CN104280429B - 用于操作电容测量电路的方法 - Google Patents

Abstract

本发明的操作电容测量电路(1)的方法可用于对移动的诸如粗疏条、粗纱、纱线或机织织物的长条形纺织测试材料进行电容性检查。它包括用于容纳测试材料的测量电容器(2)。它还包括可由电控制信号(71)改变其电容的部件(3)。该测量电路(1)能用一种简单、迅速、成本低、尤其是自动的方式平衡，可变电容可以用于向测量电路馈送随机的电控制信号。该测量设备(1)能提供“记录和回放”的功能，待测电容器配置在本发明所述的方法中维持基本暂时不变，且电控制信号与测量电路的输出信号无关。

Description

用于操作电容测量电路的方法

背景技术

本发明属于电测量电路领域。它涉及一种与第一项权利要求的前序部分相关的操作电容测量电路(1)的方法，以及一种与另一项独立权利要求的前序部分相关的在对移动的长条形测试材料(9)进行电容性检查的设备中操作电容测量电路(1)的方法。本发明允许自动平衡测量电路、使用测量电路进行模拟测量、测试测量电路或测试与测量电路串联的部件。

本发明适合用于对优选为纺织结构的长条形物(例如粗疏条、粗纱、纱线或机织织物)进行电容性测试。本发明由此也涉及另一权利要求的前序所述的一种用于对移动的长条形测试材料进行电容性检查的设备。这种检查的目的可以是，例如，检测异物、识别单位长度的质量变化、以及/或测量测试材料的湿度。本发明可用在，例如纺纱机和络筒机中的清纱器的生产过程(联机)、或纱线测试装置中用于实验室测试(脱机)。

现有技术

已知有许多各种设备用于检查或测试长条形纺织测试材料，例如粗疏条、粗纱、纱线或机织织物。根据这些设备的应用，可将它们划分为实验室测试(脱机)和在生产过程中的测试(联机)两类。这些设备利用各种已知的传感器原理，其中本发明特别感兴趣的是电容性测量原理，提供了具有测量电容器的测量电路，该测量电容器设置成平板电容器。对测量电路施加电交变电压，由此在测量电容器中产生交变电场。测试材料移动地通过平板电容器，且经受交变电场，确定测试材料的介电性能。由介电性能确定测试材料的参数，例如单位长度的质量和/或材料成分。在EP-0’924’513 A1、WO-2006/105676 A1和WO-2007/115416 A1的说明书中给出测量电路以及适用于其输出信号的评估电路的例子。

为实现不受诸如空气温度或空气湿度等外部因素影响的精确测量，常常使用补偿方法。为此，测量电路中除了实际的测量电容器外，还包括参考电容器。举例来说，该参考电容器可通过增加一个第三电容器平板来形成，该电容器平板与两个测量电容器平板平行且与其电串联。

在无测试材料的情况下施加交变电压时，测量电路应给出输出信号零。由于实际电部件存在各种瑕疵，实际上为了在无测试材料的情况下得到零信号，对称设置测量电路是不够的。为平衡起见，需单独使每个测量电路平衡。可在制造商的生产过程中完成对称平衡，也可在维护期间由技术维修人员进行。为此，通常改变至少一个与测量电路并联的电容微调器的电容，可使用诸如螺丝刀的适当工具手动调节，也可使用已知的激光微调法。不管采用哪种方法，都需打开设备进行平衡。这种手动平衡费力、耗时且成本高。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种无上述缺点的一种操作电容测量电路的方法。该测量电路将能够通过一种简单、迅速、成本低、特别是自动的方式实现平衡，可变电容可以用于向测量电路馈送随机的电控制信号。该测量设备(1)能提供“记录和回放”的功能，待测电容在本发明所述的方法中基本暂时不变，且电控制信号与测量电路的输出信号无关。

此外，将提供一种本发明所述测量电路的操作方法。还将提供一一种在对移动的长条形测试材料(9)进行电容性检查的设备中操作电容测量电路(1)的方法，该设备能够通过一种简单、迅速、成本低且自动的方式实现平衡，可变电容可以用于向测量电路馈送随机的电控制信号。该测量设备(1)能提供“记录和回放”的功能，待测电容在本发明所述的方法中基本暂时不变，且电控制信号与测量电路的输出信号无关。

正如独立权利要求中所明确，本发明所述的测量电路、设备、以及方法可实现这些和其他目的。在从属权利要求中公开了较佳实施例。

本发明基于以下构想：在无任何机械或其他干预的情况下，使用电控制信号使测量电路中至少一部分的电容发生变化，这样有可能自动平衡测量电路。

因此，本发明的电容测量电路包括一个待测的电容器配置、以及至少一个可由至少一个控制信号改变其电容的部件。

在本说明书中，术语“电容器配置”应被理解为一种具有两个部分的装置，这两部分可通过交变信号发生器的电交变信号以不相似的方式充电，且由至少一个电介体相互隔开。在一优选实施例中，电容器配置为具有两个相互隔开的金属板的电容器，在这两个金属板之间的空气被清除，其间插入待测的移动的长条形纺织测试材料。至少一个部件可选自下列部件：可变电容二极管、其他二极管、多个相互并联的且可与各自的电控制信号连接和断开的平衡电容器、尤其是MEMS电容器、反向偏置晶体管、金属氧化物半导体场效应晶体管、可通过压电元件的方式改变电极距离的电容器。至少一个部件中的一或几个电容器和/或一或几个开关可方便地设置为微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)。测量电路可设置为具有至少两个电桥臂的电容电桥，其中一个电桥臂作为包括待测电容器配置的测量臂，至少另一个电桥臂包括至少一个部件。

本发明的测量电路优选用于对移动的诸如粗疏条、粗纱、纱线或机织织物的长条形纺织测试材料进行电容性检查，用移动的测试材料影响待测电容。

本发明所述的用于对移动的长条形测试材料进行电容性检查的设备包括本发明所述的具有用于容纳测试材料的测量电容器的电容测量电路、以及至少一个可由至少一个电控制信号改变的电容。

本发明所述的设备优选包括用于向测量电路施加交变电压信号以在测量电容器中产生交变电场的工具、以及在测量电容器中用于测试材料的通孔，该通孔能经受交变电场。测量电路可设置为具有至少四个电桥臂的电容电桥，这些电桥臂之一包括测量电容器，且这些电桥臂中的至少一个包括可变电容。

在本发明所述的测量电路的操作方法中，由至少一个电控制信号改变至少一个可变电容。在本发明所述的测量电路的平衡过程中，待测电容维持基本上暂时不变。除可变电容外，测量电路的电容在平衡期间不应变化。对测量电路施加电输入信号，分接测量电路的电输出信号。电控制信号受输出信号的影响。优选在闭合的控制回路中自动发生输出信号对电控制信号的影响。

本发明用于平衡测量电路，可通过一种简单、迅速而又成本低的方式来平衡测量电路，不再为平衡测量电路而需打开装置，可随时进行平衡。它可由装置本身自动完成，无需操作人员的任何干预，这样允许随时进行平衡。可在使用测量电路进行每次测量前进行平衡，在每10次测量前进行平衡，或在输出信号的长期性能发生相关变化后或在环境条件发生较大变化后自动进行平衡。这可提高测量的精确度、可靠性和再现性，并通常改善测量结果。

可变电容不仅可用于平衡测量电路，也可用于向测量电路馈送随机的电控制信号。通过这种控制信号可有目的地解谐测量电路。对测量电路进行有目的的去谐与通过待测电容的改变进行的去谐具有相同或相似的效果。通过经由可变电容向测量电路送控制信号进行模拟测量。除可变电容外，测量电路的电容在该过程中不应发生变化。模拟测量例如可用于测试评估电路、以及在评估电路中查找误差。它们可用于平衡评估电路，例如平衡包括在评估电路中的滤波器。它们也可用于测试和/或设定包括测量电路的设备。记录用相同的测量电路或其它传感器的实际测量的前期输出信号，储存在存储器中，以及将它们作为输入信号经由可变电容提供给测量电路是有可能的。因此，该设备能提供“记录和回放”的功能。

因此，待测电容可在本发明所述的方法中暂时保持不变，且电控制信号与测量电路的输出信号无关。电控制信号优选是一种暂时快速变化的、合成产生的和/或先前储存的信号。本发明所述方法的这种变形例，如用于使用测量电路进行模拟测量、用于测试测量电路、或用于测试与测量电路串联的部件。

附图说明

下文将结合示意图对本发明作更详细的说明。图1至6显示本发明所述测量电路的各种实施方式的电路图。

具体实施方式

图1中的电路图简单地显示了本发明的基本构想。测量电路1包括待测电容2、以及通过电控制信号71可变化的电容3。将结合图3至5讨论实现电可变电容3的可能性。在此采用电容器示意性地表示两个电容2和3。在该实施例中它们一个接一个地串联连接。两个用于施加电交变电压信号Vin的输入接线41和42位于串联连接的两端，该串联连接的两端接测量电路1。用于输出测量电路1的输出信号的输出接线51位于串联的电容2与电容3之间。输出线59将输出信号从输出接线51接到评估单元6，以进行评估。

在平衡测量电路1期间，应注意除可变电容3外，待测电容2以及存在于测量电路1中的可选其他电容不变。因此，应采用诸如温度和空气湿度的适时恒定的环境条件。如果将待测电容2设置为用于容纳测试材料的电容器，则在电容器中不应存在测试材料，或测试材料的电容不应发生变化。

对输入接线41和42施加电交变电压信号，用于平衡测量电路1。从输出接线51分接出优选为交变电压的电输出信号。通过使输出信号为特定值的方式，优选为零，由电控制信号71(优选为直流电压)改变可变电容3。例如在设备生产之后或在安装测量电路1时的设备维护期间，可手动设定电控制信号71。电控制信号71可选地自动产生。该自动产生过程可发生在专用于此的控制单元7中或评估单元6中。图1示意性地显示从评估单元6向控制单元7的反馈，从而使电控制信号71依测量电路1的输出信号而定。可使用电控制信号71的自动产生过程来自动平衡测量电路1。形成这样的闭合控制回路，其中输出信号是被控制在设定值为零的控制变量，控制单元7起到控制器的作用，且控制信号71是起动值。

图2中的测量电路1的实施例与图1中的不同，它包括与待测电容21并联的参考电容器22。参考电容器22用于更精确的测量以及补偿诸如空气温度或空气湿度的外界影响。可理解的是，可根据需要转换测量电容器21和参考电容器22的功能，即可由参考电容器22来容纳测试材料，而测量电容器21中无测试材料且被用作参考电容器。也可通过向可变电容3施加电控制信号71来平衡图2中的测量电路1。

图3显示本发明所述测量电路1的另一种实施方式。测量电路1被设置成电容半测量电桥。它包括四个半电桥臂11至14，其中的每个包括至少一个电容。两个半电桥臂11、12和13、14相互并联成为成对的臂，且两个臂对11、12和13、14相互串联。两个输入接线41和42位于串联接线的两端，用于向电容测量电桥1施加电输入信号。两个相互连接的用于输出电容半测量电桥1的输出信号的输出接线51和52位于两个串联的臂对11、12与13、14之间。输出线59将输出信号从输出接线51、52引到评估单元6，以进行评估。

第二电桥臂12和第四电桥臂14具有可变电容31和32。可变电容31和32均可由可变电容二极管(也被称为变容二极管)实现。这是一种可由外加电压的方式改变其电容的电子部件。可变电容二极管31和32均由类似的电控制电压71和72控制。在一优选实施方式中，两个可变电容二极管31和32的电控制电压71和72是相对于参考电压反对称的直流电压，即它们与参考电压的差值在数量上是相等的，且具有相反的符号。例如控制电压71和72可由数模转换器提供。在第一电桥臂11中的待测电容21为测量电容器的电容，例如该测量电容器适合于容纳优选沿其纵向移动的诸如粗疏条、粗纱、纱线或机织织物的长条形测试材料(未显示)。位于第三电桥臂13中且与测量电容器21串联的电容器22可作为参考电容器。参考电容器22允许对测试材料进行精确补偿测量，该测量不受诸如空气温度或空气湿度的外界因素的影响。测量电容器21和参考电容器22应尽可能相同，以具有尽可能相近的电容。参考测量电容器21和参考电容器22的两个相对的具有相同电位的电容器金属板可由一个电容器金属板实现，从而已消除导致可能不对称的一个来源。

例如可对测量电路1的两个输入接线41和42施加第一和第二交变电压信号，作为图3中实施方式的输入信号。这两个所施加的交变电压信号优选为相互反对称，即它们与参考电压的差值在数量上是相等的，且相互相移180°。

测量电路1的输出信号从形成半电桥杆的输出线59分接出来，即它连接位于电容半测量电桥1中间的所有四个半电桥臂11至14。为平衡电容半测量电桥1，可以使输出信号的值为零的方式改变两个控制电压。这两个控制电压优选为直流电压，且相对于参考电压相互反对称。当电容测量电桥1已平衡时，需确保各个控制电压在测量操作中保持不变。例如各个值可被储存在数字存储器中，且可作为恒定电压由适当的数模转换器提供给可变电容二极管31和32。在平衡电容半测量电桥1时，需确保除可随电控制电压71和72改变的可变电容二极管31和32外，电容半测量电桥1的电容不变。

图3显示本发明所述的具有可变电容二极管31和32的测量电路1的仅一种或多种可能的实施方式。本领域技术人员熟知可变电容二极管31和32的电路环境也能不同地设置。其他类型的可变电容可代替可变电容二极管31和32。原则上讲，一个单一的可变电容31(例如在第二半电桥臂12中的那个)将足以平衡电容半测量电桥1。为对称起见，对于大多数应用而言，图3所示的两个可变电容二极管31和32的实施方式更有利。

根据本发明的测量电路1的实施方式的进一步优化，一同被视为测量单元的第一半电桥臂11中的测量电容器21以及第三半电桥臂13中的参考电容器22可出现若干次。更进一步，然后将这种测量部件切换成与图3中所示的第一测量单元并联。这种测量部件优选包括具有不同电容的电容器，可用于测量不同的测试材料，例如不同粗细的纱线。由于在大多数情形下测量电容器也可用作参考电容器且反之亦然，所以在本说明书中测量电容器与参考电容器之间的不同在于其唯一的目的赋名，而不在于对其功能的硬性指定。如果在测量电路中存在若干个测量电容器和参考电容器，其中一个电容器通常在测量中被用作测量电容器，而其他电容器被用作参考电容器。

图4显示本发明所述测量电路1设置成电容半测量电桥的第二种实施方式。在图4中与图3所示第一种实施方式中的那些元件类似的元件具有相同的参考编号，在此就不再说明了。第二种实施方式与第一种实施方式的不同之处在于实现了第二半电桥臂12和第四半电桥臂14的可变电容。第二半电桥臂12和第四半电桥臂14均包括多个不可变的平衡电容器33，这些平衡电容器33可被切换成相互并联，且可由各自的电控制信号激活或失效。由此，可由控制信号改变第二半电桥臂12和第四半电桥臂14的容量。这些平衡电容器33可相同或不同。为覆盖尽可能大的平衡范围，优选互不相同的平衡电容器33。例如，每个随后的平衡电容器33的电容是其在前平衡电容器33的电容的一半。这些平衡电容器33在第二半电桥臂12和第四半电桥臂14中的设置优选为相互对称。

每个单一的平衡电容器33可通过与之相连的开关34来激活或失效。由各个数字控制信号切换开关34。可由已知的数字驱动器部件提供控制信号。在该实施方式中，还需储存和维护平衡所需的开关位置，以用于测量操作。

开关34的实现存在各种已知的可能。当使用附加的串联电容器时，有可能将平衡电容器33与开关34并联放置。

在各个半电桥臂12和14中相互并联的多个平衡电容器33可被整合成单一的部件。于是优选将平衡电容器33设置为微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)。例如由WiSpry,Inc,Irvine,CA,USA公司以WSC002L的命名提供的可连接电容的整合MEMS线布置。

图5显示本发明所述测量电路1的具有可变电容31和32的另一种实施方式。在此使用可变电容二极管的电路符号表示可变电容31和32，但也可使用其他方式表示。这种测量电路1更适合对移动的诸如纱线的长条形测试材料9进行电容性检查。测试材料9穿过由测量电容器21的两个优选平面电极形成的测量缝。未容纳任何测量对象的参考电容器22与测量电容器21串联。测量电容器21和参考电容器22是LC谐振电路11的一部分，该谐振电路包括两个线圈L1和L2，这两个线圈通过共同芯、电阻器R1、电容器C1耦合。由振荡器4起动谐振电路11。振荡器4接收输入电压VDD，并在谐振电路11的两臂中产生两个基本上呈正弦曲线的相互相移180°的交变电压信号。

为进行平衡，测量电路1包括两个可变电容31和32、以及用于驱动可变电容31和32的控制电路7。控制电路7的核心是放大器73，例如对该放大器73的一个输入端施加2.5V的补偿电压Voff。此外，例如可对控制电路7施加0至4V的移位电压Vshift。控制电路7设置为对两个可变电容31和32施加的控制电压是关于参考电压相互反对称的直流电压这种方式，即它们与参考电压的差值在数量上是相等的，且具有相反的符号。由补偿电压Voff基本上来设定参考电压，且由移位电压Vshift基本上来设定差值。关于用于控制电路7中的电阻器，优选应用下列关系：R3<<R2＝R6＝R7，R4＝R5。

图3中测量电路的另一发展形式是图6中所示的测量电路1，在下文进行描述。如上所述，与图3中实施方式类似的相同元件在图6中具有相同的附图标记，在此将不作进一步详细的说明。与图3中实施方式的主要不同在于四个电桥臂11至14未通过电桥杆进行相互连接。由此，与图3中的电容半测量电桥相反，在此涉及电容全测量电桥。在图6所示的电容测量电桥1中分接出两个输出信号：第一个输出信号分接于输出接线51在第一电桥臂11与第三电桥臂13之间的连接点处，第二个输出信号分接于输出接线52在第二电桥臂12与第四电桥臂14之间的连接点处。经由第一输出线58和第二输出线59向评估单元6提供第一和第二输出信号，由评估单元6确定两输出信号之间的差值。由此它涉及差分测量方法。当各个差值为零时，测量电桥1被平衡。在第二电桥臂12和第四电桥臂14中的一或两个可变电容31和32用于平衡测量电桥1，将它们设置成可变电容二极管、MEMS电容或任何其他形式。

可理解的是本发明并不局限于上文中讨论的实施方式。本领域技术人员将能够根据本发明的内容得出其他变形例。这类变形例如也可以是上文中讨论的实施方式的组合。在图5所示测量电路1中的电容半电桥可被图6所示的电容全电桥代替。本领域技术人员熟知许多的可通过电信号改变其电容的电部件。

附图标记

1 测量电路

11-14 电桥臂

2 待测电容

21 测量电容器

22 参考电容器

3 可变电容

31,32 可变电容二极管

33 平衡电容器

34 开关

4 振荡器

41,42 输入接线

51,52 输出接线

58,59 输出线

6 评估单元

7 控制电路

71,72 控制信号

73 放大器

9 测试材料

Claims (12)

1.一种操作电容测量电路(1)的方法，所述测量电路包括待测电容器配置(2,21)、至少一个具有可变电容的部件(3,31,32)，该至少一个具有可变电容的部件(3,31,32)的电容能够通过至少一个电控制信号(71,72)来改变，和用于输出所述测量电路(1)的输出信号的输出线(58,59)，其特征在于：

所述待测电容器配置(2，21)维持不变，且所述电控制信号与所述测量电路(1)的输出信号无关。

2.根据权利要求1所述的操作电容测量电路(1)的方法，其中所述电控制信号是一种暂时快速变化的、合成产生的和/或先前储存的信号。

3.根据权利要求1所述的操作电容测量电路(1)的方法，其中所述至少一个具有可变电容的部件(3,31,32)选自下组中的部件：变容二极管(31,32)、除变容二极管之外的其他二极管、多个相互并联且可与各自的电控制信号连接和断开的平衡电容器(33)。

4.根据权利要求3所述的操作电容测量电路(1)的方法，其中所述部件选自下组中：反向偏置晶体管、金属氧化物半导体场效应晶体管、微机电电容器、能够由压电元件改变电极距离的电容器。

5.根据权利要求1所述的操作电容测量电路(1)的方法，其中所述测量电路(1)被配置成至少具有两个电桥臂(11至14)的电容测量电桥，其中一个电桥臂(11)是包括所述待测电容器配置(21)的测量臂，且至少另一个电桥臂(12,14)包括所述至少一个具有可变电容的部件(31,32)。

6.根据权利要求5所述的操作电容测量电路(1)的方法，其中所述电容测量电桥包括四个电桥臂(11至14)。

7.根据权利要求1所述的操作电容测量电路(1)的方法，其中所述测量电路(1)包括两个具有可变电容的部件(31,32)，所述两个具有可变电容的部件的电容能够由至少一个电控制信号(71,72)改变。

8.根据权利要求7所述的操作电容测量电路(1)的方法，其中通过基本上相互反对称的方式改变所述两个具有可变电容的部件(31,32)的电容。

9.一种在对移动的长条形测试材料(9)进行电容性检查的设备中操作电容测量电路(1)的方法，

该设备包括具有用于容纳所述测试材料(9)的待测电容器配置(21)的电容测量电路(1)，至少一个具有可变电容的部件(3,31,32)，其电容能够通过至少一个电控制信号(71,72)来改变，其中，所述至少一个具有可变电容的部件(3,31,32)的可变电容被所述至少一个电控制信号(71，72)所改变，和用于输出所述电容测量电路(1)的输出信号的输出线(58,59)，其特征在于：

所述待测电容器配置(21)维持不变，且所述电控制信号与所述电容测量电路(1)的输出信号无关。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述设备还包括用于向所述电容测量电路(1)施加交变电压信号以在所述待测电容器配置(21)中产生交变电场的装置(4)、以及在所述待测电容器配置(21)中用于容纳所述测试材料(9)的通孔，该通孔能经受所述交变电场。

11.根据权利要求9所述的方法，其中所述电容测量电路(1)被配置成至少具有两个电桥臂(11至14)的电容测量电桥，其中一个电桥臂(11)包括所述待测电容器配置(21)，其中另一个电桥臂(13)包括参考电容器(22)，且所述电桥臂中的至少一个(12,14)包括所述至少一个具有可变电容的部件(31,32)。

12.根据权利要求1或9所述的方法，应用于使用所述电容测量电路(1)进行模拟测量、测试所述电容测量电路(1)或测试与所述电容测量电路(1)串联的部件。