當(dāng)前位置:首頁(yè) > 電源 > 數(shù)字電源
[導(dǎo)讀]一、前言以旋轉(zhuǎn)容柵編碼器為例,簡(jiǎn)述容柵傳感器的測(cè)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(guò)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。 電容傳感器具有測(cè)量分

一、前言

以旋轉(zhuǎn)容柵編碼器為例,簡(jiǎn)述容柵傳感器的測(cè)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(guò)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。

    電容傳感器具有測(cè)量分辨力和測(cè)量準(zhǔn)確度高等特點(diǎn),在很多場(chǎng)合被作為高精測(cè)量?jī)x器使用,但因其自身缺陷,只能使用在微小位移的測(cè)量中,無(wú)法滿足大位移測(cè)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(cè)量的精度和范圍,實(shí)現(xiàn)了大位移高精度測(cè)量。

    容柵傳感器相對(duì)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(cè)量時(shí),分辨率為2mm時(shí),量程可達(dá)到20m,在角位移測(cè)量時(shí),分辨率為0.1°時(shí),量程為4096圈。其測(cè)量速度也比較高,測(cè)量線速度可達(dá)到1.5m/s。
    2、容柵測(cè)量屬非接觸式測(cè)量,因此容柵傳感器具有非接觸傳感器的優(yōu)點(diǎn),諸如測(cè)量時(shí)摩擦阻力可以減到最小,不會(huì)因?yàn)闇y(cè)量部件的表面磨損而導(dǎo)致測(cè)量精度下降。
    3、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。容柵傳感器的敏感元件主要由動(dòng)?xùn)藕挽o柵組成,信號(hào)線可以全部從靜柵上引出,作為運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)?xùn)趴梢詻]有引線,為傳感器的設(shè)計(jì)帶來(lái)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(zhǎng)距離傳送信號(hào),幾乎無(wú)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(zhǎng)期工作,一粒鈕扣電池可以連續(xù)工作1年以上。利用這個(gè)特點(diǎn),可以設(shè)計(jì)出準(zhǔn)絕對(duì)式的位移傳感器。
    6、在價(jià)格上有很大優(yōu)勢(shì),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(wèn)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(duì)式傳感器在長(zhǎng)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(zhǎng)期自動(dòng)測(cè)量。

    容柵編碼器是以脈沖數(shù)字量來(lái)表示容柵傳感器敏感元件間相對(duì)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(dòng)測(cè)量奠定了基礎(chǔ)。

 


二、容柵旋轉(zhuǎn)編碼器的結(jié)構(gòu)和測(cè)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(dòng)?xùn)藕挽o柵二部分,都為精密加工的印刷電路板。動(dòng)?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(dòng)?xùn)派瞎灿?8個(gè)發(fā)射電極,發(fā)射極的極距按實(shí)際要求可變,每4個(gè)發(fā)射極對(duì)應(yīng)于一個(gè)反射極。動(dòng)?xùn)派厦?個(gè)發(fā)射電極為一組,共6組。對(duì)每組發(fā)射極進(jìn)行編號(hào)A到H同編號(hào)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(duì),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(cè)量原理

    在動(dòng)?xùn)艝琶婢幪?hào)為A~H發(fā)射電極上分別加上8個(gè)等幅、同頻、相位依次相差p/4的方波激勵(lì)電壓信號(hào) (i=0,1,2,…,7)。每組編號(hào)相同的發(fā)射極都加以相同的激勵(lì)信號(hào),經(jīng)過(guò)兩對(duì)電容耦合在接收極上形成容柵電壓信號(hào)  。由于各組中序號(hào)相同的發(fā)射極和反射極的相對(duì)位置相同,所以可以將48個(gè)發(fā)射極和對(duì)應(yīng)的反射極板間的電容簡(jiǎn)化為  到  的8個(gè)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(dòng)?xùn)乓苿?dòng)方向上的長(zhǎng)度恰好為一組反射極長(zhǎng)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(gè)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(lì)信號(hào),通過(guò)發(fā)射極與反射極、反射極與接收極兩對(duì)電容耦合,在接收極上形成合成信號(hào)。傳感器輸入、輸出信號(hào)與各電極之間電容耦合關(guān)系如圖3[1]。

 

一組激勵(lì)信號(hào)  (i=0,1,2,…,7)通過(guò)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(hào)  。不考慮激勵(lì)信號(hào)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(lì)信號(hào)的周期;

    W—靜柵反射極板的節(jié)距。

    容柵處理電路會(huì)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(lì)信號(hào)  和電容  的特點(diǎn)可得:

       (5)

    式中,k為一常系數(shù),正負(fù)由動(dòng)?xùn)藕挽o柵的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向決定。

     從公式(5)可知,輸出信號(hào)  的電位相與容柵傳感器的位移有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系(在一個(gè)周期內(nèi)是單值函數(shù)),調(diào)相信號(hào)是一個(gè)周期信號(hào),動(dòng)?xùn)藕挽o柵每相對(duì)運(yùn)動(dòng)一組發(fā)射極的寬度,調(diào)相信號(hào)變化一個(gè)周期。根據(jù)這個(gè)原理可以通過(guò)鑒相器鑒別調(diào)相信號(hào)的相位變化,從而推算出動(dòng)?xùn)藕挽o柵的相對(duì)位移。同時(shí)還可以通過(guò)可逆計(jì)數(shù)器記錄輸出信號(hào)周期變化數(shù),實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的測(cè)量。接收極上的輸出信號(hào)并不能直接送鑒相電路使用,在這之前還需要經(jīng)過(guò)解調(diào)́、濾波、放大和整形,形成方波,最后通過(guò)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(cè)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(hào)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(hào)線和數(shù)據(jù)線。

    CLK信號(hào)為同步時(shí)鐘信號(hào),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(lái)是兩段各有24個(gè)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(hào)為數(shù)據(jù)信號(hào),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(hào)窄脈沖的下降沿對(duì)DATA信號(hào)進(jìn)行采樣,先后采樣兩組24位數(shù)據(jù)。一組為絕對(duì)數(shù)據(jù),另一組為相對(duì)數(shù)據(jù)。絕對(duì)數(shù)的初值只受上電影響,相對(duì)數(shù)據(jù)初值由數(shù)據(jù)清零信號(hào)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(lái)抵抗干擾,提高穩(wěn)定性。

    環(huán)境對(duì)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(guò)兩極板之間的電容量變化來(lái)反映相應(yīng)的被測(cè)量變化。在大濕度的情況下,會(huì)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(gè)良好的容柵工作小環(huán)境,使其免受外界環(huán)境的影響,對(duì)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(hào),因此保證極板之間的電場(chǎng)穩(wěn)定是容柵位移信號(hào)能夠正常無(wú)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(chǎng)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(gè)相對(duì)良好的環(huán)境中工作。

    容柵的動(dòng)?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(dòng)?xùn)藕挽o柵相互獨(dú)立,沒有任何連線,這就需要通過(guò)外界搭橋,一般情況下,編碼器的外殼就起這樣的作用。動(dòng)?xùn)派霞傻娜輺判酒恼龢O通常和動(dòng)?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(gè)特點(diǎn),在設(shè)計(jì)上采取針對(duì)性措施,對(duì)電路進(jìn)行隔離,來(lái)解決因后續(xù)電路接地帶來(lái)的電池短路問(wèn)題。

    容柵編碼器是一種準(zhǔn)絕對(duì)式傳感器。在平時(shí)全靠?jī)?nèi)部電池維持其正常工作,因此,電池問(wèn)題不容忽視。經(jīng)過(guò)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(jí)電容和電池并聯(lián)工作,可以有效的降低電池的功耗,延長(zhǎng)容柵編碼器的工作時(shí)間。同時(shí),通過(guò)設(shè)計(jì)電路實(shí)測(cè)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(cè)量分辨率高、量程大,可以應(yīng)用于大位移(角位移)測(cè)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(cè)量量程。

     利用上述性能,可作為多圈角位移的高精度測(cè)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(dòng),可以將角位移轉(zhuǎn)換為線位移。用容柵編碼器作大位移測(cè)量,如長(zhǎng)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(duì)式編碼器,其機(jī)電轉(zhuǎn)換部件由內(nèi)置電池供電,其信號(hào)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(duì)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(duì)式傳感器。由于傳感器耗電極?。?lt;10mA)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(zhǎng)距離的信號(hào)傳遞。每個(gè)傳感器可設(shè)置其ID編碼號(hào),便于實(shí)現(xiàn)多個(gè)傳感器信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)傳遞。容柵編碼器數(shù)據(jù)測(cè)量周期最短為20ms,數(shù)據(jù)長(zhǎng)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(yǔ)

    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(lái)越受到關(guān)注,在今后的編碼器市場(chǎng)上占據(jù)自己的一席。

本站聲明: 本文章由作者或相關(guān)機(jī)構(gòu)授權(quán)發(fā)布,目的在于傳遞更多信息,并不代表本站贊同其觀點(diǎn),本站亦不保證或承諾內(nèi)容真實(shí)性等。需要轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系該專欄作者,如若文章內(nèi)容侵犯您的權(quán)益,請(qǐng)及時(shí)聯(lián)系本站刪除。
換一批
延伸閱讀

9月2日消息,不造車的華為或?qū)⒋呱龈蟮莫?dú)角獸公司,隨著阿維塔和賽力斯的入局,華為引望愈發(fā)顯得引人矚目。

關(guān)鍵字: 阿維塔 塞力斯 華為

倫敦2024年8月29日 /美通社/ -- 英國(guó)汽車技術(shù)公司SODA.Auto推出其旗艦產(chǎn)品SODA V,這是全球首款涵蓋汽車工程師從創(chuàng)意到認(rèn)證的所有需求的工具,可用于創(chuàng)建軟件定義汽車。 SODA V工具的開發(fā)耗時(shí)1.5...

關(guān)鍵字: 汽車 人工智能 智能驅(qū)動(dòng) BSP

北京2024年8月28日 /美通社/ -- 越來(lái)越多用戶希望企業(yè)業(yè)務(wù)能7×24不間斷運(yùn)行,同時(shí)企業(yè)卻面臨越來(lái)越多業(yè)務(wù)中斷的風(fēng)險(xiǎn),如企業(yè)系統(tǒng)復(fù)雜性的增加,頻繁的功能更新和發(fā)布等。如何確保業(yè)務(wù)連續(xù)性,提升韌性,成...

關(guān)鍵字: 亞馬遜 解密 控制平面 BSP

8月30日消息,據(jù)媒體報(bào)道,騰訊和網(wǎng)易近期正在縮減他們對(duì)日本游戲市場(chǎng)的投資。

關(guān)鍵字: 騰訊 編碼器 CPU

8月28日消息,今天上午,2024中國(guó)國(guó)際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會(huì)開幕式在貴陽(yáng)舉行,華為董事、質(zhì)量流程IT總裁陶景文發(fā)表了演講。

關(guān)鍵字: 華為 12nm EDA 半導(dǎo)體

8月28日消息,在2024中國(guó)國(guó)際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會(huì)上,華為常務(wù)董事、華為云CEO張平安發(fā)表演講稱,數(shù)字世界的話語(yǔ)權(quán)最終是由生態(tài)的繁榮決定的。

關(guān)鍵字: 華為 12nm 手機(jī) 衛(wèi)星通信

要點(diǎn): 有效應(yīng)對(duì)環(huán)境變化,經(jīng)營(yíng)業(yè)績(jī)穩(wěn)中有升 落實(shí)提質(zhì)增效舉措,毛利潤(rùn)率延續(xù)升勢(shì) 戰(zhàn)略布局成效顯著,戰(zhàn)新業(yè)務(wù)引領(lǐng)增長(zhǎng) 以科技創(chuàng)新為引領(lǐng),提升企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力 堅(jiān)持高質(zhì)量發(fā)展策略,塑強(qiáng)核心競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)...

關(guān)鍵字: 通信 BSP 電信運(yùn)營(yíng)商 數(shù)字經(jīng)濟(jì)

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 8月21日,由中央廣播電視總臺(tái)與中國(guó)電影電視技術(shù)學(xué)會(huì)聯(lián)合牽頭組建的NVI技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟在BIRTV2024超高清全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展研討會(huì)上宣布正式成立。 活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng) NVI技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)...

關(guān)鍵字: VI 傳輸協(xié)議 音頻 BSP

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 在8月23日舉辦的2024年長(zhǎng)三角生態(tài)綠色一體化發(fā)展示范區(qū)聯(lián)合招商會(huì)上,軟通動(dòng)力信息技術(shù)(集團(tuán))股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱"軟通動(dòng)力")與長(zhǎng)三角投資(上海)有限...

關(guān)鍵字: BSP 信息技術(shù)
關(guān)閉
關(guān)閉