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1、第17卷第1期桂林电子工业学院学报Vol.17,No.11997年3月JOURNALOFGUILININSTITUTEOFELECTRONICTECHNOLOGYMar.1997容栅位移传感器郝卫东(电子机械工程系)摘要通过对容栅专用集成电路78102的内部结构的分析,得出实际数显卡尺位移测量的工作原理和实际测量数据的取得过程,依此推导出容栅的栅条宽度尺寸和对动栅、定栅的具体要求,最后对串行数据输出口扩展应用作了探讨。关键词电子数显卡尺;容栅传感器;专用集成电路中图法分类TN454引言目前许多文章和教科书都提
2、到容栅的工作原理,但不论是调幅式还是调相式,介绍都不深入,离实际应用还有很大距离。对于容栅研究者来说,想设计专用容栅集成块完全不可能,如果用一般硬件,如单片机、PC机和数字电路来设计容栅位移传感器,由于杂散电容影响也无法实现。现有的数显卡尺芯片对栅条的宽度有固定而严格的要求,这一点在设计滚动式容栅直线位移传感器时,作者有较深的体会。对容栅的研究是从1989年容栅数显卡尺开始的。当时查阅了大量资料并请人帮助查找各国专利资料,收集到的有价值的资料有限,无法帮助解开其中之谜,于是便开始了对容栅数显卡尺的测试分析实验
3、。在研究过程中内部资料RCLSEMICONDUCTORSLIMITED给予了很大帮助。1工作原理容栅数显卡尺动尺和定尺的结构和安装示意图如图1所示。图中动尺上排列一系列尺寸相同、宽度为l0的发射极片1,2,3⋯8,用E表示,公共接收极为R,定尺上均匀排列着一系列尺寸相同、宽度和间隙各为4l0的反射电极片M1,M2,⋯电极片间互相电绝缘。动尺和定尺的电极片面相对,平行安装。当发射电极片1,2,⋯8分别加以激励电压E1,E2,⋯E8时,通过电容耦合在反射极片上产生电荷,再通过电容在公共接收极上产生电荷输出。199
4、6-08-26收稿,1997-01-07修改定稿作者男32岁大学本科工程师桂林54100484桂林电子工业学院学报1997年3月当容栅发射极E被加载一个频率和相位严格按周期变化的激励电压信号VE时,根据电容器的工作原理,反射极M将会感应产生与VE频率及相位相同电压信号VM,(充电电荷Q=VõC,当工艺结构确保C一定时,Q∝V).同理,在接收极R将得到频率与相位也与激励信号相同的感应信号VR.当反射极M相对于发射极E发生位移时,尽管反射极M在一瞬间,任一位置均对应于该瞬间和位置上发射极Ei的相应激励状态,但移动
5、的反射极M上所感应的信号图1容栅传感器结构和安装示意图则不能保持其静止时所感应的信号波形,而产生随位移$X变化而导致相位与频率变化的感应信号V′M.随之,接收极R也产生随VM而变化的感应信号V′R.这样,在由容栅传感器的制造工艺保持其结构参数精确一致的条件下,只要由电路保证产生加载于发射极上的激励信号之频率和相位的稳定,并由电子细分逻辑决定相位变化的最小分辨率,则该最小相位变化便对于一定的位移变化$X.假设最小分辨率(最小相位变化)为一个时钟脉冲U,则所述变化的对应关系定义为脉冲当量$S.$S=$XöU(1)
6、当静止时,输出方波的频率及相位一定,当定尺(即反射极板M)相对于动尺(即发射极E和接收极R)位移时,输出波形的相位及频率将产生变化,移动停止,输出波形的周期恢复原周期,但相位与移动前不同。这样,在移动过程中,由鉴频及计数自动记下周期变化,计算时,读取这一周期变化数加上计算出的相位变化$U,根据公式S=$Uõ$S便求得位移量S.对于电子数显卡尺芯片78102,时钟U=185kHz,经过分频得到方波,再经过移相得到8路驱动信号,依次加到发射极E1～E8上,E1～E8的信号频率相同,相位依次相差Pö4,因为时钟周期
7、TU=514Ls,加载于发射极E的激励信号周期为TE=512U=2.7648ms,相位最小分辨率为1U=0.703125°,基准分频为128分频器,因此当ûT'R-TRû=256U时,计数器加1或减1(由正向或逆向位移决定)。设计数器计数值变化为$C,则总位移量为S=($Cõ256U+$U)$S.(2)根据芯片内部的逻辑设计,要求容栅传感器的结构保证脉冲当量为$S=0.009921875mm(或=0.000390625inch).每个反射极板M对应四条发射极栅宽,周期变化255U对应于M位移四个发射极栅宽,由
8、引得容栅传感器的基本结构尺寸为:反射极栅宽及间距:WM=256Uõ$S=2.54mm=0.1inch发射极栅宽:WE=0.25WM=0.635mm=0.025inch由最小分辨率求得允许的最大位移速度为Vmax=1.837mös.第1期郝卫东:容栅位移传感器85因为电路内部设计均按上述要求选取运算和常数(电子细分逻辑决定),因此,传感器结构尺寸必须保证,否则将会产生较大的计算误差。2芯片介绍采用容栅
