CN105446366B - 一种基于电容式传感器的位置控制系统及其控制方法 - Google Patents

一种基于电容式传感器的位置控制系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于基于电容式传感器的位置控制技术领域，提供一种基于电容式传感器的位置控制系统及其控制方法，本发明控制系统包括耦合放大电路、测量电桥电路、信号积分电路、减法器电路、电容测量极板、可编程信号发生电路、基准电容以及传动机构；通过输出受控电压控制传动机构带动电容测量极板到设定位置。本发明控制系统及其控制方法，响应速度快，精度高，线性化好，而且实现成本低，位置控制操作简单，满足现在激光切割和焊接领域的需求。

Description

一种基于电容式传感器的位置控制系统及其控制方法
技术领域
本发明属于基于电容式传感器的位置控制技术领域，具体涉及一种基于电容式传感器的位置控制系统及其控制方法。
背景技术
现有的电容式传感器检测控制电路常用的方法主要有两种，一种是采用电容传感器信号采集的专用芯片，但这类芯片，使用范围很小，而且响应速度慢；另一种是采用高速模数转换芯片，配合高速数字信号处理芯片，但这种方式制作成本很高，控制算法可靠性有待验证。
发明内容
本发明的目的是提供一种响应速度快，精度高，线性化好，而且实现成本低，位置控制操作简单的基于电容式传感器的位置控制系统及其控制方法，满足现在激光切割和焊接领域的需求。
本发明的发明目的是通过如下技术方案实现的。
一种基于电容式传感器的位置控制系统，包括耦合放大电路、测量电桥电路、信号积分电路、减法器电路、电容测量极板、可编程信号发生电路、基准电容以及传动机构；所述电容测量极板为1块导电极板，该导电极板通过耦合放大电路与测量电桥电路的电桥相连，电容测量极板与另一导电体表面形成被测电容；所述可编程信号发生电路，由标准时钟源、锁相环电路及除法器构成，用于产生1~1KHz的方波信号输出给测量电桥电路；所述测量电桥电路一端与被测电容相连，一端与基准电容相连，在方波信号作用下电桥输出与当前电容测量极板位置相对应的电压信号；该电压信号经信号积分电路后形成直流电压信号输出给减法器电路；所述减法器电路将与当前电容测量极板位置相对应的电压直流信号和设定电压信号输入到减法器，减法器输出受控电压；所述减法器电路的输出端与传动机构相连，传动机构与电容测量极板相连。
在上述技术方案中，所述耦合放大电路为一个高频LC变压器耦合电路。
在上述技术方案中，所述传动机构为一个受电压控制的伺服电机系统，当电压为零时电机停止，电压为正时电机正转，电压为负时电机反转。
在上述技术方案中，所述基准电容为一个与经耦合放大电路放大后的被测电容在电容值上等数量级的精密电容，该精密电容的电容值为1~10nf。
本发明还提供一种上述的基于电容式传感器的位置控制系统的控制方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
（1）将电容测量极板与另一导电体表面的距离设为0~5mm，其等效电容为0~5pf，通过耦合放大电路将该电容值放大1000倍后耦合到测量电桥电路中；
（2）可编程信号发生电路的标准时钟源产生1Hz时钟信号，通过除法器对锁相环电路的设置，实现1~1000的倍频输出，即产生1~1KHz的方波信号输出给测量电桥电路；
（3）测量电桥电路输出与当前电容测量极板位置相对应的电压信号，由于方波的充放电作用该信号为一个三角波，将该三角波信号通过一个信号积分电路，得到与当前电容测量极板位置相对应的直流电压信号；
（4）预先将电容测量极板移动到与另一导电体表面的距离达到设定位置，再通过设置可编程信号发生电路中的除法器调节可编程信号发生电路输出方波信号的频率，使在该频率方波作用下的测量电桥电路输出电压经信号积分电路积分后与设定电压信号相等；所述设定电压信号为：当电容测量极板与另一导电体表面的距离达到设定位置时，电容测量极板位置相对应的直流电压信号；
（5）将与当前电容测量极板位置相对应的直流电压信号与设定电压信号通过减法器电路的减法器输出，该输出电压即为受控电压；
（6）当与当前电容测量极板位置相对应的直流电压信号与设定电压信号相等时即电容测量极板即处于设定位置，当与当前电容测量极板位置相对应的直流电压信号与设定电压信号不相等时，减法器电路输出的电压差，通过受控电压控制的传动机构，改变电容测量极板的位置，使电容测量极板保持在设定位置。
本发明控制系统及其控制方法，通过输出受控电压控制传动机构带动电容测量极板到设定位置，响应速度快，精度高，线性化好，而且实现成本低，位置控制操作简单，满足现在激光切割和焊接领域的需求。
附图说明
图 1 为本发明的系统框图。
图 2为本发明中耦合放大电路的电路连接图。
图 3为本发明中可编程信号发生电路的电路连接图。
图 4为本发明中测量电桥电路的电路连接图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明实施例提供一种基于电容式传感器的位置控制系统，包括耦合放大电路、测量电桥电路、信号积分电路、减法器电路、电容测量极板、可编程信号发生电路、基准电容以及传动机构；所述电容测量极板为1块导电极板，该导电极板通过耦合放大电路与测量电桥电路的电桥相连，电容测量极板与另一导电体表面形成被测电容；所述可编程信号发生电路，由标准时钟源、锁相环电路及除法器构成，用于产生1~1KHz的方波信号输出给测量电桥电路；所述测量电桥电路一端与被测电容相连，一端与基准电容相连，在方波信号作用下电桥输出与当前电容测量极板位置相对应的电压信号；该电压信号经信号积分电路后形成直流电压信号输出给减法器电路；所述减法器电路将与当前电容测量极板位置相对应的电压直流信号和设定电压信号输入到减法器，减法器输出受控电压；所述减法器电路的输出端与传动机构相连，传动机构与电容测量极板相连。
在本实施例中，电容测量极板为激光切割或激光焊接的激光头喷嘴，该喷嘴与金属加工面形成被测电容。
在本实施例中，所述耦合放大电路为一个高频LC变压器耦合电路，放大倍数为1000倍，它将被测电容放大后与测量电桥电路的电桥相连接。如图2所示，被测电容与耦合放大电路的P2接头连接，经过高频变压器T1将被测电容耦合放大后经P1接头输出，放大倍数为1000倍。
在本实施例中，所述传动机构为一个受电压控制的伺服电机系统，当电压为零时电机停止，电压为正时电机正转，电压为负时电机反转。
在本实施例中，所述基准电容为一个与经耦合放大电路放大后的被测电容在电容值上等数量级的精密电容，该精密电容的电容值为1~10nf。
在本实施例中，如图3所示，可编程信号发生电路由标准时钟源MM5369、锁相环CD4046B及除法器CD4059A构成，标准时钟源MM5369产生1Hz的时钟信号，通过修改除法器CD4059A的输入，使锁相环CD4046B输出1~1KHz的方波信号。
在本实施例中，如图4所示为测量电桥电路，其中C15为基准电容，被测电容信号与P3接口连接，可编程信号发生电路输出的方波信号经R10，R11输入到电桥。方波信号分别作用在基准电容和被测电容上，产生两路三角波信号，将这两路三角波信号通过一个异或门，再对输出信号进行积分处理。
本实施例还提供一种上述的基于电容式传感器的位置控制系统的控制方法，该方法包括以下步骤：
（1）将激光切割或激光焊接的激光头喷嘴与金属加工面的距离设为0~5mm，其等效电容为0~5pf，通过耦合放大电路将该电容值放大1000倍后耦合到测量电桥电路中；
（2）可编程信号发生电路的标准时钟源产生1Hz时钟信号，通过除法器对锁相环电路的设置，实现1~1000的倍频输出，即产生1~1KHz的方波信号输出给测量电桥电路；
（3）测量电桥电路输出与当前激光切割或激光焊接的激光头喷嘴位置相对应的电压信号，由于方波的充放电作用该信号为一个三角波，将该三角波信号通过一个信号积分电路，得到与当前激光切割或激光焊接的激光头喷嘴位置相对应的直流电压信号；
（4）预先将激光切割或激光焊接的激光头喷嘴移动到与金属加工面的距离达到设定位置，再设置可编程信号发生电路中的除法器调节可编程信号发生电路输出方波信号的频率，使在该频率方波作用下的测量电桥电路输出电压经信号积分电路积分后与设定电压信号相等；所述设定电压信号为：当激光切割或激光焊接的激光头喷嘴与金属加工面的距离达到设定位置时，激光切割或激光焊接的激光头喷嘴位置相对应的直流电压信号；
（5）将与当前激光切割或激光焊接的激光头喷嘴位置相对应的直流电压信号与设定电压信号通过减法器电路的减法器输出，该输出电压即为受控电压；
（6）当与激光切割或激光焊接的激光头喷嘴位置相对应的直流电压信号与设定电压信号相等时即为设定位置，当与当前激光切割或激光焊接的激光头喷嘴位置相对应的直流电压信号与设定电压信号不相等时，减法器电路输出的电压差，通过受控电压控制的传动机构，改变激光切割或激光焊接的激光头喷嘴的位置，使激光切割或焊接输出的激光聚焦后的焦点保持在预期位置。
本发明的上述实例仅仅为清楚说明本发明所作的举例，而非本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (4)

1.一种基于电容式传感器的位置控制方法，该方法使用的控制系统包括耦合放大电路、测量电桥电路、信号积分电路、减法器电路、电容测量极板、可编程信号发生电路、基准电容以及传动机构；所述电容测量极板为1块导电极板，该导电极板通过耦合放大电路与测量电桥电路的电桥相连，电容测量极板与另一导电体表面形成被测电容；所述可编程信号发生电路，由标准时钟源、锁相环电路及除法器构成，用于产生1~1KHz的方波信号输出给测量电桥电路；所述测量电桥电路一端与被测电容相连，一端与基准电容相连，在方波信号作用下电桥输出与当前电容测量极板位置相对应的电压信号；该电压信号经信号积分电路后形成直流电压信号输出给减法器电路；所述减法器电路将与当前电容测量极板位置相对应的电压直流信号和设定电压信号输入到减法器，减法器输出受控电压；所述减法器电路的输出端与传动机构相连，传动机构与电容测量极板相连；
其特征在于该方法包括以下步骤：
（1）将电容测量极板与另一导电体表面的距离设为0~5mm，其等效电容为0~5pf，通过耦合放大电路将该电容值放大1000倍后耦合到测量电桥电路中；
（2）可编程信号发生电路的标准时钟源产生1Hz时钟信号，通过除法器对锁相环电路的设置，实现1~1000的倍频输出，即产生1~1KHz的方波信号输出给测量电桥电路；
（3）测量电桥电路输出与当前电容测量极板位置相对应的电压信号，由于方波的充放电作用该信号为一个三角波，将该三角波信号通过一个信号积分电路，得到与当前电容测量极板位置相对应的直流电压信号；
（4）预先将电容测量极板移动到与另一导电体表面的距离达到设定位置，再设置可编程信号发生电路中的除法器调节可编程信号发生电路输出方波信号的频率，使在该频率方波作用下的测量电桥电路输出电压经信号积分电路积分后与设定电压信号相等；所述设定电压信号为：当电容测量极板与另一导电体表面的距离达到设定位置时，电容测量极板位置相对应的直流电压信号；
（5）将与当前电容测量极板位置相对应的直流电压信号与设定电压信号通过减法器电路的减法器输出，该输出电压即为受控电压；
（6）当与当前电容测量极板位置相对应的直流电压信号与设定电压信号相等时即电容测量极板即处于设定位置，当与当前电容测量极板位置相对应的直流电压信号与设定电压信号不相等时，减法器电路输出的电压差，通过受控电压控制的传动机构，改变电容测量极板的位置，使电容测量极板保持在设定位置。
2.根据权利要求1所述的基于电容式传感器的位置控制方法，其特征在于：所述耦合放大电路为一个高频LC变压器耦合电路。
3.根据权利要求1所述的基于电容式传感器的位置控制方法，其特征在于：所述传动机构为一个受电压控制的伺服电机系统，当电压为零时电机停止，电压为正时电机正转，电压为负时电机反转。
4.根据权利要求1所述的基于电容式传感器的位置控制方法，其特征在于：所述基准电容为一个与经耦合放大电路放大后的被测电容在电容值上等数量级的精密电容，该精密电容的电容值为1~10nf。
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