一、前语
以旋转容栅编码器为例，简述容栅传感器的丈量原理及其结构，剖析容栅本身以及容栅芯片的特色，经过机械组织规划和容栅编码器后续电路规划，进步其作业牢靠性，并使用于实践工程中。
电容传感器具有丈量分辨力和丈量准确度高级特色，在许多场合被作为高精丈量仪器运用，但因其本身缺点，只能运用在细小位移的丈量中，无法满意大位移丈量的要求。80年代容栅传感器的呈现，完全的改动了这种状况。学习了光栅的结构方式，工程师把电容做成栅型，大大进步了丈量的精度和规模，完成了大位移高精度丈量。
容栅传感器相对于其他类型的传感器有许多杰出的长处[2]：
1、量程大、分辨率高。在线位移丈量时，分辨率为2mm时，量程可到达20m，在角位移丈量时，分辨率为0.1°时，量程为4096圈。其丈量速度也比较高，丈量线速度可到达1.5m/s。
2、容栅丈量属非触摸式丈量，因而容栅传感器具有非触摸传感器的长处，比如丈量时摩擦阻力能够减到最小，不会因为丈量部件的外表磨损而导致丈量精度下降。
3、结构简略。容栅传感器的灵敏元件主要由动栅和静栅组成，信号线能够悉数从静栅上引出，作为运动部件的动栅能够没有引线，为传感器的规划带来很大的便利。
4、配用专用集成电路的容栅传感器是一种数字传感器，和计算机的接口便利，便于长距离传送信号，简直无数据传输差错。数据更新速率能够到达每秒50次。
5、功耗极小。正常作业电流小于10mA，传感器灵敏元件能够长时刻作业，一粒钮扣电池能够接连作业1年以上。运用这个特色，能够规划出准肯定式的位移传感器。
6、在价格上有很大优势，其功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安稳性和牢靠性，环境湿润和外界电磁搅扰的影响尤为显着，其次作为准肯定式传感器在长时刻断电作业时，需求定时替换电池，所以难于作为传感器用于长时刻主动丈量。
容栅编码器是以脉冲数字量来表明容栅传感器灵敏元件间相对方位信息，本文研讨的容栅旋转编码器将容栅悉数的结构密封在金属壳内，大大进步了容栅传感器的电磁兼容性和抗环境污染才干，为容栅原理用于主动丈量奠定了根底。
二、容栅旋转编码器的结构和丈量原理
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，都为精细加工的印刷电路板。动栅上有发射极和接纳极，在发射极和接纳极之间有屏蔽极，防止发射极到接纳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共同，屏蔽极需牢靠接地。动栅上共有48个发射电极，发射极的极距按实践要求可变，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，距离在0.1mm左右。图1所示的是旋转式容栅编码器的结构图。
2、容栅传感器丈量原理
在动栅栅面编号为A～H发射电极上别离加上8个等幅、同频、相位顺次相差p/4的方波鼓励电压信号 （i=0，1，2，…，7）。每组编号相同的发射极都加以相同的鼓励信号，经过两对电容耦合在接纳极上构成容栅电压信号 。因为各组中序号相同的发射极和反射极的相对方位相同，所以能够将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代表反射极与接纳极彼此耦合之后构成的电容器，因为接纳极在动栅移动方向上的长度刚好为一组反射极长度的整数倍，又因为反射极是周期性摆放的，所以接纳极和反射极的彼此覆盖面积不随位移改动，即Cf为一个常数。图2所示为其等效电路图[2]。
容栅作业时，施加发射电极上的周期鼓励信号，经过发射极与反射极、反射极与接纳极两对电容耦合，在接纳极上构成组成信号。传感器输入、输出信号与各电极之间电容耦合联系如图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议。
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联系（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，调相信号改动一个周期。依据这个原理能够经过鉴相器辨别调相信号的相位改动，然后计算出动栅和静栅的相对位移。一起还能够经过可逆计数器记载输出信号周期改动数，完成长距离的丈量。接纳极上的输出信号并不能直接送鉴相电路运用，在这之前还需求经过解调́、滤波、放大和整形，构成方波，最终经过鉴相器输出位移信息送显现。图4为鉴相型容栅传感器的丈量原理图[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，它担任把传感器的方位信息转化为数字信号输出。容栅芯片有4根引出线，别离为+1.5V、CLK、DATA和0V线。其间+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，开端为54ms的高电平，表明数据行将开端传送；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的高电平作为距离；最终是75ms的高电平，以示数据传送完毕。详细波形如图5。容栅旋转编码器的数据传送是周期性的，在慢速状况下，周期距离为250ms，在快速状况时，为20ms。
DATA信号为数据信号，它包含了编码器的位移信息。在数据收集时，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。一组为肯定数据，另一组为相对数据。肯定数的初值只受上电影响，相对数据初值由数据清零信号操控。
三、容栅旋转编码器的关键技能
容栅编码器有功耗低、性价比高级长处。但其作业简单遭到外界的搅扰，影响作业安稳性。所以在规划容栅编码器时，需求一些特别办法来反抗搅扰，进步安稳性。
环境对容栅编码器的作业影响很大，特别是湿度。电容传感器主要是经过两极板之间的电容量改动来反映相应的被丈量改动。在大湿度的状况下，会改动两极板间的介电常数影响电容值，一起也使容栅电路的漏电流显着增大，使容栅编码器作业的安稳性将遭到削弱。因而，树立一个杰出的容栅作业小环境，使其免受外界环境的影响，对其能否牢靠作业非常重要。
容栅编码器是靠电容极板传递信号，因而确保极板之间的电场安稳是容栅位移信号能够正常无误传递的条件。因为容栅编码器常常用于工业环境，其现场作业环境很差，常伴有大功率的电磁搅扰，将容栅核心部件悉数密封在金属壳内，而非像一般的容栅数显产品把静栅露出于环境中，这样既有用的进行了电磁屏蔽，一起隔绝了外界水汽、油污，使编码器能在一个相对杰出的环境中作业。
容栅的动栅和静栅的屏蔽极都要有用的接地，起阻隔屏蔽和消除寄生电容的作用。实践中，动栅和静栅彼此独立，没有任何连线，这就需求经过外界搭桥，一般状况下，编码器的外壳就起这样的作用。动栅上集成的容栅芯片的正极一般和动栅屏蔽极相连，这就有或许因为后续电路接地引起电池短路。因而在进行电路规划时，有必要考虑这个特色，在规划上采纳针对性办法，对电路进行阻隔，来处理因后续电路接地带来的电池短路问题。
容栅编码器是一种准肯定式传感器。在平常全赖内部电池保持其正常作业，因而，电池问题不容忽视。经过实践操作证明在电池电压下降时，将发生许多不行意料的状况。选用超级%&&&&&%和电池并联作业，能够有用的下降电池的功耗，延伸容栅编码器的作业时刻。一起，经过规划电路实测电池电压报警，尽量防止因为电池电量缺乏影响编码器正常作业。
除了以上几点，还需求其他的一些软件和硬件上的辅佐办法，才干确保容栅编码器正常安稳的作业。
四、容栅旋转编码器的使用
容栅旋转编码器具有丈量分辨率高、量程大，能够使用于大位移（角位移）丈量。表1列出了不同节距数时，容栅旋转编码器的分辨率可到达的精度和丈量量程。
运用上述功能，可作为多圈角位移的高精度丈量。如丝杠推动位移的高精度操控，凭仗齿条、链条、线束传动，能够将角位移转化为线位移。用容栅编码器作大位移丈量，如长行程油缸的位移，堆取料机在轨道上定位等，笔者曾将容栅编码器用于超大型构件水平推动的同步操控，获得杰出作用。
容栅旋转编码器类似于肯定式编码器，其机电转化部件由内置电池供电，其信号发送部件由外接电源供电。当外接电源断开时，尽管不输出数据，但传感器仍是在内部电池支撑下作业，对角位移的改动做出反响，在任何时刻都能获得正确数据。因为要有内部电池支撑，这类传感器被称作准肯定式传感器。因为传感器耗电极小（<10mA）替换一粒钮扣电池可作业一年以上。与led容栅编码器选用RS-422通讯接口，便于计算机接口，也便于进行长距离的信号传递。每个传感器可设置其ID编码号，便于完成多个传感器信号的网络传递。容栅编码器数据丈量周期最短为20ms，数据长度为4字节，能够和一般的串行通讯速率相匹配。
五、完毕语
跟着容栅技能的使用，容栅编码器破壳而出。凭仗其优异的功能和牢靠性的不断改进，容栅编码器必将越来越遭到重视，在往后的编码器市场上占有自己的一席。
