絕對(duì)式容柵測(cè)量技術(shù)淺析

北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京 100074

一、引言

在計(jì)算機(jī)信息技術(shù)、自動(dòng)化數(shù)字測(cè)量技術(shù)快速發(fā)展的今天，數(shù)顯量具在各種制造業(yè)，尤其是傳統(tǒng)機(jī)械制造業(yè)中，正以強(qiáng)勁的勢(shì)頭替代傳統(tǒng)的機(jī)械量具和氣動(dòng)量具，成為生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)使用中占主導(dǎo)的先進(jìn)測(cè)量器具[1]。日本三豐、瑞士TESA和Sylvac、德國Mahr以及英國Bowers等世界著名量具制造廠商開發(fā)的數(shù)顯量具技術(shù)，引領(lǐng)著該領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)，數(shù)顯量具產(chǎn)品在國外工業(yè)發(fā)達(dá)國家的制造業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中已經(jīng)得到推廣普及；同樣，在我國汽車制造業(yè)、壓縮機(jī)、家電制造業(yè)等產(chǎn)品零部件的先進(jìn)生產(chǎn)流水線上，數(shù)顯量具也得到了很好應(yīng)用。由于具有良好防水防塵性能、測(cè)量數(shù)據(jù)/圖形顯示和輸出、測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理分析和故障診斷等優(yōu)異使用功能，同時(shí)又具有可靠的精度，適于在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)使用，使電子數(shù)顯量具量儀成為提高機(jī)械制造精度和加工效率的重要工具和手段[2]。

目前，在數(shù)字化數(shù)顯位移傳感技術(shù)和產(chǎn)品中，主要有光柵、容柵、磁柵、球柵和感應(yīng)同步器等。幾大類產(chǎn)品各有優(yōu)勢(shì)、互為補(bǔ)充，在競(jìng)爭(zhēng)中都得到不同程度的發(fā)展。而在通用數(shù)顯量具方面，容柵數(shù)顯量具的產(chǎn)量大，應(yīng)用廣泛，各類數(shù)顯卡尺、數(shù)顯百分表、數(shù)顯千分表、數(shù)顯千分尺以及數(shù)顯內(nèi)、外徑表等等，品種繁多，性能各異。容柵數(shù)顯位移傳感技術(shù)和產(chǎn)品以其結(jié)構(gòu)簡單、對(duì)使用環(huán)境要求不高、測(cè)量速度塊、能耗低等優(yōu)點(diǎn)得到最為廣泛的應(yīng)用[3,4]。

二、容柵數(shù)顯位移傳感技術(shù)

常見的容柵數(shù)顯量具大多為采用相對(duì)式容柵測(cè)量技術(shù)，其傳感器結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

相對(duì)式容柵傳感器由動(dòng)?xùn)虐搴投虐鍍刹糠纸M成。動(dòng)?xùn)虐宓恼嫜b有專用大規(guī)模集成電路、液晶顯示器件及數(shù)據(jù)傳送用輸出接口，背面有發(fā)射極和接收極兩部分。發(fā)射極共有48個(gè)小發(fā)射極，分成6組，每組各有8個(gè)小發(fā)射極。小發(fā)射極板寬度為L0，每8個(gè)小發(fā)射極所占的寬度稱為一個(gè)節(jié)距S，S=8L0；其大小與傳感器的分辨率有關(guān)。接收極為一長金屬條，處于發(fā)射極的下方，長為5個(gè)節(jié)距，與中間5組發(fā)射極相對(duì)應(yīng)，即前后各空出4個(gè)小發(fā)射極，這是為了消除邊緣效應(yīng)。定柵板是在環(huán)氧敷銅板上腐蝕出寬為S/2、間隔亦為S/2的與其他部分絕緣的小矩形方格，表面粘貼絕緣保護(hù)層，這些小方格稱為反射極，其他連通部分屏蔽接地，對(duì)測(cè)量沒有影響[5]。

動(dòng)?xùn)虐逭龑?duì)定柵板安裝，每組發(fā)射極中有4個(gè)小發(fā)射極正對(duì)定柵板的屏蔽地，測(cè)量中不起作用。在測(cè)量時(shí)，將發(fā)射電壓加至發(fā)射極上，通過電容耦合，在反射極上產(chǎn)生電荷Qf，從而有電壓Vf；又通過電容耦合在接收極板上產(chǎn)生電荷Qr，從而有電壓Vr，這就是傳感器的輸出信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了機(jī)械位移量到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

容柵傳感器的輸出可近似用如下表達(dá)式來定義：

式中，Vo(x,t)—表示容柵傳感器的輸出，它是一個(gè)與位移x、時(shí)間t有關(guān)的電壓信號(hào)；

K—信號(hào)傳輸比例系數(shù)；

ω—測(cè)試系統(tǒng)時(shí)鐘分頻后的參數(shù)；

λ—表示容柵傳感器的節(jié)距[4]。

由式（1）可看出，容柵傳感器是一個(gè)調(diào)相型位移傳感器，它將位移的變化轉(zhuǎn)化為電容的周期性變化量。

利用容柵傳感器，將位移的變化量周期性變化的電信號(hào)，再輔以相關(guān)的處理電路，就構(gòu)成了容柵數(shù)顯測(cè)量系統(tǒng)[1]。容柵數(shù)顯測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。圖中，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生測(cè)量系統(tǒng)需要的各種時(shí)序信號(hào)，容柵驅(qū)動(dòng)電路對(duì)相應(yīng)時(shí)序信號(hào)進(jìn)行組合，產(chǎn)生周期性變化的脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)容柵傳感器，容柵傳感器將位移變化轉(zhuǎn)換成周期變化的電信號(hào)，通過鑒相解調(diào)電路，變成與位移相關(guān)的數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理電路，譯碼顯示電路，在液晶顯示器中顯示出來，最終完成位移量的數(shù)字顯示。

三、絕對(duì)式、相對(duì)式容柵測(cè)量技術(shù)比較

目前國內(nèi)容柵數(shù)顯量具大多為相對(duì)式數(shù)顯量具，年銷售量接近500萬件，每年還在按照15%左右的速度增長，具有很大的市場(chǎng)潛力。

但相對(duì)式容柵測(cè)量卡尺采用增量式測(cè)量原理，在使用過程中存在如下3個(gè)問題：

（1）沒有絕對(duì)意義上的原點(diǎn)，測(cè)量過程中，一旦關(guān)機(jī)，測(cè)量狀態(tài)無法恢復(fù)；

（2）當(dāng)傳感器相對(duì)移動(dòng)速度過快時(shí)，因處理速度跟不上而發(fā)生計(jì)算錯(cuò)誤，造成測(cè)量失敗；

（3）測(cè)量過程中需持續(xù)供電，電路消耗的功率較大，電池的壽命太短。

而絕對(duì)式容柵數(shù)顯量具是新一代電子卡尺產(chǎn)品，它采用“一點(diǎn)三測(cè)”的原理[6]，實(shí)現(xiàn)絕對(duì)位置的測(cè)量，可對(duì)所設(shè)置的原點(diǎn)位置進(jìn)行持續(xù)跟蹤，無論何時(shí)開機(jī)，液晶屏都會(huì)顯示關(guān)機(jī)前副尺相對(duì)于原點(diǎn)的準(zhǔn)確位置，以便隨時(shí)進(jìn)行測(cè)量，像游標(biāo)卡尺一樣存在一個(gè)絕對(duì)意義上的原點(diǎn)，在卡尺通電后即可進(jìn)行測(cè)量而不必進(jìn)行繁瑣的清零，校零操作；而且它可以徹底解決相對(duì)式卡尺的超速問題，使得計(jì)量更加安全可靠；應(yīng)用絕對(duì)式測(cè)量原理，采用間歇工作的模式，減小了測(cè)量系統(tǒng)的功耗，也為制造太陽能卡尺提供了可能。

四、絕對(duì)式容柵測(cè)量技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

圖4為絕對(duì)式容柵傳感器的結(jié)構(gòu)圖。絕對(duì)式容柵傳感器包括粗測(cè)、中測(cè)、細(xì)測(cè)三條碼道，通過粗測(cè)、中測(cè)、細(xì)測(cè)三種測(cè)量模式，三種測(cè)量模式分別對(duì)位移進(jìn)行粗大精度、中等精度、精確精度的測(cè)量，從而完成位移測(cè)量的模數(shù)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)傳感器絕對(duì)位置的測(cè)量。傳感器信號(hào)通過后續(xù)電路組合，實(shí)現(xiàn)粗測(cè)、中測(cè)、細(xì)測(cè)的信號(hào)合成[7,8]，其中：

其中，Sa，Sb—傳感器粗測(cè)差分輸出信號(hào)；

Sc，Sd—傳感器中測(cè)差分輸出信號(hào)。

絕對(duì)式容柵測(cè)量硬件電路部分用于完成傳感器輸入信號(hào)的放大、解調(diào)、整形等功能；軟件部分用于完成驅(qū)動(dòng)和輸入信號(hào)的控制功能，計(jì)算傳感器檢測(cè)出的位移量，送給譯碼顯示電路進(jìn)行顯示。絕對(duì)式容柵測(cè)量系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)與相對(duì)式容柵測(cè)量系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)相似，而由于傳感器部分相對(duì)要復(fù)雜，所以電路的控制部分要復(fù)雜些。

五、絕對(duì)式容柵測(cè)量技術(shù)現(xiàn)狀

絕對(duì)式容柵測(cè)量技術(shù)在國外已經(jīng)是成熟技術(shù)，日本三豐公司早在1987年申請(qǐng)的專利《電容式測(cè)位傳感器》中，就已經(jīng)提出了實(shí)現(xiàn)絕對(duì)測(cè)量的方法，之后在1989年申請(qǐng)了名為《位置絕對(duì)測(cè)量用電容型測(cè)試裝置》的專利，在1993年申請(qǐng)了名為《用于絕對(duì)位置的測(cè)量的電容型測(cè)量器具的專利，對(duì)其絕對(duì)容柵測(cè)量技術(shù)進(jìn)行保護(hù)。在此基礎(chǔ)上，日本三豐公司成功將該技術(shù)應(yīng)用到數(shù)顯卡尺、數(shù)顯高度尺、數(shù)顯量表中，并實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)。

而在國內(nèi)，目前僅北京航天峰光電子技術(shù)有限公司、桂林廣陸數(shù)字測(cè)控股份有限公司、東莞特馬電子有限公司等有限幾家數(shù)顯量具生產(chǎn)廠有相關(guān)絕對(duì)式容柵數(shù)顯量具產(chǎn)品在國內(nèi)機(jī)床展覽會(huì)上亮相，并未形成大批量銷售。

從產(chǎn)品外觀、性能指標(biāo)、使用壽命、產(chǎn)品穩(wěn)定性等方面來看，國內(nèi)絕對(duì)式容柵數(shù)顯產(chǎn)品與國外相比，還有較大差距，需要國內(nèi)廠商加緊努力，提升技術(shù)水平，盡快達(dá)到國外相關(guān)產(chǎn)品水平。

六、結(jié)束語

絕對(duì)式測(cè)量是現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，絕對(duì)式容柵測(cè)量系統(tǒng)是在相對(duì)式容柵測(cè)量系統(tǒng)基礎(chǔ)上研制出來的，其成本與相對(duì)式容柵測(cè)量系統(tǒng)差別不大，而性能上則有很大的提升，因此必將逐漸替代相對(duì)式容柵測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)容柵測(cè)量技術(shù)的升級(jí)換代。