CN102954753B - 电容式距离传感器 - Google Patents
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Abstract
基于电容值与电容极板间距离成反比的物理原理，当被检测导电体表面与传感器表面单侧电容测量极板之间形成耦合电容，便可以通过测量该耦合电容值以计算出电容测量极板到被测导电体表面的距离。本发明提供一种电容式距离测量传感器电路结构，包括电容测量极板、参考电容、电容耦合极板、参考电容充电电路、电容测量极板放电电路、电荷中和电路、可编程电平生成器1、可编程电平生成器2和电压比较器，具备线性化、抗漂移和低噪声特性。
Description
技术领域
本发明涉及一种电容式距离传感器，尤其涉及一种用于组成二维阵列以对物体表面三维深度分布进行传感的微型化电容式距离阵列传感器。
背景技术
对物体表面三维深度分布进行图像传感，可获取物体表面材质、纹理、微观构造，如果被测表面的三维深度分布因应变而产生，还可换算出应力分布。当被测物体为导体时，基于电容值与电容极板间距离成反比的原理，通过对传感器电容测量极板上表面到被测物体表面之间形成的耦合电容的大小进行测量，可以换算出被测物表面到电容测量极板之间的距离。将该传感单元组成二维阵列，则可测量物体表面三维深度的分布情况。
对电容的测量有主动和被动两类方法：主动方法对电容施加交流驱动，由于电容值的不同导致交流阻抗效应或交流响应效应的不同，通过测量电平包络能换算出电容值；被动方法包括两种，一种使电容通过电阻放电，通过测量放电时间来换算电容值，另一种使被测电容与额定电容进行电荷中和，通过测量中和后的电平来换算电容值。由于在电容测量电路中不可避免存在电路中的耦合电容与测量电容相叠加的效应，测量得到的电容值是两者之和。当测量单元面积大时，测量电容与耦合电容相对比值较大；当测量单元微型化时，测量电容与耦合电容相对比值较小，测量电容动态范围在电路总电容值中只占很小一部分。这使得测量输出对电路的公差、漂移和热噪声敏感。由于目前的电容测量电路往往较为复杂，累积公差、累积漂移和累积热噪声大，阻碍了微型化。
另一方面，由于距离到电容的倒数映射函数具有显著的凸减函数非线性特性，当距离增大时电容值随距离变化的速率迅速减小。主动测量类方法的测量输出一般为电容值的凹函数映射，扩大了距离到测量输出的映射的非线性；电阻放电时间测量方法中，电容值到放电时间的映射函数是对数上升凹增函数，也扩大了距离到测量输出的映射的非线性；电荷中和方法中，电容值到电荷中和后的电平的映射函数为凸减线性函数映射，能够一定程度抑制距离到测量输出的非线性。
最后，被测量表面自身带有电平，在一些应用场合该电平时变、空间不均匀、不可预测。这相当于在测量电容另一极引入了一个未知电平，为电容测量带来漂移影响：主动测量方法中，因交流补偿而单次漂移较小，但因包络测量在时间上要求多次累加的特性，累积漂移不可忽视；电阻放电时间测量方法中，漂移影响尤为严重；电荷中和方法对该漂移的静态特性有较好的鲁棒性，但放电时间内被测量表面的电平变化却导致更大的动态漂移效应。
由于不同的测量方法各有优缺点，目前的电容式距离测量电路在低噪声特性、抗漂移特性、线性化特性三个方面难以全面满足电路微型化需要。
发明内容
本发明的目的是提供一种电容式距离传感器，具有线性化、抗漂移和低噪声特性，可以满足电路微型化需要，从而可以组成二维阵列使用。
为达到上述目的，本发明提供了一种基于新颖的电荷中和次数测量原理的电容式距离传感器电路，具有参考电容Cr、耦合电容Cs以及测量电容Cd，其中耦合电容Cs包括导线耦合电容以及电容耦合极板与电容测量极板之间的耦合电容，测量电容Cd为电容测量极板和被测物体表面之间的耦合电容。将参考电容预先用系统电源电平VDD充电，然后对电容测量极板逐次进行电荷中和，每次电荷中和前都将电容测量极板对地放电。同时，可编程电平生成器1（DAC1）对电容耦合极板提供电平驱动，在放电时为系统地电平GND，在电荷中和时为配置电平Vs。
令参考电容初始电平为Vr，电荷中和后的电平为Vr’，假定被测物体表面为地电平，则根据电荷中和方程
Cr*Vr=(Cr+Cd)*Vr’+Cs*(Vr’-Vs) (1)
有单次放电导致参考电容电平Vr变化的方程
Vr’=(Cr*Vr+Cs*Vs)/(Cr+Cd+Cs) (2)
进行多次放电时，以方程2作为迭代方程，导致参考电容电平Vr逐次下降，如图5所示，从VDD逐渐下降到由可编程电平生成器2（DAC2）输出的阈值电平Vc以下，直到进入电荷中和方程1的平衡状态。通过代入Ve=Vr=Vr’解方程1得最终稳定参考电容电平Ve为
Ve=Cs*Vs/(Cd+Cs) (3)
从公式2知，测量电容Cd增大将加速单次电荷中和中参考电容电平Vr的下降比率，从公式3可知较大的测量电容Cd导致了较低的稳定参考电容电平Ve。一方面可以从电平向测量，在放电平衡后测量稳定参考电容电平Ve；另一方面可以从时间向测量，在放电过程中记录参考电容电平Vr降低并通过阈值电平Vc时的电荷中和次数。前一种方法使用较小的参考电容Cr，通常小于耦合电容Cs的16倍，使达到稳定参考电容电平Ve的过程充分快；后一种方法，即本发明所提供的方法，使用较大的参考电容Cr，通常大于耦合电容Cs的16倍，使放电过程充分慢，以提供足够大的时间向分辨率。
图6显示了测量电容Cd等差变化导致参考电容电平Vr下降曲线的变化：从上到下，电容值等差递增，在水平向和垂直向都产生非线性效应。注意到本发明目的是对距离进行测量，因此距离到电容的非线性映射需要考虑进来，并以距离到传感器输出的复合映射非线性程度最低为非线性抑制目标。
图7.1显示了等差距离形成的不同测量电容Cd变化导致参考电容电平Vr下降曲线的变化：从下到上，距离等差递增。图7.2是图7.1的垂直向放大图。从图7.1可知，如果进行电平向测量，则距离到直接测量值的映射关系中仍残留较大的非线性成分。从图7.1和图7.2可知，如果进行时间向测量，当选择适当的阈值电平Vc，就可以很好地抑制非线性成分。这指出，时间向测量方法因进一步引入了公式2通过迭代过程而产生的非线性映射，更有利于抵消距离到电容转换的非线性映射，实现对距离的近似线性传感。
由于本发明所提供的电容式距离传感器简化了测量电路，大部分器件为无源器件，有源器件均为静态器件，电容耦合极板还可屏蔽了来自下方的对电容测量极板的电磁干扰，减小了整个电路的热噪声、天线效应和电容耦合效应，降低了电路噪声。同时，由于系统输出为比较器对两组电平大小关系翻转的时间量，阈值电平Vc在测量过程中不变，只有参考电容电平Vr递减单向变化，且影响参考电容电平Vr的器件只有电容和开关，故器件漂移效应被最小化。由于使用了电荷中和测量原理，被测物体表面电平导致的漂移效应可忽略，同时由于参考电容远大于测量电容，从而使被测表面电平噪声被电容本身的低频滤波效应抑制。通过合理的设置电路参数，将两次凸减函数映射的非线性补偿效应发挥到最大，可以使距离到传感器输出的复合映射近似为线性。
附图说明
图1是本发明提供的电路原理图；
图2是本发明提供的检测单元空间结构1；
图3是本发明提供的检测单元空间结构2；
图4是本发明提供的充放电控制时序图；
图5是本发明提供的参考电容电平下降曲线和比较器参考电平对比图；
图6是等差电容值的测量电容的放电曲线族；
图7.1是等差距离形成的测量电容的放电曲线族；
图7.2是等差距离形成的测量电容的放电曲线族的垂直向放大图。
具体实施方式
如图2所示，本发明所提供的电路，包括电容测量极板（2）、电容耦合极板（3）、参考电容（4）、参考电容充电电路（5）、电容测量极板放电电路（6）、电荷中和电路（7）、可编程电平生成器1（8）、可编程电平生成器2（9）、电压比较器（10）。被测导电体表面（1）在电路图中绘制为接地导电极板。如图1所示，电容测量极板（2）与接地的被测导电体表面（1）之间形成测量电容（21），电容测量极板（2）还与电容耦合极板（3）之间形成耦合电容（23）。其中：
电容测量极板（2），为1块或多块导电极板，与电荷中和电路（7）连接，被测导电体表面（1）与电容测量极板（2）上表面接近，在电容测量极板（2）和被测导电体表面（1）之间形成测量电容（21）；
电容耦合极板（3），为1块或多块导电极板，与可编程电平生成器1（8）连接，位于电容测量极板（2）下方，与电容测量极板（2）之间有介质层，在电容耦合极板（3）和电容测量极板（2）之间形成耦合电容（23）；
参考电容（4），为1个或多个并联电容，一端与参考电容充电电路（5）、电荷中和电路（7）、电压比较器（10）输入端1连接，另一端与系统地连接；
参考电容充电电路（5），一端与参考电容（4）连接，另一端与系统电源连接，闭合状态使参考电容（4）与系统电源导通，断开状态使参考电容（4）与系统电源断开；
电容测量极板放电电路（6），与电容测量极板（2）、系统地连接，闭合状态将电容测量极板（2）与系统地导通，断开状态使电容测量极板（2）与系统地断开；
电荷中和电路（7），一端与参考电容（4）连接，另一端与电容测量极板（2）连接，闭合状态使参考电容（4）与电容测量极板（2）导通，断开状态使参考电容（4）与电容测量极板（2）断开；
可编程电平生成器1（8），与电容耦合极板（3）连接；
可编程电平生成器2（9），与电压比较器（10）输入端2连接；
电压比较器（10），输入端1与电荷中和电路（7）连接，输入端2与可编程电平生成器2（9）连接，输出端作为传感器输出。
可编程电平生成器为一般为数模转换器DAC。图3给出可编程电平生成器1（8）的另一种实施方式，将电容耦合极板（3）分为电容耦合极板组1（31）和电容耦合极板组2（32），使用选择开关组1（81）将电容耦合极板组1（31）在系统电源电平和系统地电平间切换，使用选择开关组2（82）将电容耦合极板组2（32）在系统电源电平和系统地电平间切换，相当于使可编程电平生成器1（3）提供了选择开关组1（81）提供的电平以电容耦合极板组1（31）的总面积为权重，和选择开关组2（82）提供电平以电容耦合极板组2（32）的总面积为权重，进行加权平均所得的电平值，作为等效的配置电平。
图4显示了控制流程，虚线左边为充电阶段，虚线右边为电荷中和阶段。在充电阶段，先将电荷中和电路（7）保持断开，参考电容充电电路（5）先闭合后断开。在电荷中和阶段，使参考电容（4）逐周期对测量电容（21）和耦合电容（23）进行电荷中和，每个电荷中和周期包括如下步骤：
步骤1，电荷中和电路（7）断开，电容测量极板放电电路（6）闭合，可编程电平生成器1（8）输出地电平；
步骤2，电荷中和电路（7）断开，电容测量极板放电电路（6）断开，可编程电平生成器1（8）输出地电平；
步骤3，电荷中和电路（7）断开，电容测量极板放电电路（6）断开，可编程电平生成器1（8）输出配置电平；
步骤4，电荷中和电路（7）闭合，电容测量极板放电电路（6）断开，可编程电平生成器1（8）输出配置电平；
步骤5，电荷中和电路（7）断开，电容测量极板放电电路（6）断开，可编程电平生成器1（8）输出配置电平；
电压比较器（10）的输入端1与参考电容（4）连接，获得参考电容电平；电压比较器（10）的输入端2与可编程电平生成器2（9）连接，获得阈值电平。如图5所示，当参考电容电平逐渐下降，从高于阈值电平转换到低于阈值电平时，电压比较器（10）输出发生翻转，输出信号边沿。该边沿可被传感器读出电路获取，其发生时间即为传感器输出值。
在将该电容式距离传感器作为单元成组时，每个单元具有独立的电容测量极板（2）、电容耦合极板（3）、参考电容（4）、参考电容充电电路（5）、电容测量极板放电电路（6）、电荷中和电路（7）、电压比较器（10），一组单元共用可编程电平生成器1（8）、可编程电平生成器2（9）。
本发明并非狭义地限制于上述实施例，在不超出本发明的精神与权利要求书范围的情况下，所做的种种变化实施，仍属于本发明的范围。
Claims (10)
1.一种电容式距离传感器，由电容测量极板、电容耦合极板、参考电容、参考电容充电电路、电容测量极板放电电路、电荷中和电路、可编程电平生成器1、可编程电平生成器2、电压比较器构成，其特征在于：
电容测量极板，为1块或多块导电极板，与电荷中和电路连接，当被测导电体表面与电容测量极板上表面接近，在电容测量极板和被测导电体表面之间形成测量电容；
电容耦合极板，为1块或多块导电极板，与可编程电平生成器1连接，位于电容测量极板下方，与电容测量极板之间有介质层，在电容耦合极板和电容测量极板之间形成耦合电容；
参考电容，为1个或多个并联电容，一端与参考电容充电电路、电荷中和电路、电压比较器输入端1连接，另一端与系统地连接；
参考电容充电电路，一端与参考电容连接，另一端与系统电源连接，闭合状态使参考电容与系统电源导通，断开状态使参考电容与系统电源断开；
电容测量极板放电电路，一端与电容测量极板连接，另一端与系统地连接，闭合状态将电容测量极板与系统地导通，断开状态使电容测量极板与系统地断开；
电荷中和电路，一端与参考电容连接，另一端与电容测量极板连接，闭合状态使参考电容与电容测量极板导通，断开状态使参考电容与电容测量极板断开；
可编程电平生成器1，与电容耦合极板连接；
可编程电平生成器2，与电压比较器输入端2连接；
电压比较器，输入端1与参考电容连接，输入端2与可编程电平生成器2连接，输出端作为传感器输出。
2.如权利要求1所述电容式距离传感器，其特征在于，所述参考电容的电容值至少为所述耦合电容的电容值的16倍。
3.如权利要求1所述电容式距离传感器，其特征在于，通过闭合所述参考电容充电电路对参考电容进行充电，充电完成后断开所述参考电容充电电路，充电过程中所述电荷中和电路保持断开。
4.如权利要求1所述电容式距离传感器，其特征在于，通过控制所述电荷中和电路、所述电容测量极板放电电路、所述可编程电平生成器1，将所述参考电容中的电荷，逐次对电容测量极板进行电荷中和，使参考电容电平逐次下降，每个电荷中和周期包括如下步骤：
步骤1，电荷中和电路断开，电容测量极板放电电路闭合，可编程电平生成器1输出地电平；
步骤2，电荷中和电路断开，电容测量极板放电电路断开，可编程电平生成器1输出地电平；
步骤3，电荷中和电路断开，电容测量极板放电电路断开，可编程电平生成器1输出配置电平；
步骤4，电荷中和电路闭合，电容测量极板放电电路断开，可编程电平生成器1输出配置电平；
步骤5，电荷中和电路断开，电容测量极板放电电路断开，可编程电平生成器1输出配置电平。
5.如权利要求4所述电容式距离传感器，其特征在于，所述配置电平输出到所述电容耦合极板，为介于地电平和系统电源电平之间的电平。
6.如权利要求4所述电容式距离传感器，其特征在于，所述配置电平输出到所述电容耦合极板，对多个电容耦合极板分别输出不同的电平。
7.如权利要求4所述电容式距离传感器，其特征在于，所述配置电平输出到所述电容耦合极板，对一部分电容耦合极板输出系统地电平，对一部分电容耦合极板输出系统电源电平。
8.如权利要求1所述电容式距离传感器，其特征在于，所述可编程电平生成器2提供阈值电平并输出到所述电压比较器的输入端2。
9.如权利要求1所述电容式距离传感器，其特征在于，所述参考电容提供参考电容电平输出到所述电压比较器输入端1。
10.如权利要求1所述电容式距离传感器，其特征在于，所述电压比较器对输入端1的所述参考电容电平和输入端2的所述可编程电平生成器2的输出电平进行比较，输出端电平在所述参考电容电平经过逐次放电而通过所述可编程电平生成器2的输出电平时发生翻转。
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