（机械设计及理论专业论文）容栅编码器研究及其应用.pdf

摘要 摘要 电容传感器一直被用作高精度测量设备，但目前它只限于小量程测量。容 栅编码器的出现大大增加了其量程，同时还具有结构简单、功耗低、性价比高 等优点，但是由于容栅编码器自身的一些缺陷，使其一直局限于数显卡尺领域， 在其他领域鲜有踪迹。 本文首先介绍容栅编码器核心部件结构、测量原理和内部芯片。针对容栅 编码器工作可靠性不高的不足，采取相应的机械和电气电路上的改进，采样绝 对数据以及采用电磁、信号和电源隔离来提高其工作可靠性。当今网络化成了 编码器的一个发展方向，在编码器设计中加入了主从通讯功能，以使容栅编码 器更好地适用于现代生产制造。 在本文中，分析了可能影响容栅编码器精度的几个因素，然后利用光电编 码器和容栅编码器同轴连接，外接步进电机，测量容栅编码器和光电编码器输 出数据之间的误差。从而取得在不同转速、不同位置、不同通讯速率下的误差 曲线，进而直观地认识容栅编码器的静态和动态精度。 现有的容栅产品都是以电池供电的准绝对式产品。在长期无外界供电情况 下，电池的电量会不断下降，这将会对容栅编码器的工作带来许多不确定的因 素，严重时甚至导致容栅编码器失效。在本文中，根据容栅编码器测量原理， 进行了容栅编码器在掉电情况下数据唯一性试验，验证了容栅编码器在半节距 中任何一个位置其输出数据唯一确定。然后结合机械装置，进行绝对式编码器 的设计。 最后，描述容栅编码器在液压电梯和液压同步连续爬行、提升系统中应用， 并总结全文。 关键字：容栅编码器，精度，可靠性，绝对式编码器，电容传感器 a b s t r a c t a b s t r a c t c a p a c i t i v es e n s o ri sa l w a y su s e da sm e a s u r d e v i c ew i t hh i g hp r e c i s i o n , b u ti t s m e 嬲u r es c a l ei sv e r ys m a l l t h eg r a t i n g - s h a p ec a p a c i t i v ec o d e rw i d e n si t sm e a s u r e s c a l e ；m e a n w h i l ei ta l s oh a sm a n ya d v a n t a g e sf o ri n s t a n c es i m p l es t r u c t u r e ，l o w p o w e ra n dh i g hr a t i ob e t w e e nq u a l i t ya n dc o s te t c h o w e v e rb e c a u s eo fo r i g i n a l f a u l t s ，t h eg r a t i n g s h a p ec a p a c i t i v ec o d e ri sr e s t r i c t e di nt h ed i s p l a yr u l e r ；i nt h e o t h e rp l a c e s ，t h e r ei sa l m o s tn op r o d u c tr e l a t e d i nt h ep a p e rf l r s t l yii n t r o d u c et h em e c h a n i c a ls t r u c t u r e n l e a s u r et h e o r ya n d i n n e rc h i po f t h eg r a t i n g - s h a p ec a p a c i t i v ec o d e r a i m i n ga tt h ef a u l to f t h el o w w o r k r e l i a b i l i t y , w ei m p r o v et h em e c h a n i c a ls t r u c t u r ea n dt h ee l e c t r o n i cc i r c u i tt oe n h a n c e i t sw o r kr e l i a b i l i t y n o w a d a y sm u l t i p o i n tc o m m u n i c a t i o ni sad e v e l o p m e n tf i e l d ；i n t h ec o d e r sd e s i g n , w ec o n s i d e rt h em a s t e r - s l a v ec o m m u n i c a t i o nf u n c t i o nt om a k e t h eg r a t i n g - s h a p ec a p a c i t i v ec o d e rf i tf o rt h ea d v a n c e dm a n u f a c t u r eb e t t e r t h ec o n c r e t ed e s c r i p t i o no ft h eg r a t i n g - s h a p ec a p a c i t i v ec o d e r sp r e c i s i o ni s l i t t l ei nt h er e f e r e n c em a t e r i a l s 1a n a l y z et h ef a c t o r sm a y b ei n f l u e n c i n gt h ec o d e r s p r e c i s i o n ；t h e nu s et h ep h o t o e l e c t r i cc o d e rl i n k i n gw i t ht h eg r a t i n g s h a p ec a p a c i t i v e c o d e ri nt h es a m ea x i st ot e s tt h ee r r o rb e t w e e nt h ep h o t o e l e c t r i cc o d e ra n dt h e g r a t i n g s h a p ec a p a c i t i v ec o d e r a c c o r d i n gt od i f f e r e n tr o t a t a b l ev e l o c i t y , l o c a t i o n , c o m m u n i c a t i o nv e l o c i t y , id r a wt h ee r r o rc u r v e st og i v eac o n c r e t ed e s c r i p t i o no f g r a t i n g - s h a p ec a p a c i t i v ec o d e rd y n a m i c a n ds t a t i cp r e c i s i o n n o wt h eg r a t i n g - s h a p ec a p a c i t i v ep r o d u c t sn e e dt h eb a t t e r ys u p p o r t w h e n t h e r ei sn op e r i p h e r yp o w e rs u p p l yf o ral o n gt i m e ，t h eb a t t e r y sc a p a c i t yb e c o m e s s m a l l e ra n ds m a l l e r ；i tw i l lb r i n go u tm a n yi n d e f i n i t ef a c t o r st ot h eg r a t i n g s h a p e c a p a c i t i v ec o d e r ；w h i l ei ti ss e r i o u se n o u g h t h ec o d e ri se v e no u to fw o r k s oid o t h ee x p e r i m e n tt oc o n f i r mt h ec o d e r sd a t au n i q u ew i t h o u tt h ep e f i p h e r yp o w e r s u p p l ya c c o r d i n gt ot h em e a s u r et h e o r y ；t h e nw i mt h en e wd e s i g ni d e a , id e s i g nt h e m e c h a n i c a ls t r u c t u r et or e a l i z et h eg r a t i n g s h a p ec a p a c i t i v ec o d e rw i t h o u tb a t t e r y f i n a l l yid e s c r i b et h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o nw i t ht h eg r a t i n g s h a p ec a p a c i t i v e i l a b s t t a c t c o d e ri nt h eh y d r a u l i ce l e v a t o ra n dt h eh y d r a u l i cs y n c h r o n i z i n gc o n t i n u o u sl i f t i n g v e l o c i t yc o n t r o ls y s t e ma n ds u m m a r i z et h ew h o l ep a p e r k e yw o r d ：g r a t i n g s h a p ec a p a c i t i v ec o d e r , p r e c i s i o n ，r e l i a b i l i t y , a b s o l u t ec o d e r , t h e c a p a c i t i v es e n s o r 1 1 1 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：赇 w 7 年；月f ，日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：缣礞 卿年多月了e t 第一章引言 第一章引言 人们很早就提出用电容传感器测量位移，经过几十年的探索和研究，其技 术日臻成熟和完善在理想的情况下，即两个平行极板的表面积无限大时电容 量公式为 c ；掣( 1 1 ) 4 为两极板间介质的相对介电常数 晶为真空的介电常数；岛= 8 8 4 6 1 0 。4 f r n 一1 s 为两平行极板之间共有面积 d 为两平行极板之间的距离 c 为两平行极板之间的电容量 从上述公式可以看到，随着两极板之间的介电常数、面积和间距变化，其 间的电容量也会随之变化。根据这个原理，人们设计出变面积定间距和变间距 定面积式电容传感器用来测量位移量( 线位移和角位移) ，通过极板之间介电常 数的变化，设计出湿敏和温度传感器，用来检测湿度和温度。 以电容作为测量部件主要有以下特点m 1 11 1 3 1 ： ( 1 ) 线性度好，可优于o o l ，以此可制造出高精度的电容传感器，随着加工 工艺和电子部件的集成化，现代电容位移传感器的测量精度可达到纳米级。 ( 2 ) 结构简单，构造紧凑，易于小型化，价格低。 ( 3 ) 功耗低，由电容公式可知电容量一般很小，在测量频率不高的情况下，功 率很小。这就使电容传感器可自带高性能微型电池，而不需要外界电源，避免 了外部电源干扰。 电容传感器也有缺陷，比如存在输出特性的非线性、传感器的泄漏电容、 连接电缆寄生电容对灵敏度和测量准确度影响严重。随着电容传感器处理电路 方面的改进，从电桥调幅式到振荡回路调频式再到脉宽调制式、电荷平衡式和 相位跟踪式，增强了其抗干扰能力，抑制了分布电容的影响，从而上述问题得 到了根本的解决，实现了电容传感器的高精度测量。但是由于电容传感器自身 的不足，使其在大位移的测量中始终没有得到应用。为了解决这个问题，工程 第一章引言 师们设计出能进行大位移测量的容栅式传感器。 初级的容栅传感器是将被测量( 位移、压力、湿度等) 的变化转化为电容 量变化的一种传感器。5 0 年代末，人们提出了一种复合电极电容传感器。当接 受电极平行于复合电极不断移动时，电容量随之产生相应的变化，最后经电路 处理后，可测出线性位移量。这就是容栅传感器的前身。 现在实用的容栅测量系统，在其发源地瑞士，被称为”s y l v a cm e a s u r i n g s y s t e m 。这种测量技术由瑞士t r i m o s 公司和其子公司s y l v a c 公司的h a n s i r i c h m e y e r 发明，并于1 9 7 2 年获得专利，1 9 7 3 年前后分别在瑞士、美国、英国、 西德等国家申请了专利 2 1 。该系统把容栅滑尺与c m o s 集成电路融为一体，组 成读数头和显示系统。这是容栅测量系统在量具上的首次应用，并形成了目前 容栅传感器的基本结构。 容栅技术用于大位移测量有着自身突出的优点，具体如下 2 1 1 4 1 5 】： ( 1 ) 量程大、分辨率高 一般容栅产品的测量分辨率都比较高，例如：普通的容栅数显卡尺的测量 分辨率为o 0 1 m m ，数显千分尺的分辨率可达到0 0 0 1 m m 。在线位移测量时， 分辨率为0 0 0 1 m m 时，量程可达到2 0 米。在角位移测量时，分辨率为o 1 0 时， 量程为4 0 9 6 圈。 ( 2 ) 动栅移动速度快 对分辨率为o 0 0 1 m m 的测高仪，其动栅的移动速度为l m s ，对分辨力为 o 0 1 m m 的数显卡尺，其动栅的移动速度可达1 s n d s 。这样的移动速度可满足绝 大部分使用场合的要求，使得一般不会因移动速度过大而出现误测的情况。而 分辨力为o 0 0 1 m m 的光栅和感应同步器数显装置的动尺部分的移动速度一般 仅为0 2 m s 左右。 ( 3 ) 结构简单，易于进行机械设计 容栅传感器的敏感元件主要由动栅和静栅组成。信号输出线可以全部从静 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了很大的 方便。 ( 4 ) 数字式传感器 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， 便于长距离传送数据，几乎无数据传输误差。数据更新速率可以达到每秒5 0 次。 2 第一章引言 ( 5 ) 微功耗 容栅传感器在正常工作时，其工作电流小于1 0 微安。传感器的敏感元件在 弱电源下可以长期工作，一颗纽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 ) 低成本 由于在传感器部分使用了大栅距( 降低了传感器部分的加工工艺要求) ，因 而可使用印刷电路板工艺来加工传感器部分，并且其结构较光栅和感应同步器 更为简单，特别是专用集成电路的使用使整个测量系统的成本更低。其性能价 格比一般要优于光栅或感应同步器等产品。 容栅传感器有许多显著的优点，但它的缺陷同样非常明显。 ( 1 ) 易受干扰 容栅传感器作为测量控制系统应用于加工机床或者现场测控时，工作在低 电压、低电流状态，极易受到外界电场、磁场、尤其是电源波动或脉冲波动的 影响，引起输入信号失真，甚至使整个系统瘫痪。同时环境中的湿度对其工作 的可靠和稳定影响也尤为显著。 ( 2 ) 定期更换电池 容栅传感器作为准绝对式的传感器工作时需要电池对其容栅芯片供电，虽 然容栅芯片功耗极低，但在长时间断电工作时，不可避免会出现电池供电不足， 在电量过低时，传感器的工作将出现紊乱，甚至无法工作。 ( 3 ) 难于自动测量 长期以来，容栅测量主要用于数字化量具上，在受到干扰无法工作后可以 通过重新上电使测量恢复正常。由于可靠性的影响，难于用于长期自动测量的 场合。 1 1 容栅传感器的历史和发展【2 l t e l t 8 1 d l 1 硼 1 9 7 2 年瑞士t r i m o s 公司首次研制成功容栅长度测量系统一s y i m c 测 量系统，两年后公司应用此容栅测量系统制造出2 0 台标准高度仪，并把这项发 明( 包括容栅传感器部分和电子显示部分) 统称为s y l v a c 系统。容栅高度仪 把容栅滑尺与c m o s 中型规模集成电路做成一体，组成读数头。读数头与显示 系统全部设计在1 6 0 m m x 6 0 m m 的壳体内，容栅标尺则做在高度仪的立柱上， 3 第一章引言 这就是容栅系统在测量仪器中的首次应用。 其后该公司又利用s y l v a c 系统开发出微机多功能高度仪，除了能进行高 度测量，还可以测量内孔和轴的直径，且对测量头半径能进行自动补偿和在任 意位置进行公英制无差转换，目前这种产品已系列化。 大规模c m o s 集成电路的出现使容栅传感器在游标卡尺上获得广泛应用， 这就是最早的容栅电子卡尺，或叫做数显卡尺。1 9 7 5 年瑞典j o h a n s s o n 公 司推出的j o c a l 卡尺，这种电子卡尺的尺体上制作有容栅标尺，读数头上有 容栅滑尺，滑尺由6 4 条均布导片组成，共分4 组，每组1 6 条导片，间距相同， 每组中的相邻导片间距和容栅标尺节距相等。容栅滑尺通过导电橡胶与电路板 相连。电路板上由5 块集成芯片和2 0 几个微型阻容元件组成的开环鉴相电路。 这种电子卡尺元件较多，精度只有0 0 5 m m 。 1 9 8 4 年t r i m o s - s y l v a c 公司发展了第二代产品，精度达到o 0 2 m m ，采 用一个微型氧化银电池供电，能耐用2 0 0 0 小时并可进行公英制转换，工作速度 提高到1 5 m s 。另外这种卡尺还设有打印输出接口，开关按钮由定时自熄机构 所代替，使用方便，因而独占了国际市场。 随后许多公司意识到容栅传感器及其相关测量产品具有的巨大经济效益， 于是纷纷投身于相关产品和技术的开发工作，包括日本的三丰公司、德国的 h e l i o s 公司、法国的r o c h 公司、美国的s h o r p 公司和英国的 m o o r e w r i g h t 公司。许多专业工作者致力于该类产品性能的改善和提高。 从第一代产品开始，至今已经有许多发明专利问世。围绕提高系统精度和可靠 性这一主题，各专利在栅尺结构形式和检测电路设计上各显神通。 在1 9 8 3 年的多国仪器展上，国外的容栅产品首次进入我们的视野。此后我 国开始了对容栅测量系统进行详细的研究和改进。1 9 8 6 年当时的国家计量局下 达“容栅尺原理”课题。经过几年深入系统的研究，已比较完整地了解容栅测 量系统的原理。 目前，国内的数显标尺( 或数显装置) 大部分为光栅、磁栅和感应同步器。 这些装置各有所长，但成本较高，结构复杂，对使用环境和安装条件要求高， 特别是各部分之间的连线困难，易受干扰，难以普及使用和实现在现有机床设 备改造中的应用。容栅传感器比较好地解决了前述数显系统所存在的问题。特 别是其位移传感器的可动部分不需要通电，从根本上解决了连线困难的问题。 因而适用于多种机械设备的位移量的数字化自动显示。对于推广低成本自动测 4 第一章引言 量技术，有较好的社会和经济效益。目前已被应用于多种测量仪器中，如电容 式数显内径测微仪和平整仪。 为了适应现代制造技术对测量装置的要求，容栅传感器可与单片机接口， 从而完成容栅传感器的数据采集、测量和误差校正工作，为容栅传感器的各类 应用提供通用的通讯接口该接口由容栅传感器、信号处理电路、单片机、通 讯接口电路等构成。通过单片机的通讯接口，根据位移量的不同使用场合，可 选择与p c 机或单片机相联，从而便捷地实现集散控制式位移测量、间接测量、 远距离测量等。 容栅传感技术的发展目前正处于方兴未艾的状态，其发展动向主要表现在： ( 1 ) 基于先进的计算机技术对容栅传感器进行设计与优化。 ( 2 ) 大力拓展其应用范围，利用容栅位移测量的特点间接测量其他的一些测量 值，使容栅技术由单一的位移测量向更宽方面拓展。 1 2 课题研究的目的和意义 现代制造业对精度和稳定性的要求日益提高，编码器凭借其自身高精度、 高可靠性以及抗环境干扰强等特点，其应用越来越广泛。如今的编码器市场， 光电、光栅编码器以其出色的精度和分辨率占据了主要的份额，但结构复杂、 价格昂贵，主要用于精密测量。容栅测量系统已经诞生了3 0 余年了，但至今容 栅编码器也只是处于概念阶段，相应的产品也是风毛麟角，但凭借容栅系统性 价优势，完全有理由可以在低端编码器市场占有一席之地。 容栅测量系统的工作稳定性一直制约了其在更广泛领域的发展。但由于其 出色的性价比( 与光栅、磁栅及光电传感器等比较) 和诸多突出的优点( 移动 速度较快、结构简单易于机械设计、使用专用集成电路等) ，如在工作稳定性方 面能有所突破，必然会在当今的编码器行业里引起不小的波澜。 随着测量技术向精密化、高速化、自动化、集成化、智能化、经济化、非 接触化和多功能化方向发展，容栅传感器得到了越来越广泛的应用。尤其是对 于速度不高，可能转化为位移量进行测量的任何量均可采用这种新型的数字传 感器。但因其存在原理误差、两栅的几何尺寸误差和材料及工艺误差，使其测 量精度受到限制。虽然可以对这些误差进行一些处理，但仍旧不能达到光栅传 感器所能达到的精度。容栅传感器工作在低电压，低电流状态，极易受到外界 5 第一章引言 电场、磁场和环境的影响，造成信号失真，或者使整个系统瘫痪。 通过2 0 年的研究，我国已经了解了容栅测量系统的原理，并建立了数学模 型，分析了原理性误差、制造误差和处理电路引起的量化误差和细分误差，以 及这些误差对容栅系统精度的影响，同时提出了一些措施以提高容栅系统精度。 但是实际容栅系统是一个极其复杂的系统，实际模型与理想模型有很大不同， 其中有许多不确定因素，而那些提高精度措施也只是停留在书面阶段，没有实 际应用。所以，在容栅测量领域，还有很多悬而未决的问题等待着我们去解决， 特别是实际可行的误差补偿方案。 1 3 本论文主要研究内容 1 提高容栅测量工作可靠性措施 容栅传感器的工作可靠性一直是阻碍其推广的主要因素。环境、间隙和二 栅之间的介质都会对传感器的工作产生影响。拟通过改变间隙和介质，实际观 察容栅系统的输出信号，得出一般规律以此采取措施提高可靠性。同时进行适 当的电磁屏蔽、机械密封提高其抗外界环境干扰的能力。由于容栅芯片有其特 殊的连线要求，拟通过后续的电路隔离来满足这些特定的要求，并编制软件建 立一套较完整可行的报错系统。 2 容栅编码器精度分析 通过学习容栅系统的原理，建立数学模型，从源头上对其精度、误差做比 较系统的研究，并通过和高精度光电编码器在同等条件下同轴旋转，收集两传 感器的数据做出时间、位移和误差之间的关系图形。通过实际的误差曲线，对 容栅编码器的动态和静态精度有一个比较清晰、直观的了解。 3 准绝对式容栅编码器开发 在前期提高容栅测量工作可靠性条件下，开发依靠电池保持绝对数据的准 绝对式容栅编码器。通过机械结构设计和电路设计使容栅编码器能可靠无误工 作，初步实现现今编码器具有的精度高、工作可靠、抗环境干扰的特点。现今 的容栅产品都是利用电池来为容栅芯片供电，随着电池电压的降低会给容栅系 统带来许多不确定影响因素，因此降低电池供耗延长其工作时间也是容栅测量 系统是否能可靠工作的关键。本课题通过外供电，选择自放电很低的充电电池 来尽量降低电池功耗，延长其工作时间。 6 第一章引言 4 绝对式容栅编码器的开发 现今的容栅产品都需要依靠电池维持其工作，因此容栅系统是一种准绝对 式的测量系统。本课题在原来准绝对式容栅测量系统的基础上，尝试开发不需 电池供电的绝对式容栅测量系统。在测量小位移情况下，拟通过采集容栅上电 初始值进行归纳总结其内在规律，以达到在外供电的条件下，通过后续编程实 现在半个节距内的绝对测量。同时，通过制作单节距容栅测量元件以实现半周 绝对测量。由于，单节距容栅的分辨率只有4 0 9 6 脉冲圈。可通过单节距容栅 和多节距容栅组合构成同轴同转实现高分辨率单圈绝对测量，以单节距确定位 置，辅以多节距细分，提高分辨率。在此基础上，通过多级齿轮组机械结构还 可以开发出多圈低分辨率和多圈高分辨率的绝对式容栅测量系统。 7 第二章容栅传感器的测晕原理 第二章容栅传感器的测量原理 2 1 容栅传感器的分类 2 1 1 直线式容栅传感器【1 1 1 瑞士s y l v a c 公司研制的用于电子数显卡尺的容栅传感器结构如图2 1 。 它由动栅和静栅组成，动栅上有多个发射电极和一个接受电极，静栅上有多个 相互绝缘的反射电极和一个屏蔽电极。反射电极的一个极距对应于一组发射电 极。动栅上的发射电极可等分为几组。在每组位置相同的发射电极上加一幅值、 频率和相位相同的激励信号。相邻位置的电极上的激励信号的相位相差为2n ， n ( n 为一组发射电极的个数) 。发射电极与反射电极、反射电极和接受电极 之间存在着电场。正因为反射电极的电容耦合和电荷传递作用，使得接受电极 上得到的输出信号随着发射电极与反射电极之间的位置而变化；同时，传感器 与测量电路之间无活动引线，方便了机械设计。为保证信号传输可靠，屏蔽电 极可靠接地。配以专用鉴相型测量电路，广泛应用于电子数显卡尺中，其测量 分辨率为o 0 1 m m ，测量误差0 0 5 5 0 0 m m 发射极 动栅 图2 - 1 直线式容栅结构图 8 第二章容栅传感器的测量原理 直线式容栅传感器用于长距离测量时，由于其静栅尺寸大小的限制，很难 把静栅全部置于电磁屏蔽之中因此大大地增加了其受外界干扰的几率，使其 在工况较差的情况下，易于产生错误结果。 2 1 2 圆形容栅传感器 圆形容栅传感器也分为动栅和静栅，在动栅上有发射极和接收极，静栅上 有反射极和屏蔽极。发射极是在封闭的3 6 0 。圆周上等分刻画成4 8 等分，但又 彼此相互绝缘的栅状电容极板，该3 6 0 。等分成若干组，每组拥有相同的发射 电极。接受极和发射极在同一圆周上，但彼此相互绝缘。图2 - 2 是该传感器的 结构示意图。静栅上，在封闭的圆周上等分成与发射极板对应的一系列组每 组又平分为反射极和屏蔽极，屏蔽极相连可靠接地，以保证信号的可靠接受。 图2 - 2 圆形容栅结构图 圆形容栅传感器可以测量角位移，同时，通过拉线机构可以把角位移转化 为线位移。由于圆形容栅传感器的所有测量部分可以做得很小，能够全部屏蔽 于密封的金属壳内，避免了外界的干扰。提高了其工作的稳定性。 除了以上两种容栅传感器，工程师们根据容栅原理还设计出桶状电容传感 器，梳状电容传感器，差分式电容传感器等一系列电容传感器，广泛应用于机 械测量领域。 9 栅一 第二章容栅传感器的测量原理 2 2 容栅传感器测量电路分判1 2 】【1 3 j 【1 4 】【5 1 1 q 容栅传感器测量电路主要分鉴相型和鉴幅型两种，以下就这两种形式做一 个概要介绍。 2 2 1 鉴相型容栅传惑器的测量电路 图2 3 为鉴相型容栅传感器的测量电路a 由激励信号编码器产生的八路调制驱动信号，送到容栅传感器的发射电极 上。容栅传感器输出的位移调相信号，经过解调、放大和整形，再送入鉴相器， 以检测出相位变化，供运算器处理。运算器将鉴相器的数据与基准信号进行比 较和运算，然后进行公、英制转换和b c d 码转换。再由译码器将b c d 码转交 为七段码，送显示驱动单元。 容栅传感器 图2 3 鉴相型容栅传感器测量电路a 与上述相类似的测量电路b 如图2 - 4 所示。振荡器产生1 0 0 k h z 一2 0 0 k h z 的 交流信号，经分频器分频，再由相位变换器变换成八个相位各差4 5 。的交流信 号，加在传感器的发射电极上。从分频器输出的信号还用作调制器和解调器的 同步信号。同时。它们是决定测量装置分辨率的一个因素。传感器的输出信号 经差动放大器放大，再经解调器解调，通过滤波器滤掉高频分量，进入零交叉 l o 第二章容栅传感器的测量原理 电路，可检测测量信号与基准信号之间的相位差。这个相位差表示动、静栅之 间的相对位移。测量的启动被用作基准信号的触发，于是计数器就开始计数。 计数器的计数定时由振荡器输出信号控制。计数器的中止由来自零交叉电路的 信号控制。运算单元将计数器的输出变换成绝对值。通过显示驱动器，测量结 果在液晶上显示。 图2 - 4 鉴相型容栅传感器测量电路b 2 2 2 鉴幅型容栅测量电路 鉴幅型容栅传感器如图2 5 所示。面对接受电极的发射电极连着三个交变 电压。通常位于接受电极中间的一个发射电极上连着虬。其幅值是可变的。而 两边电极上的电压和屹，则是频率相同，幅值为常数，相位相反 x 图2 5 鉴幅型容栅传感器 图2 6 是测量电路的原理框图。两个接受电极相对于几组发射电极移动。 函数发生器输出的调制信号加在发射电极上，因此在接受电极上感应出电压。 极萋| 搬上m 上u 上执上m 第二章容栅传感器的测量原理 此感应电压经放大器放大，被同步解调器解调。同步解调器由振荡器控制。解 调后的信号送入比较器，比较器控制着个二进制计数器，计数器的状态表明 电极间相对位置的变化，即位移量的大小。计数器的低电平输出控制着一个数 模转换器。数模转换器提供一个调制电压，此电压的幅值是位移的线性函数。 接受电极上的波形如图2 7 ( 常速下) 图2 - 6 鉴相型容栅传感器测量电路 图2 7 接收电极上的信号波形 2 3 鉴相型容栅传感器的基本结构和工作原型】【1 7 l f l 阳 目前在常见的容栅测量系统中发射极板和接受极板是做在同一块基板的同 一面上，通常这块基板是作为移动部件，因而称为动栅；而反射极是做在另一 块基板上与发射极相对的表面上的，通常这块极板是静止的，故称为静栅。静 栅结构简单，没有与集成电路相连的引线，从而便于大位移精密测量。 在动栅和静栅上的电容极板有四种： 1 2 第二章容栅传感器的测量原理 ( 1 ) 发射电极，激励信号“1 由此输入到容栅上发射电极为窄状栅条，发射 电极由m ( 一般m = 4 ，6 ，8 ) 组栅条组成，每组内含有n ( 一般n = 8 ) 个等 宽的、具有恒定宽度空间相位差的栅条，称为n 相发射电极，相邻小发射电极 之间的位相差是w 8 ( w 是容栅传感器静栅的栅距) ，一般的容栅传感器上有6 组，每组有8 相。一组8 个发射电极的宽度和静栅上包含有一对反射电极和屏 蔽电极的宽度相等，后两者各占w 2 的宽度( 工程上实际结构尺寸比该值小些， 还要考虑一个绝缘间隙) 。同相的发射电极在电路上并联，整个发射电极上只有 8 个激励信号甜( r 1 ( i - 1 8 ) 的输入端。 ( 2 ) 接受电极，传感器的输出信号由此输出。由于是采用多路输入，单路输出 的结构，故而又称为群聚电极。接受电极和发射电极坐在动栅的同一面，期间 由接地的屏蔽电极隔离。 ( 3 ) 反射电极和屏蔽电极为等宽的栅条。反射电极悬浮，屏蔽电极互联后接地。 ( 4 ) 屏蔽电极，在动栅上位于发射电极和接受电极之间，在静栅上位于各反射 电极之间；接信号地信号，起隔离屏蔽和消除寄生电容的作用。 输入的激励信号u j ( t 1 首先从动栅的发射电极上发射，先经发射电极和静栅 上反射电极之间的电容耦合和位移x 的调制后得到调相信号。信号从动栅上的 发射电极到静栅上的反射电极，再返回到动栅上的接收电极，信号均以电容耦 合方式传输。这样的电容串联方式会减少接收信号的幅值，因采用了相位跟踪 式测量系统，故不会使测量结果受到影响。由于其激励信号部分、接收信号和 信号处理部分均位于动栅的同一侧，故有利于引线的连接和机械结构的简化。 动栅上环绕发射电极的接地屏蔽电极也阻止了接收电极从发射电极接收未经调 制的激励信号。反射电极的引入可以实现发射电极和接收电极处于传感器的同 侧的结构，实现单侧引线，这是容栅传感器的一种典型结构。这种结构有利 于微电子技术的应用，寄生电容效应的消除、容栅传感器引线结构和机械结构 的简化。 把容栅传感器的反射极板做成栅状主要有三个目的： ( 1 ) 增加初始电容，以减少引线电容和杂散电容引起的干扰信号i 降低容抗， 从而降低对环境，如湿度和清洁的要求，使之适合车间现场等环境使用。 ( 2 ) 通过多个具有相同间隔的栅条所产生的空间平均效应来降低容栅传感器制 造精度的影响，或者说在相同的容栅制造精度条件下提高测量精度。 ( 3 ) 当动栅和定栅的总重叠条数为n 时，在动栅和定栅之间相对移动时，其电 1 3 第二章容栅传感器的测置原理 容变化量为单对栅条的n 倍，从而将位移一电容变化量的灵敏度提高为单对栅 条时的n 倍。 2 3 1 鉴相型容栅传感器基本结构1 1 1 1 2 1 1 输入激励函数u o ) 的性质 容栅传感器的激励信号“。( f ) ( i = o ，1 ，2 ，7 ) 为一组方波脉冲电压信号， 其波形如图2 8 所示。 n 几1 兀n n n 几r r j f l n nn ha n 几门几几1 1 n n 门f l n 厂l r n k “，f 1 几丌门几n 门八几6nh 几n 日门门几门几f 1 八n 几n 厂 厂1 几几丌几 k t on 几几门n00l 门n 几丌八兀n 门n n n 几几厂 几几n f l 几门秘n n b t ”n0n0 n n n 几几几n 门nn n n 几厂 n n 几n n 门几n f n n 门n k ；dl 门n 门几几n n 门几n n 几n 厂 n 几n n n 几丌几n n 丌兀n n0 nr 吒t ”l n 门n 门f 1 几丌1 f 1 门门1 1 n 丌f l n n n f l 1 f l f l f ln n8 1 门n r i 订n n 几n r l 门n n n 几门n 几几几n n n 几888 几n 几n n n 几r bz t ，l n r f 丌n n 几几n n n n n 门n 几8 nl n 门兀丌n 几n 门n 几门r 图2 - 8 激励信号波形 每个“。( r ) 上都有正向标记脉冲和反向标记脉冲，如图2 - 9 所示。为了满足 输出函数的特性，( f ) 具有下列性质： a ) ( r ) = “( r + ”式中，t 由定尺的栅距、电子细分数和精度等要求来确 定，”，( f ) 是时间周期为t 的周期函数。 b ) u l + l ( f ) = “，( f t n ) 即相邻的u t ( r ) 位相差为t n ，“( t ) 滞后于u l ( f ) 。n 为发射极总的相数。 r l c ) 1 , t i ( r ) = ： u l ( ，) 是脉冲函数，甜，( f ) 取0 或1 值还与电子细分数有关 l u d ) “。( f ) = l 一甜，o t n )u l ( f ) 的后半周与前半周成倒相关系。 e ) 每组u 。( f ) 中都镶嵌有一组“标记脉冲”，这组“标记脉冲”占有( 3 3 2 ) t 的宽度。这组“标记脉冲”又由“正向标记脉冲”和“反向标记脉冲”所组成。 这两组“标记脉冲”在时间上有恒定的相位差。 1 4 第二章容栅传感器的测量原理 u d o 标记辟冲 i t = 1 6 f t = 3 2 鲤厂in 厂 厂 厂 r 广 广 广 忱 1 ) ! t - 1 6 标记辣冲 ! t = 3 2 型广 厂 广 厂1nf 广 厂 厂 图2 - 9 发射极上的激励信号 2 静态耦合函数q ( 力的性质 容栅传感器的等效电路可简化为图2 1 0 嘶 l l 弋9 u o ( x , t ) 图2 - 1 0 简化后的等效电路图 一个容栅传感器可以看成由n 个可变电容器组成。每个可变电容器的电容 量分别是位移x 的函数e l ) 。岛( x ) 的曲线可由动栅相对定栅位移x 时的几何关 系来确定。q o ) 与x 之间是空间域中的相移关系，c 。( x ) 具有下列性质： a ) f 。( 砷= c j ( x + 矿)式中，形是定尺的栅距。即c i o ) 是以矿为空间周期 的周期函数。 b ) c l + 1 ( 力= c j o 肜，) ( i = 1 ，2 ，一1 ) 相邻c l ( x ) 的位相差 为w n ，正向移动时是超前，反向移动时是滞后。 1 5 l 蚝 一 l 吩 一 也l 吼 一 第二章容栅传感器的测量原理 ， 、 ， 、 ，、，、，、 ，、，、， ， 、，、 、，、， 、，、 、 ， 、 、 ， 、 、 ， 、，、 5 惦l o 1 6 图2 - 1 1 位移信号q o ) 的波形图 c ) c j ( x ) 是梯形函数，如图2 一1 1 所示，其归一化表示为： c i ( x ) = r x 0 s x w l 1 嵋：二： (21)1rx w 2s x m 、7 0 s x 峨 式中，r 是梯形函数c ，( x ) 的斜边的斜率，嵋( f = 1 , 2 , 3 ，4 ) 分别是各动栅边缘 的x 坐标的位置。 3 输出函数u 。 ，) 的特征 传感器的等效电路图如图2 1 2 所示。其中，玑为激励信号源( i = l ，2 ， ) ，毛为容栅阻抗( f - - - - 1 ，2 ，n ) ，气为信号处理电路的输入阻抗。 图2 1 2 传感器的等效电路图 假定信号源内阻为零，且乙，并设甜对“。的贡献为“。f - 1 , 2 。 1 6 0 咖晰 咖嘶 晰咖 第二章容栅传感器的测量原理 根据电路叠加原理得： = 砘者赫铀去 。z z j f i | | zn 副2 i 葛耘碱 j 确毒糍羝击 仁z ， 式中，z ：，z ：、z j 为并联阻抗，因此得输出函数 铲。擎焘- i - l ，li = l j， 又因容栅阻抗主要由容抗分量组成，有 丑1 r _ o c ， ( 2 3 ) ( 2 4 ) 令：c ：为并联电容量，因c ：远大于单一电容量，故可认为0 为一常数，所以 = 坼士= 坼_ l 嘶互m 善= 勋，b ( 2 5 ) 2 坼i 葛2 坼互j 4 嘶言4 m 蓄2 砌一 但。 t 式中，七= l c ：为信号传输比例系数。故输出函数为 u o ( 马f ) = c u ( f ) q ( 力 ( 2 6 ) ，- l 上式为静态情况下的输出函数。 动态情况下，空间域上的c ( x ) 映射为时间域上的容栅动态耦合函数g ( f ) 。于 是动态情况下容栅的输出函数为： i i o ( ，) = k u ，( f ) g ( ，) ( 2 7 ) i = l 假设动栅相对定栅以匀速d 运动，则： q ( x ) = f 。( 彳) 2 g 。( f ) ( 2 8 ) 1 7 第二章容栅传感器的测量原理 关。 因此，g l ( f ) 与速度u 有关。故当动栅移动时，输出函数u o ( ，) 也与速度u 有 2 3 2 鉴相型容栅位移传感器的工作原理【1 1 1 2 容栅工作时，分别对动栅上的发射电极施加激励信号，此激励信号为周期 函数，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 2 一1 3 。 图2 1 3 容栅传感器电极间电容耦合关系 一组激励信号“。( f ) ( i - o ，1 ，2 ，7 ) 通过一组电容c 。( 石) ( i = o ，l ，2 ，7 ) 的耦合后，得到传感器的输出信号( 工，r ) 。在对输出信号解调后可以得到一个 调相信号，其电位相与容栅传感器的位置有一一对应关系( 在一个周期内是单 值函数) ，调相信号是一个周期函数，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2 1 4 为鉴相型容栅传感器的测量原理图。 1 8 第二章容栅传感器的测量原理 图2 1 4 鉴相型容栅传感器的测量原理图 动栅上有发射极板、接收极板和屏蔽极板，而定栅上只有反射极板和屏蔽 极板。下标序号依次为1 到8 的8 组方波脉冲电压激励信号u ，( f ) n u 。( f ) 分别送 入序号为a 到h 的8 组发射极上。这8 组激励信号经图