电容编码器
电容编码器是一类基于电容变化测量角度或线性位移的编码器。通过在读头与目标电极（图案化标尺/转子）之间建立交变电场，位置变化引起的电容阵列幅相变化被解调为正弦/余弦或数字码字，从而输出增量或绝对位置信号。相比光学/磁性方案，电容编码器具备结构紧凑、低功耗、抗磁场干扰等优势，适合空间受限与对电磁兼容要求高的场合。
什么是电容编码器（What is a Capacitive Encoder）
电容编码器由电极阵列读头与周期图案标尺/转子组成。读头施加交流激励（几十kHz～数MHz），通过差分电容桥、护环（Guard）与驱动屏蔽（Driven Shield）形成稳定的电场。被测对象（直线标尺/旋转转子）移动时，电极间的耦合电容按周期规律变化；经同步解调/锁相得到正弦/余弦信号，再通过插值或码字解析输出位置值。绝对式方案通过多相位/多频率或多轨道码道获得唯一位置。
工作原理（Operating Principle）
- 电场/电容耦合：激励电极—感应电极—护环构成电容网络；位移改变耦合系数与边缘场（Fringing Field）。
- 差分与正交：读头布置两路/四路相位相差90°的电极模式，形成正交Sine/Cosine信号，利于方向判别与细分插值。
- 解调链路：AC 激励 → 同步检波 → 低通滤波 → 幅相校正（增益/偏置/正交度）→ 旋转向量/COORD转换 → 插值或直接编码。
- 绝对编码：多节距/多频组合（类似 Vernier）或多轨道二进制/Gray 码，实现单圈/线性的唯一位置；多圈可叠加计数机构或电子记圈。
- 抗磁场特性：对外部磁场基本不敏感，但对湿度、冷凝与寄生电容更敏感，需良好屏蔽与接地设计。
结构与类型（Form Factors & Types）
按运动形式
- 旋转式（Rotary）：扇形/环形电极图案；支持实心轴、空心轴、分体式（On-Axis/Off-Axis）。
- 线性式（Linear）：条带/棋盘式电极标尺，适合中短行程高分辨率直线定位。
按输出模式
- 增量式（Incremental）：A/B（+Z）方波或 1 Vpp 正弦/余弦，配合插值获得细分分辨率。
- 绝对式（Absolute）：单圈/线性绝对码；串行 SSI、BiSS-C、EnDat 2.2 等。
按集成程度
- 一体式：外壳+轴承+读头+接口电子；即装即用。
- 分体式：读头/标尺分离，便于嵌入电机或紧凑机构；可选柔性电缆与定制电极。
信号与接口（Signals & Interfaces）
| 类别 | 信号样式 | 典型用途 |
|---|---|---|
| 增量方波 | A/B（+Z），TTL/HTL，RS422 | PLC 高速计数、速度/位置环 |
| 正弦/余弦 | 1 Vpp、11 µApp | 高分辨率插值（4×～>10 000×） |
| 绝对串行 | SSI、BiSS-C、EnDat 2.2 | 唯一位置、诊断/温度/状态数据 |
| 工业以太网 | EtherCAT、PROFINET、CANopen | 多轴同步、长距离、在线诊断 |
频宽与延迟：机械带宽常可达>1 kHz；总延迟由解调/插值/串行帧决定（典型 <1–2 ms，可低于1 ms）。
供电：5 V 或 5–24 V（接口相关）；低功耗相较光学/电感方案更具优势。
关键性能参数（Key Specifications）
| 参数 | 典型范围/说明 |
|---|---|
| 分辨率（Rotary） | 12–20 bit 单圈常见，经高倍插值可达 ≥21 bit |
| 线性分辨率（Linear） | 0.5–2 µm 常见，优质链路可 <0.5 µm |
| 线性度/精度 | 旋转 ±0.05–±0.3°；线性 ±3–±10 µm/m（与电极几何、安装与补偿相关） |
| 重复性/抖动 | 重复性优于 ±0.5–±1 µm 或 ±0.02–±0.05°；抖动可至数十 nm（取决于模拟链路） |
| 间隙/姿态容差 | 典型 0.1–0.5 mm 气隙；对俯仰/横摆/偏摆容差低于磁性、略高于高端光学 |
| 环境能力 | IP54–IP67（视结构）；–40…+105 °C；湿度高与冷凝会显著影响测量，需防护/烘干 |
| EMC/ESD | 依 IEC 61000-6-2/-6-4、IEC 61000-4-2；建议差分+屏蔽+单点接地 |
指标与电极设计、护环/屏蔽实现、线缆与电源品质、安装公差及补偿策略密切相关。
优势与局限（Pros & Cons）
优势
- 紧凑与低功耗：读头与电极可做得很小，适合轻量化与电池/低能耗系统。
- 抗磁干扰：外部磁场影响小，适合强磁环境或电机内部集成。
- 成本友好/可定制：PCB 电极与标尺可大规模制造，易于定制几何与接口。
局限
- 湿度与冷凝敏感：水膜改变介电常数与寄生电容，引入增益/相位漂移。
- 寄生电容/金属邻近效应：周边金属/线缆布局不当会导致非线性与噪声。
- 极限精度：通常低于顶级光学干涉式，需补偿以达高端指标。
设计与安装要点（Design & Installation）
- 护环与驱动屏蔽：围绕敏感电极布置 Guard/Driven-Shield，抑制寄生电容与手靠近效应。
- 几何与同心度：旋转结构控制偏心/端跳；线性结构控制平行度与偏距，降低阿贝误差与余弦误差。
- 屏蔽与接地：使用双绞差分、屏蔽层单点接地；避免接地回路与高 dv/dt 噪声耦合。
- 防潮与涂覆：密封、涂覆、加热除湿或吹气，避免冷凝；接口选择耐湿材料与防水连接器。
- 电源与参考地：低噪声 LDO/隔离供电，参考地与模拟地布线合理，远端终端电阻匹配。
校准与补偿（Calibration & Compensation）
- 幅度/偏置/正交校正：Sine/Cosine 幅相匹配，确保单位圆轨迹与低细分误差（SDE）。
- 谐波补偿：修正 2f/3f… 造成的非线性（查表/多项式/DFT 法）。
- 温湿度补偿：对介电常数、板材/封装热胀与电源温漂建模；必要时加入湿度传感闭环修正。
- 全量程误差映射：旋转（圆度/跳动）与线性（激光干涉）标定后加载误差表。
与其他编码技术对比（Comparisons）
| 技术 | 体积/功耗 | 抗磁干扰 | 湿度/冷凝敏感 | 最高精度 | 安装容差 | 典型应用 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 光学编码器 | 中/中 | 中 | 高 | 最高 | 低 | CNC、CMM、半导体平台 |
| 磁性编码器 | 中/低 | 低 | 低 | 中 | 高 | 长行程、户外/油污 |
| 电容编码器 | 小/低 | 高 | 中-高 | 中-高 | 中 | 紧凑低功耗、抗磁场设备 |
| 电感（感应）编码器 | 中 | 高 | 低 | 中-高 | 高 | 高温/重载、强EMC场景 |
典型应用（Applications）
- 机器人/协作机器人：关节与末端模块的内嵌式反馈，低功耗、抗磁干扰。
- 数控与运动平台：紧凑直线轴与转台，高分辨率插值。
- 医疗设备与可穿戴：便携与电池供电场景，受限空间内集成。
- 小型无人系统：云台/舵机/微型执行器角度反馈。
- 电子制造/检测：贴装、对位与检验平台。
维护与故障排查（Maintenance & Troubleshooting）
| 现象 | 可能原因 | 处理建议 |
|---|---|---|
| 零速抖动/细分误差增大 | 幅相失衡、寄生电容变化、屏蔽接地不当 | 重新幅相校正；优化护环/屏蔽；检查接地与线缆、缩短走线 |
| 湿度导致的漂移/跳变 | 冷凝/水膜改变介电常数 | 改善密封与通风；加热/干燥；涂覆防潮；增加湿度补偿 |
| 绝对通信错误（SSI/BiSS） | 时序/极性/CRC 配置不当，阻抗失配 | 校对协议帧；端接匹配；检查错误计数器与电缆/连接器 |
| 非线性增大（旋转/线性） | 偏心/端跳/平行度误差，周边金属影响场线 | 机械重装与误差映射；优化金属布局；加入谐波与温湿度补偿 |
| 噪声对速度环影响 | 开关电源/逆变器耦合、接地回路 | 使用隔离/滤波电源；星形接地；差分传输；与功率线分层布线 |
标准与合规（Standards & Compliance）
- IEC 60529（IP 防护等级）
- IEC 61000-6-2 / -6-4、IEC 61000-4-2（工业 EMC 与 ESD）
- IEC 60068-2 系列（振动/冲击/温湿度循环）
- ISO 13849-1 / IEC 61508（功能安全，需结合系统评估）
- ISO 9001（质量管理体系）
选型步骤（Selection Guide）
- 应用约束：空间/功耗/抗磁场需求 → 电容优先；湿度/冷凝重的场景需加强防护。
- 运动与接口：旋转/线性，增量/绝对；A/B/Z、1 Vpp、SSI/BiSS/EnDat 或工业以太网。
- 精度与动态：确定分辨率、线性度、重复性与带宽/延迟指标。
- 机械/安装：气隙、平行度/偏心、护环与屏蔽布局；分体式优先用于紧凑与集成设计。
- 环境与EMC：密封等级、涂覆、屏蔽/接地与线缆类型；验证 ESD/辐射/传导。
- 补偿与诊断：幅相/谐波/温湿度补偿、在线诊断与报警、参数远程配置。
- 安全与法规：按 SIL/PL 目标与行业规范进行整机合规设计。
通过对电容编码器的工作机理、护环屏蔽、电极几何、补偿算法与EMC的系统把握，可在紧凑、低功耗、抗磁干扰的应用中实现高分辨率、低抖动与高可靠的角度/位移测量，并与伺服/PLC/运动控制系统稳定集成。