容柵旋轉編碼器原理及應用[1]

  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(xù)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(xiàn)，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(xiàn)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(yōu)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(yōu)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(shù)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(shù)據(jù)傳輸誤差。數(shù)據(jù)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(xù)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(yōu)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(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(shù)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(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(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。動柵上共有48個發(fā)射電極，發(fā)射極的極距按實際要求可變，每4個發(fā)射極對應于一個反射極。動柵上每8個發(fā)射電極為一組，共6組。對每組發(fā)射極進行編號A到H同編號的發(fā)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。

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