容栅传感器的测量原理及其结构

 一、前言

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。

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[2]：

1、量程大、分辨率高。在线位移测量时，分辨率为2mm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10mA，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p/4的方波激励电压信号 （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 。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 到 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[2]。

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[1]。

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 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[2]。

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54ms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13ms的窄脉冲，前后两段窄脉冲之间有110ms的高电平作为间隔；最后是75ms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。