測量速度也比較高，測量線(xiàn)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(yōu)點(diǎn)，諸如測量時(shí)摩擦阻力可以減到最小，不會(huì )因為測量部件的表面磨損而導致測量精度下降。
3、結構簡(jiǎn)單。容柵傳感器的敏感元件主要由動(dòng)柵和靜柵組成，信號線(xiàn)可以全部從靜柵上引出，作為運動(dòng)部件的動(dòng)柵可以沒(méi)有引線(xiàn)，為傳感器的設計帶來(lái)很大的方便。
4、配用專(zhuān)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，便于長(cháng)距離傳送信號，幾乎無(wú)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。正常工作電流小于10mA，傳感器敏感元件可以長(cháng)期工作，一粒鈕扣電池可以連續工作1年以上。利用這個(gè)特點(diǎn)，可以設計出準絕對式的位移傳感器。
6、在價(jià)格上有很大優(yōu)勢，其性能價(jià)格比遠高于同類(lèi)傳感器。

容柵傳感器有最主要的問(wèn)題是穩定性和可靠性，環(huán)境潮濕和外界電磁干擾的影響尤為顯著(zhù)，其次作為準絕對式傳感器在長(cháng)期斷電工作時(shí)，需要定期更換電池，所以難于作為傳感器用于長(cháng)期自動(dòng)測量。

容柵編碼器是以脈沖數字量來(lái)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(huán)境污染能力，為容柵原理用于自動(dòng)測量奠定了基礎。

二、容柵旋轉編碼器的結構和測量原理

1、容柵旋轉編碼器的結構組成

容柵旋轉編碼器分動(dòng)柵和靜柵二部分，都為精密加工的印刷電路板。動(dòng)柵上有發(fā)射極和接收極，在發(fā)射極和接收極之間有屏蔽極，避免發(fā)射極到接收極之間的直接電容耦合。靜柵上有反射極和屏蔽極，反射極與屏蔽極的寬度一致，屏蔽極需可靠接地。動(dòng)柵上共有48個(gè)發(fā)射電極，發(fā)射極的極距按實(shí)際要求可變，每4個(gè)發(fā)射極對應于一個(gè)反射極。動(dòng)柵上每8個(gè)發(fā)射電極為一組，共6組。對每組發(fā)射極進(jìn)行編號A到H同編號的發(fā)射極電路上相連。運行時(shí)，兩塊印刷電路板的柵面平行同軸相對，間距在0.1mm左右。圖1所示的是旋轉式容柵編碼器的結構圖。

2、容柵傳感器測量原理

在動(dòng)柵柵面編號為A～H發(fā)射電極上分別加上8個(gè)等幅、同頻、相位依次相差p/4的方波激勵電壓信號（i=0，1，2，…，7）。每組編號相同的發(fā)射極都加以相同的激勵信號，經(jīng)過(guò)兩對電容耦合在接收極上形成容柵電壓信號。由于各組中序號相同的發(fā)射極和反射極的相對位置相同，所以可以將48個(gè)發(fā)射極和對應的反射極板間的電容簡(jiǎn)化為到的8個(gè)電容器。Cf代表反射極與接收極相互耦合之后形成的電容器，由于接收極在動(dòng)柵移動(dòng)方向上的長(cháng)度恰好為一組反射極長(cháng)度的整數倍，又由于反射極是周期性排列的，所以接收極和反射極的相互覆蓋面積不隨位移變化，即Cf為一個(gè)常數。圖2所示為其等效電路圖[2]。

容柵工作時(shí)，施加發(fā)射電極上的周期激勵信號，通過(guò)發(fā)射極與反射極、反射極與接收極兩對電容耦合，在接收極上形成合成信號。傳感器輸入、輸出信號與各電極之間電容耦合關(guān)系如圖3[1]。

一組激勵信號（i=0，1，2，…，7）通過(guò)一組電容（i=0，1，2，…，7）和定值電容Cf耦合后，得到傳感器的輸出信號。不考慮激勵信號的輸出阻抗，并作歸一化處理，可得：

（1）

把和作傅立葉展開(kāi)，選擇合適的零點(diǎn)，可視為偶函數：

（2）

（3）

式中，T—激勵信號的周期；

W—靜柵反射極板的節距。

容柵處理電路會(huì )濾去高次諧波，在這里采用基波求解，并作歸一化處理，把公式（2）（3）代入（1）得：

（4）

在勻速旋轉的條件下，由激勵信號和電容的特點(diǎn)可得：

（5）

式中，k為一常系數，正負由動(dòng)柵和靜柵的相對運動(dòng)方向決定。

從公式（5）可知，輸出信號的電位相與容柵傳感器的位移有一一對應關(guān)系（在一個(gè)周期內是單值函數），調相信號是一個(gè)周期信號，動(dòng)柵和靜柵每相對運動(dòng)一組發(fā)射極的寬度，調相信號變化一個(gè)周期。根據這個(gè)原理可以通過(guò)鑒相器鑒別調相信號的相位變化，從而推算出動(dòng)柵和靜柵的相對位移。同時(shí)還可以通過(guò)可逆計數器記錄輸出信號周期變化數，實(shí)現長(cháng)距離的測量。接收極上的輸出信號并不能直接送鑒相電路使用，在這之前還需要經(jīng)過(guò)解調、濾波、放大和整形，形成方波，最后通過(guò)鑒相器輸出位移信息送顯示。圖4為鑒相型容柵傳感器的測量原理圖[2]。

3、容柵旋轉編碼器的數據傳遞

容柵旋轉編碼器的核心部件是容柵集成芯片，它負責把傳感器的位置信息轉化為數字信號輸出。容柵芯片有4根引出線(xiàn)，分別為+1.5V、CLK、DATA和0V線(xiàn)。其中+1.5V和0V線(xiàn)為電源線(xiàn)和地線(xiàn)，CLK和DATA線(xiàn)為同步時(shí)鐘信號線(xiàn)和數據線(xiàn)。

CLK信號為同步時(shí)鐘信號，在一次數據傳送中，開(kāi)始為54ms的高電平，表示數據即將開(kāi)始傳送；接下來(lái)是兩段各有24個(gè)寬度為13ms的窄脈沖，前后兩段窄脈沖之間有110ms的高電平作為間隔；最后是75ms的高電平，以示數據傳送結束。具體波形如圖5。容柵旋轉編碼器的數據傳送是周期性的，在慢速狀態(tài)下，周期間隔為250ms，在快速狀態(tài)時(shí)，為20ms。

DATA信號為數據信號，它包含了編碼器的位移信息。在數據采集時(shí)，容柵芯片在CLK信號窄脈沖的下降沿對DATA信號進(jìn)行采樣，先后采樣兩組24位數據。一組為絕對數據，另一組為相對數據。絕對數的初值只受上電影響，相對數據初值由數據清零信號控制。

三、容柵旋轉編碼器的關(guān)鍵技術(shù)

容柵編碼器有功耗低、性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。但其工作容易受到外界的干擾，影響工作穩定性。所以在設計容柵編碼器時(shí)，需要一些特殊措施來(lái)抵抗干擾，提高穩定性。

環(huán)境對容柵編碼器的工作影響很大，特別是濕度。電容傳感器主要是通過(guò)兩極板之間的電容量變化來(lái)反映相應的被測量變化。在大濕度的情況下，會(huì )改變兩極板間的介電常數影響電容值，同時(shí)也使容柵電路的漏電流明顯增大，使容柵編碼器工作的穩定性將受到削弱。因此，建立一個(gè)良好的容柵工作小環(huán)境，使其免受外界環(huán)境的影響，對其能否可靠工作非常重要。

容柵編碼器是靠電容極板傳遞信號，因此保證極板之間的電場(chǎng)穩定是容柵位移信號能夠正常無(wú)誤傳遞的前提。由于容柵編碼器經(jīng)常用于工業(yè)環(huán)境，其現場(chǎng)工作環(huán)境很差，常伴有大功率的電磁干擾，將容柵核心部件全部密封在金屬殼內，而非像一般的容柵數顯產(chǎn)品把靜柵暴露于環(huán)境中，這樣既有效的進(jìn)行了電磁屏蔽，同時(shí)隔絕了外界水汽、油污，使編碼器能在一個(gè)相對良好的環(huán)境中工作。

容柵的動(dòng)柵和靜柵的屏蔽極都要有效的接地，起隔離屏蔽和消除寄生電容的作用。實(shí)際中，動(dòng)柵和靜柵相互獨立，沒(méi)有任何連線(xiàn)，這就需要通過(guò)外界搭橋，一般情況下，編碼器的外殼就起這樣的作用。動(dòng)柵上集成的容柵芯片的正極通常和動(dòng)柵屏蔽極相連，這就有可能由于后續電路接地引起電池短路。因此在進(jìn)行電路設計時(shí)，必須考慮這個(gè)特點(diǎn)，在設計上采取針對性措施，對電路進(jìn)行隔離，來(lái)解決因后續電路接地帶來(lái)的電池短路問(wèn)題。

容柵編碼器是一種準絕對式傳感器。在平時(shí)全靠?jì)炔侩姵鼐S持其正常工作，因此，電池問(wèn)題不容忽視。經(jīng)過(guò)實(shí)際操作證明在電池電壓降低時(shí)，將產(chǎn)生許多不可預料的情況。采用超級電容和電池并聯(lián)工作，可以有效的降低電池的功耗，延長(cháng)容柵編碼器的工作時(shí)間。同時(shí)，通過(guò)設計電路實(shí)測電池電壓報警，盡量避免由于電池電量不足影響編碼器正常工作。

除了以上幾點(diǎn)，還需要其他的一些軟件和硬件上的輔助措施，才能保證容柵編碼器正常穩定的工作。

四、容柵旋轉編碼器的應用

容柵旋轉編碼器具有測量分辨率高、量程大，可以應用于大位移（角位移）測量。表1列出了不同節距數時(shí)，容柵旋轉編碼器的分辨率可達到的精度和測量量程。

利用上述性能，可作為多圈角位移的高精度測量。如絲杠推進(jìn)位移的高精度控制，借助齒條、鏈條、線(xiàn)束傳動(dòng)，可以將角位移轉換為線(xiàn)位移。用容柵編碼器作大位移測量，如長(cháng)行程油缸的位移，堆取料機在軌道上定位等，筆者曾將容柵編碼器用于超大型構件水平推進(jìn)的同步控制，取得良好效果。

容柵旋轉編碼器類(lèi)似于絕對式編碼器，其機電轉換部件由內置電池供電，其信號發(fā)送部件由外接電源供電。當外接電源斷開(kāi)時(shí)，雖然不輸出數據，但傳感器還是在內部電池支持下工作，對角位移的變化做出反應，在任何時(shí)間都能取得正確數據。因為要有內部電池支持，這類(lèi)傳感器被稱(chēng)作準絕對式傳感器。由于傳感器耗電極?。?0mA）更換一粒鈕扣電池可工作一年以上。與led= p= target=_blank www.epdoc.cn=>

容柵編碼器采用RS-422通訊接口，便于計算機接口，也便于進(jìn)行長(cháng)距離的信號傳遞。每個(gè)傳感器可設置其ID編碼號，便于實(shí)現多個(gè)傳感器信號的網(wǎng)絡(luò )傳遞。容柵編碼器數據測量周期最短為20ms，數據長(cháng)度為4字節，可以和一般的串行通訊速率相匹配。

五、結束語(yǔ)

隨著(zhù)容柵技術(shù)的應用，容柵編碼器破殼而出。憑借其優(yōu)異的性能和可靠性的不斷改進(jìn)，容柵編碼器必將越來(lái)越受到關(guān)注，在今后的編碼器市場(chǎng)上占據自己的一席。