容栅旋转编码器原理及应用

摘要：以旋转容栅编码器为例，简述容栅传感器的测量原理及其结构，分析容栅自身以及容栅芯片的特点，通过机械机构设计和容栅编码器后续电路设计，提高其工作可靠性，并应用于实际工程中。

一、引言

电容传感器具有测量分辨力和测量准确度高等特点，在很多场合被作为高精测量仪器使用，但因其自身缺陷，只能使用在微小位移的测量中，无法满足大位移测量的要求。80年代容栅传感器的出现，彻底的改变了这种情况。借鉴了光栅的结构形式，工程师把电容做成栅型，大大提高了测量的精度和范围，实现了大位移高精度测量。

容栅传感器相对于其他类型的传感器有许多突出的优点：

1)量程大、分辨率高。在线位移测量时，分辨率为2μm时，量程可达到20m，在角位移测量时，分辨率为0.1°时，量程为4096圈。其测量速度也比较高，测量线速度可达到1.5m/s。
     2)容栅测量属非接触式测量，因此容栅传感器具有非接触传感器的优点，诸如测量时摩擦阻力可以减到最小，不会因为测量部件的表面磨损而导致测量精度下降。
     3)结构简单。容栅传感器的敏感元件主要由动栅和静栅组成，信号线可以全部从静栅上引出，作为运动部件的动栅可以没有引线，为传感器的设计带来很大的方便。
     4)配用专用集成电路的容栅传感器是一种数字传感器，和计算机的接口方便，便于长距离传送信号，几乎无数据传输误差。数据更新速率可以达到每秒50 次。
     5)功耗极小。正常工作电流小于10μA，传感器敏感元件可以长期工作，一粒钮扣电池可以连续工作1 年以上。利用这个特点，可以设计出准绝对式的位移传感器。
     6)在价格上有很大优势，其性能价格比远高于同类传感器。

容栅传感器有最主要的问题是稳定性和可靠性，环境潮湿和外界电磁干扰的影响尤为显著，其次作为准绝对式传感器在长期断电工作时，需要定期更换电池，所以难于作为传感器用于长期自动测量。

容栅编码器是以脉冲数字量来表示容栅传感器敏感元件间相对位置信息，本文研究的容栅旋转编码器将容栅全部的结构密封在金属壳内，大大提高了容栅传感器的电磁兼容性和抗环境污染能力，为容栅原理用于自动测量奠定了基础。

二、容栅旋转编码器的结构和测量原理

1 容栅旋转编码器的结构组成

容栅旋转编码器分动栅和静栅二部分，都为精密加工的印刷电路板。动栅上有发射极和接收极，在发射极和接收极之间有屏蔽极，避免发射极到接收极之间的直接电容耦合。静栅上有反射极和屏蔽极，反射极与屏蔽极的宽度一致，屏蔽极需可靠接地。动栅上共有48个发射电极，发射极的极距按实际要求可变，每4个发射极对应于一个反射极。动栅上每8个发射电极为一组，共6组。对每组发射极进行编号A到H同编号的发射极电路上相连。运行时，两块印刷电路板的栅面平行同轴相对，间距在0.1mm左右。图1所示的是旋转式容栅编码器的结构图。

2 容栅传感器测量原理

在动栅栅面编号为A～H发射电极上分别加上8个等幅、同频、相位依次相差π/4的方波激励电压信号ui(t)(i=0，1，2，……，7)。每组编号相同的发射极都加以相同的激励信号，经过两对电容耦合在接收极上形成容栅电压信号u0(x，t)。由于各组中序号相同的发射极和反射极的相对位置相同，所以可以将48个发射极和对应的反射极板间的电容简化为c1(x)到c8(x)的8个电容器。Cf代表反射极与接收极相互耦合之后形成的电容器，由于接收极在动栅移动方向上的长度恰好为一组反射极长度的整数倍，又由于反射极是周期性排列的，所以接收极和反射极的相互覆盖面积不随位移变化，即Cf为一个常数。图2所示为其等效电路图。

容栅工作时，施加发射电极上的周期激励信号，通过发射极与反射极、反射极与接收极两对电容耦合，在接收极上形成合成信号。传感器输入、输出信号与各电极之间电容耦合关系如图3。

一组激励信号ui(t)(i=0，1，2，……，7)通过一组电容ci(x)(i=0，1，2，……，7)和定值电容Cf耦合后，得到传感器的输出信号u0(x，t)。不考虑激励信号的输出阻抗，并作归一化处理，可得：

式中，k为一常系数，正负由动栅和静栅的相对运动方向决定。

从公式(5)可知，输出信号u0(x，t)的电位相与容栅传感器的位移有一一对应关系(在一个周期内是单值函数)，调相信号是一个周期信号，动栅和静栅每相对运动一组发射极的宽度，调相信号变化一个周期。根据这个原理可以通过鉴相器鉴别调相信号的相位变化，从而推算出动栅和静栅的相对位移。同时还可以通过可逆计数器记录输出信号周期变化数，实现长距离的测量。接收极上的输出信号并不能直接送鉴相电路使用，在这之前还需要经过解调、滤波、放大和整形，形成方波，最后通过鉴相器输出位移信息送显示。图4为鉴相型容栅传感器的测量原理图。

3 容栅旋转编码器的数据传递

容栅旋转编码器的核心部件是容栅集成芯片，它负责把传感器的位置信息转化为数字信号输出。容栅芯片有4根引出线，分别为+1.5V、CLK、DATA和0V线。其中+1.5V和0V线为电源线和地线，CLK和DATA线为同步时钟信号线和数据线。

CLK信号为同步时钟信号，在一次数据传送中，开始为54μs的高电平，表示数据即将开始传送；接下来是两段各有24个宽度为13μs的窄脉冲，前后两段窄脉冲之间有110μs的高电平作为间隔；最后是75μs的高电平，以示数据传送结束。具体波形如图5。容栅旋转编码器的数据传送是周期性的，在慢速状态下，周期间隔为250ms，在快速状态时，为20ms。

DATA信号为数据信号，它包含了编码器的位移信息。在数据采集时，容栅芯片在CLK信号窄脉冲的下降沿对DATA信号进行采样，先后采样两组24位数据。一组为绝对数据，另一组为相对数据。绝对数的初值只受上电影响，相对数据初值由数据清零信号控制。

三、容栅旋转编码器的关键技术

容栅编码器有功耗低、性价比高等优点。但其工作容易受到外界的干扰，影响工作稳定性。所以在设计容栅编码器时，需要一些特殊措施来抵抗干扰，提高稳定性。

环境对容栅编码器的工作影响很大，特别是湿度。电容传感器主要是通过两极板之间的电容量变化来反映相应的被测量变化。在大湿度的情况下，会改变两极板间的介电常数影响电容值，同时也使容栅电路的漏电流明显增大，使容栅编码器工作的稳定性将受到削弱。因此，建立一个良好的容栅工作小环境，使其免受外界环境的影响，对其能否可靠工作非常重要。

容栅编码器是靠电容极板传递信号，因此保证极板之间的电场稳定是容栅位移信号能够正常无误传递的前提。由于容栅编码器经常用于工业环境，其现场工作环境很差，常伴有大功率的电磁干扰，将容栅核心部件全部密封在金属壳内，而非像一般的容栅数显产品把静栅暴露于环境中，这样既有效的进行了电磁屏蔽，同时隔绝了外界水汽、油污，使编码器能在一个相对良好的环境中工作。

容栅的动栅和静栅的屏蔽极都要有效的接地，起隔离屏蔽和消除寄生电容的作用。实际中，动栅和静栅相互独立，没有任何连线，这就需要通过外界搭桥，一般情况下，编码器的外壳就起这样的作用。动栅上集成的容栅芯片的正极通常和动栅屏蔽极相连，这就有可能由于后续电路接地引起电池短路。因此在进行电路设计时，必须考虑这个特点，在设计上采取针对性措施，对电路进行隔离，来解决因后续电路接地带来的电池短路问题。

容栅编码器是一种准绝对式传感器。在平时全靠内部电池维持其正常工作，因此，电池问题不容忽视。经过实际操作证明在电池电压降低时，将产生许多不可预料的情况。采用超级电容和电池并联工作，可以有效的降低电池的功耗，延长容栅编码器的工作时间。同时，通过设计电路实测电池电压报警，尽量避免由于电池电量不足影响编码器正常工作。

除了以上几点，还需要其他的一些软件和硬件上的辅助措施，才能保证容栅编码器正常稳定的工作。

四、容栅旋转编码器的应用

容栅旋转编码器具有测量分辨率高、量程大，可以应用于大位移(角位移)测量。表1列出了不同节距数时，容栅旋转编码器的分辨率可达到的精度和测量量程。

利用上述性能，可作为多圈角位移的高精度测量。如丝杠推进位移的高精度控制，借助齿条、链条、线束传动，可以将角位移转换为线位移。用容栅编码器作大位移测量，如长行程油缸的位移，堆取料机在轨道上定位等，笔者曾将容栅编码器用于超大型构件水平推进的同步控制，取得良好效果。

容栅旋转编码器类似于绝对式编码器，其机电转换部件由内置电池供电，其信号发送部件由外接电源供电。当外接电源断开时，虽然不输出数据，但传感器还是在内部电池支持下工作，对角位移的变化做出反应，在任何时间都能取得正确数据。因为要有内部电池支持，这类传感器被称作准绝对式传感器。由于传感器耗电极小(<10μA)更换一粒钮扣电池可工作一年以上。与光电绝对式多圈编码器相比，由于省去了机械记忆部件，其构件要简单得多，因而造价也会低得多。

容栅编码器采用RS-422通讯接口，便于计算机接口，也便于进行长距离的信号传递。每个传感器可设置其ID编码号，便于实现多个传感器信号的网络传递。容栅编码器数据测量周期最短为20ms，数据长度为4字节，可以和一般的串行通讯速率相匹配。

五 结束语

随着容栅技术的应用，容栅编码器破壳而出。凭借其优异的性能和可靠性的不断改进，容栅编码器必将越来越受到关注，在今后的编码器市场上占据自己的一席。

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