摘要：以旋轉容柵編碼器為例，簡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，通過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，并應用于實際工程中。
一、引言
電容傳感器具有測量分辨力和測量準確度高等特點，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，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，實現了大位移高精度測量。
容柵傳感器相對于其他類型的傳感器有許多突出的優點：
1)量程大、分辨率高。在線位移測量時，分辨率為2μm時，量程可達到20m，在角位移測量時，分辨率為0.1°時，量程為4096圈。其測量速度也比較高，測量線速度可達到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點，諸如測量時摩擦阻力可以減到最小，不會因為測量部件的表面磨損而導致測量精度下降。
3)結構簡單。容柵傳感器的敏感元件主要由動柵和靜柵組成，信號線可以全部從靜柵上引出，作為運動部件的動柵可以沒有引線，為傳感器的設計帶來很大的方便。
4)配用專用集成電路的容柵傳感器是一種數字傳感器，和計算機的接口方便，便于長距離傳送信號，幾乎無數據傳輸誤差。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10μA，傳感器敏感元件可以長期工作，一粒鈕扣電池可以連續工作1 年以上。利用這個特點，可以設計出準絕對式的位移傳感器。
6)在價格上有很大優勢，其性能價格比遠高于同類傳感器。
容柵傳感器有最主要的問題是穩定性和可靠性，環境潮濕和外界電磁干擾的影響尤為顯著，其次作為準絕對式傳感器在長期斷電工作時，需要定期更換電池，所以難于作為傳感器用于長期自動測量。
容柵編碼器是以脈沖數字量來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境污染能力，為容柵原理用于自動測量奠定了基礎。
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柵和靜柵二部分，都為精密加工的印刷電路板。動柵上有發射極和接收極，在發射極和接收極之間有屏蔽極，避免發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。動柵上共有48個發射電極，發射極的極距按實際要求可變，每4個發射極對應于一個反射極。動柵上每8個發射電極為一組，共6組。對每組發射極進行編號A到H同編號的發射極電路上相連。運行時，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
在動柵柵面編號為A～H發射電極上分別加上8個等幅、同頻、相位依次相差π/4的方波激勵電壓信號ui(t)(i=0，1，2，……，7)。每組編號相同的發射極都加以相同的激勵信號，經過兩對電容耦合在接收極上形成容柵電壓信號u0(x，t)。由于各組中序號相同的發射極和反射極的相對位置相同，所以可以將48個發射極和對應的反射極板間的電容簡化為c1(x)到c8(x)的8個電容器。Cf代表反射極與接收極相互耦合之后形成的電容器，由于接收極在動柵移動方向上的長度恰好為一組反射極長度的整數倍，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為一個常數。圖2所示為其等效電路圖。
容柵工作時，施加發射電極上的周期激勵信號，通過發射極與反射極、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系如圖3。
一組激勵信號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u0(x，t)。不考慮激勵信號的輸出阻抗，并作歸一化處理，可得：
式中，k為一常系數，正負由動柵和靜柵的相對運動方向決定。
從公式(5)可知，輸出信號u0(x，t)的電位相與容柵傳感器的位移有一一對應關系(在一個周期內是單值函數)，調相信號是一個周期信號，動柵和靜柵每相對運動一組發射極的寬度，調相信號變化一個周期。根據這個原理可以通過鑒相器鑒別調相信號的相位變化，從而推算出動柵和靜柵的相對位移。同時還可以通過可逆計數器記錄輸出信號周期變化數，實現長距離的測量。接收極上的輸出信號并不能直接送鑒相電路使用，在這之前還需要經過解調、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，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線為同步時鐘信號線和數據線。
CLK信號為同步時鐘信號，在一次數據傳送中，開始為54μs的高電平，表示數據即將開始傳送；接下來是兩段各有24個寬度為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，在慢速狀態下，周期間隔為250ms，在快速狀態時，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，容柵芯片在CLK信號窄脈沖的下降沿對DATA信號進行采樣，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鍵技術
容柵編碼器有功耗低、性價比高等優點。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，需要一些特殊措施來抵抗干擾，提高穩定性。
環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兩極板之間的電容量變化來反映相應的被測量變化。在大濕度的情況下，會改變兩極板間的介電常數影響電容值，同時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，建立一個良好的容柵工作小環境，使其免受外界環境的影響，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穩定是容柵位移信號能夠正常無誤傳遞的前提。由于容柵編碼器經常用于工業環境，其現場工作環境很差，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品把靜柵暴露于環境中，這樣既有效的進行了電磁屏蔽，同時隔絕了外界水汽、油污，使編碼器能在一個相對良好的環境中工作。
容柵的動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。實際中，動柵和靜柵相互獨立，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。動柵上集成的容柵芯片的正極通常和動柵屏蔽極相連，這就有可能由于后續電路接地引起電池短路。因此在進行電路設計時，必須考慮這個特點，在設計上采取針對性措施，對電路進行隔離，來解決因后續電路接地帶來的電池短路問題。
容柵編碼器是一種準絕對式傳感器。在平時全靠內部電池維持其正常工作，因此，電池問題不容忽視。經過實際操作證明在電池電壓降低時，將產生許多不可預料的情況。采用超級電容和電池并聯工作，可以有效的降低電池的功耗，延長容柵編碼器的工作時間。同時，通過設計電路實測電池電壓報警，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，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，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。如絲杠推進位移的高精度控制，借助齒條、鏈條、線束傳動，可以將角位移轉換為線位移。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的同步控制，取得良好效果。
容柵旋轉編碼器類似于絕對式編碼器，其機電轉換部件由內置電池供電，其信號發送部件由外接電源供電。當外接電源斷開時，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，在任何時間都能取得正確數據。因為要有內部電池支持，這類傳感器被稱作準絕對式傳感器。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。與光電絕對式多圈編碼器相比，由于省去了機械記憶部件，其構件要簡單得多，因而造價也會低得多。
容柵編碼器采用RS-422通訊接口，便于計算機接口，也便于進行長距離的信號傳遞。每個傳感器可設置其ID編碼號，便于實現多個傳感器信號的網絡傳遞。容柵編碼器數據測量周期最短為20ms，數據長度為4字節，可以和一般的串行通訊速率相匹配。
五 結束語
隨著容柵技術的應用，容柵編碼器破殼而出。憑借其優異的性能和可靠性的不斷改進，容柵編碼器必將越來越受到關注，在今后的編碼器市場上占據自己的一席。
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