一、前言
以旋轉(zhuǎn)容柵編碼器為例,簡述容柵傳感器的測量原理及其結(jié)構(gòu),分析容柵自身以及容柵芯片的特點(diǎn),通過機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和容柵編碼器后續(xù)電路設(shè)計(jì),提高其工作可靠性,并應(yīng)用于實(shí)際工程中。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/161210.htm電容傳感器具有測量分辨力和測量準(zhǔn)確度高等特點(diǎn),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(jié)構(gòu)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(shí)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(diǎn)[2]:
1、量程大、分辨率高。在線位移測量時(shí),分辨率為2mm時(shí),量程可達(dá)到20m,在角位移測量時(shí),分辨率為0.1°時(shí),量程為4096圈。其測量速度也比較高,測量線速度可達(dá)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(diǎn),諸如測量時(shí)摩擦阻力可以減到最小,不會因?yàn)闇y量部件的表面磨損而導(dǎo)致測量精度下降。
3、結(jié)構(gòu)簡單。容柵傳感器的敏感元件主要由動?xùn)藕挽o柵組成,信號線可以全部從靜柵上引出,作為運(yùn)動部件的動?xùn)趴梢詻]有引線,為傳感器的設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)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(dá)到每秒50次。
5、功耗極小。正常工作電流小于10mA,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(diǎn),可以設(shè)計(jì)出準(zhǔn)絕對式的位移傳感器。
6、在價(jià)格上有很大優(yōu)勢,其性能價(jià)格比遠(yuǎn)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(zhǔn)絕對式傳感器在長期斷電工作時(shí),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(zhuǎn)編碼器將容柵全部的結(jié)構(gòu)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(chǔ)。
二、容柵旋轉(zhuǎn)編碼器的結(jié)構(gòu)和測量原理
1、容柵旋轉(zhuǎn)編碼器的結(jié)構(gòu)組成
容柵旋轉(zhuǎn)編碼器分動?xùn)藕挽o柵二部分,都為精密加工的印刷電路板。動?xùn)派嫌邪l(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?xùn)派瞎灿?8個發(fā)射電極,發(fā)射極的極距按實(shí)際要求可變,每4個發(fā)射極對應(yīng)于一個反射極。動?xùn)派厦?個發(fā)射電極為一組,共6組。對每組發(fā)射極進(jìn)行編號A到H同編號的發(fā)射極電路上相連。運(yùn)行時(shí),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(zhuǎn)式容柵編碼器的結(jié)構(gòu)圖。
2、容柵傳感器測量原理
在動?xùn)艝琶婢幪枮锳~H發(fā)射電極上分別加上8個等幅、同頻、相位依次相差p/4的方波激勵電壓信號(i=0,1,2,…,7)。每組編號相同的發(fā)射極都加以相同的激勵信號,經(jīng)過兩對電容耦合在接收極上形成容柵電壓信號。由于各組中序號相同的發(fā)射極和反射極的相對位置相同,所以可以將48個發(fā)射極和對應(yīng)的反射極板間的電容簡化為到的8個電容器。Cf代表反射極與接收極相互耦合之后形成的電容器,由于接收極在動?xùn)乓苿臃较蛏系拈L度恰好為一組反射極長度的整數(shù)倍,又由于反射極是周期性排列的,所以接收極和反射極的相互覆蓋面積不隨位移變化,即Cf為一個常數(shù)。圖2所示為其等效電路圖[2]。
容柵工作時(shí),施加發(fā)射電極上的周期激勵信號,通過發(fā)射極與反射極、反射極與接收極兩對電容耦合,在接收極上形成合成信號。傳感器輸入、輸出信號與各電極之間電容耦合關(guān)系如圖3[1]。
一組激勵信號(i=0,1,2,…,7)通過一組電容(i=0,1,2,…,7)和定值電容Cf耦合后,得到傳感器的輸出信號。不考慮激勵信號的輸出阻抗,并作歸一化處理,可得:
(1)
把和作傅立葉展開,選擇合適的零點(diǎn),可視為偶函數(shù):
(2)
(3)
式中,T—激勵信號的周期;
W—靜柵反射極板的節(jié)距。
容柵處理電路會濾去高次諧波,在這里采用基波求解,并作歸一化處理,把公式(2)(3)代入(1)得:
(4)
在勻速旋轉(zhuǎn)的條件下,由激勵信號和電容的特點(diǎn)可得:
(5)
式中,k為一常系數(shù),正負(fù)由動?xùn)藕挽o柵的相對運(yùn)動方向決定。
從公式(5)可知,輸出信號的電位相與容柵傳感器的位移有一一對應(yīng)關(guān)系(在一個周期內(nèi)是單值函數(shù)),調(diào)相信號是一個周期信號,動?xùn)藕挽o柵每相對運(yùn)動一組發(fā)射極的寬度,調(diào)相信號變化一個周期。根據(jù)這個原理可以通過鑒相器鑒別調(diào)相信號的相位變化,從而推算出動?xùn)藕挽o柵的相對位移。同時(shí)還可以通過可逆計(jì)數(shù)器記錄輸出信號周期變化數(shù),實(shí)現(xiàn)長距離的測量。接收極上的輸出信號并不能直接送鑒相電路使用,在這之前還需要經(jīng)過解調(diào)、濾波、放大和整形,形成方波,最后通過鑒相器輸出位移信息送顯示。圖4為鑒相型容柵傳感器的測量原理圖[2]。
3、容柵旋轉(zhuǎn)編碼器的數(shù)據(jù)傳遞
容柵旋轉(zhuǎn)編碼器的核心部件是容柵集成芯片,它負(fù)責(zé)把傳感器的位置信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號輸出。容柵芯片有4根引出線,分別為+1.5V、CLK、DATA和0V線。其中+1.5V和0V線為電源線和地線,CLK和DATA線為同步時(shí)鐘信號線和數(shù)據(jù)線。
CLK信號為同步時(shí)鐘信號,在一次數(shù)據(jù)傳送中,開始為54ms的高電平,表示數(shù)據(jù)即將開始傳送;接下來是兩段各有24個寬度為13ms的窄脈沖,前后兩段窄脈沖之間有110ms的高電平作為間隔;最后是75ms的高電平,以示數(shù)據(jù)傳送結(jié)束。具體波形如圖5。容柵旋轉(zhuǎn)編碼器的數(shù)據(jù)傳送是周期性的,在慢速狀態(tài)下,周期間隔為250ms,在快速狀態(tài)時(shí),為20ms。
DATA信號為數(shù)據(jù)信號,它包含了編碼器的位移信息。在數(shù)據(jù)采集時(shí),容柵芯片在CLK信號窄脈沖的下降沿對DATA信號進(jìn)行采樣,先后采樣兩組24位數(shù)據(jù)。一組為絕對數(shù)據(jù),另一組為相對數(shù)據(jù)。絕對數(shù)的初值只受上電影響,相對數(shù)據(jù)初值由數(shù)據(jù)清零信號控制。
三、容柵旋轉(zhuǎn)編碼器的關(guān)鍵技術(shù)
容柵編碼器有功耗低、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。但其工作容易受到外界的干擾,影響工作穩(wěn)定性。所以在設(shè)計(jì)容柵編碼器時(shí),需要一些特殊措施來抵抗干擾,提高穩(wěn)定性。
環(huán)境對容柵編碼器的工作影響很大,特別是濕度。電容傳感器主要是通過兩極板之間的電容量變化來反映相應(yīng)的被測量變化。在大濕度的情況下,會改變兩極板間的介電常數(shù)影響電容值,同時(shí)也使容柵電路的漏電流明顯增大,使容柵編碼器工作的穩(wěn)定性將受到削弱。因此,建立一個良好的容柵工作小環(huán)境,使其免受外界環(huán)境的影響,對其能否可靠工作非常重要。
容柵編碼器是靠電容極板傳遞信號,因此保證極板之間的電場穩(wěn)定是容柵位移信號能夠正常無誤傳遞的前提。由于容柵編碼器經(jīng)常用于工業(yè)環(huán)境,其現(xiàn)場工作環(huán)境很差,常伴有大功率的電磁干擾,將容柵核心部件全部密封在金屬殼內(nèi),而非像一般的容柵數(shù)顯產(chǎn)品把靜柵暴露于環(huán)境中,這樣既有效的進(jìn)行了電磁屏蔽,同時(shí)隔絕了外界水汽、油污,使編碼器能在一個相對良好的環(huán)境中工作。
容柵的動?xùn)藕挽o柵的屏蔽極都要有效的接地,起隔離屏蔽和消除寄生電容的作用。實(shí)際中,動?xùn)藕挽o柵相互獨(dú)立,沒有任何連線,這就需要通過外界搭橋,一般情況下,編碼器的外殼就起這樣的作用。動?xùn)派霞傻娜輺判酒恼龢O通常和動?xùn)牌帘螛O相連,這就有可能由于后續(xù)電路接地引起電池短路。因此在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí),必須考慮這個特點(diǎn),在設(shè)計(jì)上采取針對性措施,對電路進(jìn)行隔離,來解決因后續(xù)電路接地帶來的電池短路問題。
容柵編碼器是一種準(zhǔn)絕對式傳感器。在平時(shí)全靠內(nèi)部電池維持其正常工作,因此,電池問題不容忽視。經(jīng)過實(shí)際操作證明在電池電壓降低時(shí),將產(chǎn)生許多不可預(yù)料的情況。采用超級電容和電池并聯(lián)工作,可以有效的降低電池的功耗,延長容柵編碼器的工作時(shí)間。同時(shí),通過設(shè)計(jì)電路實(shí)測電池電壓報(bào)警,盡量避免由于電池電量不足影響編碼器正常工作。
除了以上幾點(diǎn),還需要其他的一些軟件和硬件上的輔助措施,才能保證容柵編碼器正常穩(wěn)定的工作。
四、容柵旋轉(zhuǎn)編碼器的應(yīng)用
容柵旋轉(zhuǎn)編碼器具有測量分辨率高、量程大,可以應(yīng)用于大位移(角位移)測量。表1列出了不同節(jié)距數(shù)時(shí),容柵旋轉(zhuǎn)編碼器的分辨率可達(dá)到的精度和測量量程。
利用上述性能,可作為多圈角位移的高精度測量。如絲杠推進(jìn)位移的高精度控制,借助齒條、鏈條、線束傳動,可以將角位移轉(zhuǎn)換為線位移。用容柵編碼器作大位移測量,如長行程油缸的位移,堆取料機(jī)在軌道上定位等,筆者曾將容柵編碼器用于超大型構(gòu)件水平推進(jìn)的同步控制,取得良好效果。
容柵旋轉(zhuǎn)編碼器類似于絕對式編碼器,其機(jī)電轉(zhuǎn)換部件由內(nèi)置電池供電,其信號發(fā)送部件由外接電源供電。當(dāng)外接電源斷開時(shí),雖然不輸出數(shù)據(jù),但傳感器還是在內(nèi)部電池支持下工作,對角位移的變化做出反應(yīng),在任何時(shí)間都能取得正確數(shù)據(jù)。因?yàn)橐袃?nèi)部電池支持,這類傳感器被稱作準(zhǔn)絕對式傳感器。由于傳感器耗電極?。?0mA)更換一粒鈕扣電池可工作一年以上。與led= p= target=_blank www.epdoc.cn=>
容柵編碼器采用RS-422通訊接口,便于計(jì)算機(jī)接口,也便于進(jìn)行長距離的信號傳遞。每個傳感器可設(shè)置其ID編碼號,便于實(shí)現(xiàn)多個傳感器信號的網(wǎng)絡(luò)傳遞。容柵編碼器數(shù)據(jù)測量周期最短為20ms,數(shù)據(jù)長度為4字節(jié),可以和一般的串行通訊速率相匹配。
五、結(jié)束語
隨著容柵技術(shù)的應(yīng)用,容柵編碼器破殼而出。憑借其優(yōu)異的性能和可靠性的不斷改進(jìn),容柵編碼器必將越來越受到關(guān)注,在今后的編碼器市場上占據(jù)自己的一席。
評論