摘要：以旋轉(zhuǎn)容柵編碼器為例，簡述容柵傳感器的測量原理及其結(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
電容傳感器具有測量分辨力和測量準(zhǔn)確度高等特點(diǎn)，在很多場合被作為高精測量儀器使用，但因其自身缺陷，只能使用在微小位移的測量中，無法滿足大位移測量的要求。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，大大提高了測量的精度和范圍，實(shí)現(xiàn)了大位移高精度測量。
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。在線位移測量時(shí)，分辨率為2μm時(shí)，量程可達(dá)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，測量線速度可達(dá)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?yàn)闇y量部件的表面磨損而導(dǎo)致測量精度下降。
3)結(jié)構(gòu)簡單。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]有引線，為傳感器的設(shè)計(jì)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(shù)字傳感器，和計(jì)算機(jī)的接口方便，便于長距離傳送信號(hào)，幾乎無數(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，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期自動(dòng)測量。
容柵編碼器是以脈沖數(shù)字量來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)測量奠定了基礎(chǔ)。
二、容柵旋轉(zhuǎn)編碼器的結(jié)構(gòu)和測量原理
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)?a class="channel_keylink" href="/search.asp">移動(dòng)方向上的長度恰好為一組反射極長度的整數(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。
從公式(5)可知，輸出信號(hào)u0(x，t)的電位相與容柵傳感器的位移有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系(在一個(gè)周期內(nèi)是單值函數(shù))，調(diào)相信號(hào)是一個(gè)周期信號(hào)，動(dòng)?xùn)藕挽o柵每相對(duì)運(yùn)動(dòng)一組發(fā)射極的寬度，調(diào)相信號(hào)變化一個(gè)周期。根據(jù)這個(gè)原理可以通過鑒相器鑒別調(diào)相信號(hào)的相位變化，從而推算出動(dòng)?xùn)藕挽o柵的相對(duì)位移。同時(shí)還可以通過可逆計(jì)數(shù)器記錄輸出信號(hào)周期變化數(shù)，實(shí)現(xiàn)長距離的測量。接收極上的輸出信號(hào)并不能直接送鑒相電路使用，在這之前還需要經(jīng)過解調(diào)、濾波、放大和整形，形成方波，最后通過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。
3 容柵旋轉(zhuǎn)編碼器的數(shù)據(jù)傳遞
容柵旋轉(zhuǎn)編碼器的核心部件是容柵集成芯片，它負(fù)責(zé)把傳感器的位置信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)輸出。容柵芯片有4根引出線，分別為+1.5V、CLK、DATA和0V線。其中+1.5V和0V線為電源線和地線，CLK和DATA線為同步時(shí)鐘信號(hào)線和數(shù)據(jù)線。
CLK信號(hào)為同步時(shí)鐘信號(hào)，在一次數(shù)據(jù)傳送中，開始為54μs的高電平，表示數(shù)據(jù)即將開始傳送；接下來是兩段各有24個(gè)寬度為13μs的窄脈沖，前后兩段窄脈沖之間有110μs的高電平作為間隔；最后是75μs的高電平，以示數(shù)據(jù)傳送結(jié)束。具體波形如圖5。容柵旋轉(zhuǎn)編碼器的數(shù)據(jù)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(hào)為數(shù)據(jù)信號(hào)，它包含了編碼器的位移信息。在數(shù)據(jù)采集時(shí)，容柵芯片在CLK信號(hào)窄脈沖的下降沿對(duì)DATA信號(hào)進(jìn)行采樣，先后采樣兩組24位數(shù)據(jù)。一組為絕對(duì)數(shù)據(jù)，另一組為相對(duì)數(shù)據(jù)。絕對(duì)數(shù)的初值只受上電影響，相對(duì)數(shù)據(jù)初值由數(shù)據(jù)清零信號(hào)控制。
三、容柵旋轉(zhuǎn)編碼器的關(guān)鍵技術(shù)
容柵編碼器有功耗低、性價(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(wěn)定性。所以在設(shè)計(jì)容柵編碼器時(shí)，需要一些特殊措施來抵抗干擾，提高穩(wěn)定性。
環(huán)境對(duì)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兩極板之間的電容量變化來反映相應(yīng)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(shù)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(wěn)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(duì)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(hào)，因此保證極板之間的電場穩(wěn)定是容柵位移信號(hào)能夠正常無誤傳遞的前提。由于容柵編碼器經(jīng)常用于工業(yè)環(huán)境，其現(xiàn)場工作環(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(nèi)，而非像一般的容柵數(shù)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(duì)良好的環(huán)境中工作。
容柵的動(dòng)?xùn)藕挽o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)?xùn)藕挽o柵相互獨(dú)立，沒有任何連線，這就需要通過外界搭橋，一般情況下，編碼器的外殼就起這樣的作用。動(dòng)?xùn)派霞傻娜輺判酒恼龢O通常和動(dòng)?xùn)牌帘螛O相連，這就有可能由于后續(xù)電路接地引起電池短路。因此在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮這個(gè)特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)上采取針對(duì)性措施，對(duì)電路進(jìn)行隔離，來解決因后續(xù)電路接地帶來的電池短路問題。
容柵編碼器是一種準(zhǔn)絕對(duì)式傳感器。在平時(shí)全靠內(nèi)部電池維持其正常工作，因此，電池問題不容忽視。經(jīng)過實(shí)際操作證明在電池電壓降低時(shí)，將產(chǎn)生許多不可預(yù)料的情況。采用超級(jí)電容和電池并聯(lián)工作，可以有效的降低電池的功耗，延長容柵編碼器的工作時(shí)間。同時(shí)，通過設(shè)計(jì)電路實(shí)測電池電壓報(bào)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(wěn)定的工作。
四、容柵旋轉(zhuǎn)編碼器的應(yīng)用
容柵旋轉(zhuǎn)編碼器具有測量分辨率高、量程大，可以應(yīng)用于大位移(角位移)測量。表1列出了不同節(jié)距數(shù)時(shí)，容柵旋轉(zhuǎn)編碼器的分辨率可達(dá)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、線束傳動(dòng)，可以將角位移轉(zhuǎn)換為線位移。用容柵編碼器作大位移測量，如長行程油缸的位移，堆取料機(jī)在軌道上定位等，筆者曾將容柵編碼器用于超大型構(gòu)件水平推進(jìn)的同步控制，取得良好效果。
容柵旋轉(zhuǎn)編碼器類似于絕對(duì)式編碼器，其機(jī)電轉(zhuǎn)換部件由內(nèi)置電池供電，其信號(hào)發(fā)送部件由外接電源供電。當(dāng)外接電源斷開時(shí)，雖然不輸出數(shù)據(jù)，但傳感器還是在內(nèi)部電池支持下工作，對(duì)角位移的變化做出反應(yīng)，在任何時(shí)間都能取得正確數(shù)據(jù)。因?yàn)橐袃?nèi)部電池支持，這類傳感器被稱作準(zhǔn)絕對(duì)式傳感器。由于傳感器耗電極小(<10μA)更換一粒鈕扣電池可工作一年以上。與光電絕對(duì)式多圈編碼器相比，由于省去了機(jī)械記憶部件，其構(gòu)件要簡單得多，因而造價(jià)也會(huì)低得多。
容柵編碼器采用RS-422通訊接口，便于計(jì)算機(jī)接口，也便于進(jìn)行長距離的信號(hào)傳遞。每個(gè)傳感器可設(shè)置其ID編碼號(hào)，便于實(shí)現(xiàn)多個(gè)傳感器信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)傳遞。容柵編碼器數(shù)據(jù)測量周期最短為20ms，數(shù)據(jù)長度為4字節(jié)，可以和一般的串行通訊速率相匹配。
五 結(jié)束語
隨著容柵技術(shù)的應(yīng)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越受到關(guān)注，在今后的編碼器市場上占據(jù)自己的一席。
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