电容传感器容栅旋转编码器原理及应用
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2020-10-19
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电容传感器容栅旋转编码器原理及应用电容传感器容栅旋转编码器原理及应用
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
一、前言
以旋转
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
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
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
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
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 。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
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]。
一组激励信号 （i=0，1，2，…，7）通过一组电容 （i=0，1，2，…，7）和定值电容Cf耦合后，得到传感器的输出
信号 。不考虑激励信号的输出阻抗，并作归一化处理，可得：
（1）
把 和 作傅立叶展开，选择合适的零点，可视为偶函数：
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