高精度的紧凑型单轨绝对电容式角位移传感器

《Sensors and Actuators A: Physical》：Compact single-track absolute capacitive angular displacement sensor with high accuracy

提出串联结构的电容式绝对角位移传感器，通过整合粗测和精测电极轨道、设计四组均匀分布的感应电极组抑制信号串扰，并采用时序空间交错检测法提升精度。原型传感器直径112mm，实现3.4"精度的FMG重复性及±6"全周补偿测量精度。相较于传统并行结构，显著缩小径向尺寸，提升集成度，同时保持高分辨率和稳定性。

　　

范行晨|陈嘉兴|王慧文|滕文豪|于志成

机械测试技术与设备工程研究中心（教育部），重庆工业大学，重庆400054，中国

摘要

近年来，对于具有高分辨率且易于集成到机械结构中的微型高精度绝对角位移传感器的需求变得迫切。然而，现有绝对角位移传感器的结构限制了它们在保持高分辨率的同时实现持续微型化和集成的能力。本文通过将传统的并联电容器配置（包括用于绝对定位的粗测组（CMG）和用于高精度测量的细测组（FMG））转换为串联配置，解决了这一问题，从而显著减少了光栅表面的径向占用面积，使得传感器设计更加紧凑。通过采用在转子上均匀分布的四个感应电极组组成的转子结构，解决了FMG和CMG之间的拼接区域产生的信号串扰对测量精度的影响。这些感应电极组与时序感应激励和解码方法结合使用，实现了整个传感器周长上的连续、高精度的绝对角位移测量。使用直径为112毫米的印刷电路板技术制造的原型传感器实验结果表明，FMG的重复性为3.4″，360°测量范围内的补偿FMG测量精度为±6″。因此，所提出的传感器比传统商用传感器具有更紧凑的外径，这提高了其与其他机械结构的集成便利性，同时提供了高精度和高分辨率的绝对角位移测量。

引言

由于绝对角位移测量传感器具有通电即可用、无需归零操作以及不受累积测量误差影响等优点[1]、[2]，它们已成为提供位置环反馈操作的首选。尽管如此，绝对角位移测量技术仍面临着不断增长的对微型化、高精度、高分辨率以及与其他机械结构易于集成的要求，以便在CNC机床主轴、机器人关节臂和电光舱等先进设备中应用[3]、[4]。当前的研究主要集中在光学、电磁和电容式绝对角位移测量技术的发展上。

绝对光学角位移传感器因其高分辨率和高精度而得到广泛应用[5]、[6]。绝对光学角位移测量技术中使用的主要定位方法包括矩阵码轨道、De Bruijn序列、模式识别及相关方法[7]、[8]、[9]。例如，Geng等人[10]开发了一种能够使用两条码轨道实现19位编码的矩阵编码器。然而，提高矩阵轨道编码方法分辨率通常需要增加轨道数量，这会导致盘径增大，从而阻碍设备的微型化。相比之下，基于De Bruijn序列和模式识别的编码策略能够在较少的轨道数量下实现高精度的绝对角位移测量。例如，Yan等人[11]使用带有优化De Bruijn序列的单轨光学旋转编码器实现了高精度的绝对位置识别。Wang等人[12]通过识别单轨模式序列轨道上的编码模式获得了高精度的绝对角位移测量。然而，这些单轨编码方法对信噪比和照明均匀性有更严格的要求，涉及更复杂的解码算法，而且随着传感器尺寸的减小，精确制造复杂光栅表面的难度也在增加。

绝对电磁角位移测量技术基于电磁感应原理实现位移测量[13]。因此，这些传感器具有强大的抗干扰能力和低制造成本[14]、[15]。例如，Wang等人[16]提出了一种双线圈涡流绝对角位移传感器，通过使用匝数互质的内部和外部线圈实现了绝对角位移测量。此外，通过增加接收线圈的匝数可以有效地将分辨率提高一倍，而无需改变结构配置。此外，这项技术已由RLS有限公司[17]商业化开发，其AksIM-2?绝对磁性旋转编码器以其单码轨道设计和紧凑轻量级结构而闻名，测量精度在0.008°到0.04°之间。然而，电磁角位移传感器的测量精度和分辨率仍低于绝对光学角位移传感器的性能[18]。

绝对电容式角位移测量技术以静电场时间光栅传感器的形式发展，通过建立时间和空间之间的对应关系来实现高精度和高分辨率的位移测量[19]、[20]。与基于干涉和衍射的光学传感器相比，这些传感器具有显著优势，因为静电场时间光栅传感器提供的光栅表面感应不需要精确雕刻的刻度。因此，这些传感器可以使用简单的印刷电路板（PCB）技术制造，从而实现批量生产，大幅降低制造成本并提高测量精度。此外，与传统的感应式位移传感器相比，静电场时间光栅传感器利用高频脉冲插值技术，有效提高了测量分辨率。例如，Wang等人[21]提出了一种采用多同心电容器结构的绝对电容式角位移传感器，通过组合重新调制和Vernier型方法实现了高精度和高精度的绝对角位移测量。Yu等人[22]引入了一种具有三级调制方案的绝对电容式角位移传感器，显著提高了测量分辨率。然而，为了获得这种高测量分辨率所需的多个同心电容器电极结构限制了该传感器的进一步微型化及其与其他机械结构的集成，因为同心电极轨道的径向宽度无法进一步减小。

本文提出了一种新的传感器结构，结合了单个集成电容器电极轨道和一种称为时空间交错激励和检测（TSIED）的创新绝对位移识别方法，解决了绝对电容式角位移传感器在结构紧凑性和测量分辨率之间的矛盾。因此，本研究的主要贡献如下。

1.

单电容器轨道结构由定子上的粗测组（CMG）和细测组（FMG）组成，CMG用于绝对定位，FMG用于高精度测量，两组电极通过拼接区域连接，并共享相同的集成轨道。这种结构通过减少径向方向的电容器轨道数量来促进传感器的微型化及其后续集成，而不影响绝对定位精度。

2.

设计了一种新的转子结构，其中四个感应电极组在转子上均匀分布，以抑制FMG和CMG电极之间拼接区域产生的信号串扰的影响。

3.

TSIED方法通过对转子上的感应电极组进行二进制编码，选择与定子上的FMG和CMG电极耦合但距离拼接区域最远的电极组的输出信号，从而在整个传感器周长上实现了更高的位移测量精度。

本报告的其余部分组织如下。第2节概述了传统双轨角位移传感器的测量原理。第3节修改了这一原理，以描述所提出的单轨角位移传感器的测量原理。第4节描述了TSIED方法。第5节展示了使用PCB技术制造的原型传感器的实验结果。最后，第6节对报告进行了总结。

部分摘录

传感器结构和位移测量原理

图1(b)顶部示意性地展示了双轨绝对角位移传感器的结构。如图所示，该结构主要由同轴并行安装的定子和转子组成，安装间隙为< />

传感器结构和位移测量原理

在所提出的单轨绝对角位移传感器中，CMG和FMG在同一轨道内串联集成，以实现微型化。图1(b)展示了这种集成过程，其中双轨结构首先被分离为两个独立的增量角位移传感器，只有包含外环的个测量周期的半圆形部分和CMG被保留下来

拼接区域的影响

在所提出的单轨传感器设计中，不同的测量周期θ_SFM和θ_SCM通过在串联连接的FMG和CMG区域之间引入拼接间隙D来适应，其中相邻激励电极之间的间距不均匀。然而，这引入了测量误差，因为当感应电极在拼接区域附近旋转时，激励电极和感应电极之间的有效重叠面积Δ_S会发生变化。

实验系统

图6展示了用于评估所提出的传感器设计和TSIED定位性能的原型单轨绝对角位移传感器及测试系统。图6(a)和(b)分别展示了通过PCB技术制造的定子和转子的图像，其中定子上的FMG和CMG电极被明确标记，转子上的感应电极组A、B、A1和B1也被明确标记。

结论

本文提出了一种新的传感器结构，解决了现有绝对角位移传感器在保持高分辨率的同时持续微型化所面临的挑战，该结构由单个集成电容器电极轨道和拼接的FMG及CMG电极组成，FMG包含个测量周期，CMG包含N-1个测量周期。通过采用转子结构，解决了FMG和CMG电极之间的拼接区域对测量精度的影响

CRediT作者贡献声明

范行晨：撰写 – 审稿与编辑、方法论、概念化。陈嘉兴：撰写 – 原稿撰写、调查。王慧文：资金获取、数据管理。滕文豪：撰写 – 原稿撰写、软件开发。于志成：监督、资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

范行晨1991年出生于中国重庆。他分别于2015年和2018年在重庆工业大学获得电气工程和自动化专业的学士和硕士学位，2023年在合肥工业大学获得仪器科学与技术专业的博士学位。目前，他是教育部机械测试技术与设备工程研究中心的助理研究员