容柵旋轉(zhuǎn)編碼器原理及應(yīng)用[圖]

摘要：以旋轉(zhuǎn)容柵編碼器為例，簡(jiǎn)述容柵傳感器的測(cè)量原理及其結(jié)構(gòu)，分析容柵自身以及容柵芯片的特點(diǎn)，通過(guò)機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和容柵編碼器后續(xù)電路設(shè)計(jì)，提高其工作可靠性，并應(yīng)用于實(shí)際工程中。

一、引言

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

容柵傳感器相對(duì)于其他類型的傳感器有許多突出的優(yōu)點(diǎn)：

1)量程大、分辨率高。在線位移測(cè)量時(shí)，分辨率為2μm時(shí)，量程可達(dá)到20m，在角位移測(cè)量時(shí)，分辨率為0.1°時(shí)，量程為4096圈。其測(cè)量速度也比較高，測(cè)量線速度可達(dá)到1.5m/s。
     2)容柵測(cè)量屬非接觸式測(cè)量，因此容柵傳感器具有非接觸傳感器的優(yōu)點(diǎn)，諸如測(cè)量時(shí)摩擦阻力可以減到最小，不會(huì)因?yàn)闇y(cè)量部件的表面磨損而導(dǎo)致測(cè)量精度下降。
     3)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。容柵傳感器的敏感元件主要由動(dòng)?xùn)藕挽o柵組成，信號(hào)線可以全部從靜柵上引出，作為運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)?xùn)趴梢詻](méi)有引線，為傳感器的設(shè)計(jì)帶來(lái)很大的方便。
     4)配用專用集成電路的容柵傳感器是一種數(shù)字傳感器，和計(jì)算機(jī)的接口方便，便于長(zhǎng)距離傳送信號(hào)，幾乎無(wú)數(shù)據(jù)傳輸誤差。數(shù)據(jù)更新速率可以達(dá)到每秒50 次。
     5)功耗極小。正常工作電流小于10μA，傳感器敏感元件可以長(zhǎng)期工作，一粒鈕扣電池可以連續(xù)工作1 年以上。利用這個(gè)特點(diǎn)，可以設(shè)計(jì)出準(zhǔn)絕對(duì)式的位移傳感器。
     6)在價(jià)格上有很大優(yōu)勢(shì)，其性能價(jià)格比遠(yuǎn)高于同類傳感器。

容柵傳感器有最主要的問(wèn)題是穩(wěn)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，其次作為準(zhǔn)絕對(duì)式傳感器在長(zhǎng)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(zhǎng)期自動(dòng)測(cè)量。

容柵編碼器是以脈沖數(shù)字量來(lái)表示容柵傳感器敏感元件間相對(duì)位置信息，本文研究的容柵旋轉(zhuǎn)編碼器將容柵全部的結(jié)構(gòu)密封在金屬殼內(nèi)，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(cè)量奠定了基礎(chǔ)。

二、容柵旋轉(zhuǎn)編碼器的結(jié)構(gòu)和測(cè)量原理

1 容柵旋轉(zhuǎn)編碼器的結(jié)構(gòu)組成

容柵旋轉(zhuǎn)編碼器分動(dòng)?xùn)藕挽o柵二部分，都為精密加工的印刷電路板。動(dòng)?xùn)派嫌邪l(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)?xùn)派瞎灿?8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(duì)應(yīng)于一個(gè)反射極。動(dòng)?xùn)派厦?個(gè)發(fā)射電極為一組，共6組。對(duì)每組發(fā)射極進(jìn)行編號(hào)A到H同編號(hào)的發(fā)射極電路上相連。運(yùn)行時(shí)，兩塊印刷電路板的柵面平行同軸相對(duì)，間距在0.1mm左右。圖1所示的是旋轉(zhuǎn)式容柵編碼器的結(jié)構(gòu)圖。

2 容柵傳感器測(cè)量原理

在動(dòng)?xùn)艝琶婢幪?hào)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π/4的方波激勵(lì)電壓信號(hào)ui(t)(i=0，1，2，……，7)。每組編號(hào)相同的發(fā)射極都加以相同的激勵(lì)信號(hào)，經(jīng)過(guò)兩對(duì)電容耦合在接收極上形成容柵電壓信號(hào)u0(x，t)。由于各組中序號(hào)相同的發(fā)射極和反射極的相對(duì)位置相同，所以可以將48個(gè)發(fā)射極和對(duì)應(yīng)的反射極板間的電容簡(jiǎn)化為c1(x)到c8(x)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)?xùn)乓苿?dòng)方向上的長(zhǎng)度恰好為一組反射極長(zhǎng)度的整數(shù)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(shù)。圖2所示為其等效電路圖。

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

一組激勵(lì)信號(hào)ui(t)(i=0，1，2，……，7)通過(guò)一組電容ci(x)(i=0，1，2，……，7)和定值電容Cf耦合后，得到傳感器的輸出信號(hào)u0(x，t)。不考慮激勵(lì)信號(hào)的輸出阻抗，并作歸一化處理，可得：

式中，k為一常系數(shù)，正負(fù)由動(dòng)?xùn)藕挽o柵的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向決定。