CN104748812B - 差分电容小物体计数传感器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种对运动中物体进行计数和体积测量的传感器。特别是一种基于差分电容测量原理的小物体计数传感器。传感器由间隔为d的2个分开的电极板和一个公共电极板组成的差分电容（C1，C2），差分电容传感器专用电路及微处理器组成。本发明的差分电容小物件计数传感器基于差分电容的测量原理，克服了现有电容式小物体计数传感器易受外界环境影响的缺点，提高了传感器的抗干扰能力和长期稳定性。本发明可以广泛地用于对运动中小物体如自动药粒包装机中的药粒，滴定管中液滴等进行计数的应用中。

Description

差分电容小物体计数传感器

技术领域

本发明是一种用于对运动中物体进行计数和体积测量的传感器, 特别是一种基于差分电容测量原理的小物体计数传感器。

背景技术

工业自动化及其他领域中，需要对运动中的物体进行计数。例如自动包装机械中，需要在包装过程中，对被包装的物体的个数进行计数，以满足每包一定数量的要求。能够对运动中的物体进行计数的传感器有光电类计数传感器，电感类计数传感器，高速摄像头和电容类计数传感器， 他们各自有优点和缺点。 例如，光电类小物体计数传感器测量范围大，可以测量各种介质的物体，但是存在易受粉尘影响的缺点。高速摄像头测量范围大，但是价格昂贵。 电容类小物体计数传感器利用测量物体通过传感器时所引起的电容变化的原理来计算出通过电容传感器的物体数量，由于其成本低并可以测量各种介质的物体， 因而被广泛用于工业控制及其他领域中。

现有的电容传感器通常采用物体通过单电容引起电容变化测量方法。单电容的电容值容易受各种外界因素影响，如测量环境湿度升高时，将使传感器的电容值升高；邻近物体靠近传感器时或环境温度发生变化时，也会使得传感器的电容值发生变化。因此，现有的电容小物体计数传感器存在着抗干扰能力和长期稳定性比较差的缺点，阻碍了电容小物件计数传感器在各个领域的广泛应用。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种克服上述缺点的差分电容小物件计数传感器。

本发明提供一种利用差分电容测量原理实现对通过传感器的物体数量进行计数及体积测量的差分电容小物体计数传感器。这样组成的差分电容小物体计数传感器，当物体通过传感器时传感器的输出正比于2个相邻电容的差值（C1-C2）， 而不是2个电容的绝对值C1或C2。由于外界因素，如温度，湿度，邻近物体对2个电容的影响是一样的，因此，基于差分电容测量原理的小物件计数传感器的输出受外界环境变化的影响远小于同样的变化对基于单电容的电容式小物件计数传感器的影响，具有比基于单电容的传感器较好的抗干扰能力和长期稳定性, 克服了现有电容式小物体计数传感器易受外界因素影响的缺点。

本发明的技术方案如下：

所述传感器包括由间隔为d的2个分开的电极板和一个公共电极板组成的差分电容（C1，C2）， 差分电容传感器专用电路及微处理器组成。

作为本发明的进一步技术方案，所述传感器在测量时使需要计数的物体逐个通过传感器，物体下落时先通过极板1和公共极板3组成的电容C1，再通过由极板2和公共极板3组成的电容C2。

作为本发明的一种优选方案，由电极组成的差分电容C1-C2，通过差分电容传感器专用电路（ASIC）转换成电信号，并输入到微处理器进行处理。

作为本发明的进一步技术方案，所述传感器中的差分电容传感器专用电路包括由可编程差分电容-电压转换电路，可编程零点校正电路，可编程放大电路，滤波电路，缓冲输出电路，接口通讯电路（SPI， I2C或单线）。

作为本发明的另一种优选方案，所述传感器中的差分电容传感器专用电路含有可编程带通滤波电路，可以使传感器只对一定频率以上及一定频率以下的信号有响应。

作为本发明的进一步技术方案，所述传感器中的微处理器带有A/D转换器，可以采集差分电容传感器专用电路的输出信号并对采集到的数据进行高速运算。

作为本发明的一种优选方案，所述传感器中的微处理器根据采集到的物体通过C1时的开始时间和结束时间，其产生的输出电压，物体通过C2的的开始时间和结束时间，其产生的输出电压，及物体通过C1和C2的时间差来判断是否有物体经过传感器并对物体的大小进行计算。

附图说明

图1是本发明的差分电容小物体计数传感器。

图2是本发明的差分电容传感器专用电路框图。

图3是本发明的差分电容传感器系统框图。

图4是本发明的物体通过差分电容传感器时的输出波形。

具体实施方式

请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明

本发明是按如下的方式来实现的：如图1所示，利用间隔为d的2个分开的电极板和一个公共电极板组成差分电容C1，C2。

测量时使需要计数的物体逐个通过由这三个电容极板所组成的传感器，物体下落时先通过极板1和公共极板3组成的电容C1，再通过由极板2和公共极板3组成的电容C2。差分电容由差分电容传感器专用电路4转换成电信号，并输入到微处理器进行处理。

差分电容传感器专用电路（ASIC）由可编程差分电容－电压转换（C－V）电路，可编程零点校正电路，可编程放大电路，可编程带通滤波电路，缓冲输出电路，比较器电路, 接口通讯电路及微处理器组成。由可编程差分电容－电压转换电路将差分电容转换成电信号， 并通过可编程零点校正电路对ASIC的零点进行校正， 使得ASIC的输出在无物体掉落时的电压为Vdd/2。可编程放大电路针对物体的大小，对ASIC的增益进行调整，使得物体掉落时ASIC的输出信号足够大，可以输入微处理器中进行A／D转换和相应数字处理。如果传感器需要工作在较大的温度范围内，如-40°C -125°C, 最后一级的温度补偿能过补偿系统存在的温度系数。

在物体的下落过程中，差分电容传感器专用电路的输出大小正比于（C1-C2），其大小及正负同物体的材质有关。介质常数大于1的物体将使得电容增大，介质常数小于1的物体将使电容减小。以下以介质常数大于1的物体通过传感器对本发明进行说明。

没有物体经过时，差分电容传感器专用电路（ASIC）的输出经过调节可编程零点校正电路，调整为Vdd/2；当物体在时间段（t1-t2）经过电容C1时，由于物体的介质常数大于空气的介质常数，因此电容C1增大，电容C2保持不变，因此，在时间t1 到时间t2的这段时间T内，｛C1（T）-C2（T）｝大于物体未下落时的C1-C2， ASIC的输出Sout输出为大于Vdd/2的正电平，幅度为V1，输出波形开始时间为t1，结束时间为t2；同样，当物体在时间t3 到时间t4的这段时间t内在经过电容C2时，｛C1（t）-C2（t）｝小于物体未下落时的C1-C2，ASIC的输出Sout为小于Vdd/2的负电平 幅度为V2，开始时间为t3，结束时间为t4。

根据物体的大小及下落速度，设置传感器专用电路的中带通滤波器，使得传感器只对一定频率的信号有响应，这样，传感器对系统中的直流漂移及高频噪声将没有响应，从而进一步提高传感器的抗干扰能力。

通过微处理器的A/D对Sout进行采样并进行高速运算，如果V1，V2大于一定的阈值，并且，t1-t2，t3-t4， t2-t3， ｛（t3＋t4）／2-（t1＋t2）／2｝满足一定的要求时，则微处理器判断传感器内有一个物体经过。

微处理器对V1，在t1-t2时间内积分及V2，在t3-t4时间内积分，所得到的值可以用来对物体的大小进行判断。 如果所得积分值小于或大于一定阈值，说明被计数物体中混有远小于被包装物体的杂质或被包装物体可能多个粘连在一起， 一起通过传感器。 微处理器可根据系统要求，发出警报。

综合上述，本发明利用差分电容的测量方法，根据2个距离很近的电容组成的差分电容对外界温度，湿度的变化及其他外界因素所带来的电容变化可以相互抵消的原理，减小了外界因素对传感器的影响，提高了传感器的抗干扰能力及长期稳定性。本发明通过专用电路中的带通滤波器及微处理器中的算法，使传感器不受电路直流漂移及高频噪声的影响，进一步提高了传感器的抗干扰能力及长期稳定性。

Claims (3)

1.一种利用差分电容实现对通过传感器的物体数量进行计数及体积测量的差分电容计数传感器，其特征在于，差分电容传感器专用电路由可编程差分电容－电压转换电路，可编程零点校正电路，可编程放大电路，可编程滤波电路，比较器电路，温度补偿电路及缓冲输出电路，接口通讯电路及微处理器组成；

所述差分电容计数传感器还包括差分电容，所述差分电容包括第一电容(C1)和第二电容(C2)；

所述第一电容(C1)由第一电容极板(1)和公共极板(3)组成；

所述第二电容(C2)由所述公共极板(3)和第二电容极板(2)组成；

所述公共极板垂直于所述第一电容极板(1)和所述第二电容极板(2)设置；

所述第一电容极板(1)和所述第二电容极板(2)由上至下呈一定间隔排列，物体依次通过所述第一电容(C1)和所述第二电容(C2)；

所述差分电容连接所述差分电容传感器专用电路，所述差分电容传感器专用电路根据所述差分电容生成电信号，并输入所述微处理器进行处理；

所述微处理器依照所述物体依次通过所述第一电容(C1)时的电信号和通过所述第二电容(C2)时的电信号的信号幅度、时间，以及，所述第一电容(C1)的电信号与所述第二电容(C2)的电信号之间的时间差对所述物体进行计数；

所述微处理器依照所述时间和所述信号幅度计算所述物体的体积。

2.根据权利要求1所述的差分电容计数传感器，其特征在于，所述差分电容计数传感器的零点及灵敏度通过所述可编程零点校正电路及所述可编程放大电路调整。

3.根据权利要求1所述的差分电容计数传感器，其特征在于，所述差分电容计数传感器的频带通过可编程带通滤波器来调节。

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