摘要：以旋轉容柵編碼器為例，簡述容柵傳感器的測量原理及其結構，分析容柵自身以及容柵芯片的特點，通過機械機構設計和容柵編碼器后續電路設計，提高其工作可靠性，并應用于實際工程中。

一、引言

電容傳感器具有測量分辨力和測量準確度高等特點，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，徹底的改變了這種情況。借鑒了光柵的結構形式，工程師把電容做成柵型，大大提高了測量的精度和范圍，實現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點：

1)量程大、分辨率高。在線位移測量時，分辨率為2μm時，量程可達到20m，在角位移測量時，分辨率為0.1°時，量程為4096圈。其測量速度也比較高，測量線速度可達到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點，諸如測量時摩擦阻力可以減到最小，不會因為測量部件的表面磨損而導致測量精度下降。
     3)結構簡單。容柵傳感器的敏感元件主要由動柵和靜柵組成，信號線可以全部從靜柵上引出，作為運動部件的動柵可以沒有引線，為傳感器的設計帶來很大的方便。
     4)配用專用集成電路的容柵傳感器是一種數字傳感器，和計算機的接口方便，便于長距離傳送信號，幾乎無數據傳輸誤差。數據更新速率可以達到每秒50 次。
     5)功耗極小。正常工作電流小于10μA，傳感器敏感元件可以長期工作，一粒鈕扣電池可以連續工作1 年以上。利用這個特點，可以設計出準絕對式的位移傳感器。
     6)在價格上有很大優勢，其性能價格比遠高于同類傳感器。

容柵傳感器有最主要的問題是穩定性和可靠性，環境潮濕和外界電磁干擾的影響尤為顯著，其次作為準絕對式傳感器在長期斷電工作時，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編碼器將容柵全部的結構密封在金屬殼內，大大提高了容柵傳感器的電磁兼容性和抗環境污染能力，為容柵原理用于自動測量奠定了基礎。

二、容柵旋轉編碼器的結構和測量原理

1 容柵旋轉編碼器的結構組成

容柵旋轉編碼器分動柵和靜柵二部分，都為精密加工的印刷電路板。動柵上有發射極和接收極，在發射極和接收極之間有屏蔽極，避免發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。動柵上共有48個發射電極，發射極的極距按實際要求可變，每4個發射極對應于一個反射極。動柵上每8個發射電極為一組，共6組。對每組發射極進行編號A到H同編號的發射極電路上相連。運行時，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所示的是旋轉式容柵編碼器的結構圖。

2 容柵傳感器測量原理

在動柵柵面編號為A～H發射電極上分別加上8個等幅、同頻、相位依次相差π/4的方波激勵電壓信號ui(t)(i=0，1，2，……，7)。每組編號相同的發射極都加以相同的激勵信號，經過兩對電容耦合在接收極上形成容柵電壓信號u0(x，t)。由于各組中序號相同的發射極和反射極的相對位置相同，所以可以將48個發射極和對應的反射極板間的電容簡化為c1(x)到c8(x)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，由于接收極在動柵移動方向上的長度恰好為一組反射極長度的整數倍，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。圖2所示為其等效電路圖。

容柵工作時，施加發射電極上的周期激勵信號，通過發射極與反射極、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系如圖3。

一組激勵信號ui(t)(i=0，1，2，……，7)通過一組電容ci(x)(i=0，1，2，……，7)和定值電容Cf耦合后，得到傳感器的輸出信號u0(x，t)。不考慮激勵信號的輸出阻抗，并作歸一化處理，可得：

式中，k為一常系數，正負由動柵和靜柵的相對運動方向決定。