CN106289043B - 一种电容式距离测量方法、装置及其定标方法 - Google Patents

一种电容式距离测量方法、装置及其定标方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电容式距离测量方法，包括：控制单元确定激励单元施加第一激励信号的时间；激励单元对探头施加第一激励信号；电容电压转换单元获取探头与被测件之间形成的电容对应的第一电压信号；控制单元确定对数放大处理单元进行对数放大处理的时间；对数放大处理单元对第一电压信号进行对数放大处理，获取第二电压信号；数据采集转换单元将第二电压信号转换为第三电压信号；控制单元将第三电压信号转换为距离值。本发明还公开了一种电容式距离测量装置及其定标方法。

Description

一种电容式距离测量方法、装置及其定标方法
技术领域
本发明涉及电子距离测量技术领域，尤其涉及一种电容式距离测量方法、装置及其定标方法。
背景技术
现有技术中，用于距离测量的传感装置有很多种，例如激光测距、红外光测距、无线电测距、超声波测距、图像识别测距、以及电容传感器测距等。其中，有的可以达到较高的测量精度，但因装置复杂庞大，而无法应用于近距离的测量；有的，例如基于图像识别的测距装置不仅具有同样的问题，且其超声测距受环境影响很大，难以满足毫米量级的测量精度要求；有的，例如电容传感器产品基本上都是针对开关应用场景的，其测量精度非常有限，因此无法用于精确地测量距离，且其支持的探头数量少，因为其在进行探头扩展时探头之间相互干扰严重，导致测量精度严重下降，所以也无法根据需求进行探头数量的扩展。
发明内容
本发明的目的之一至少在于，针对上述现有技术存在的问题，提供一种测量精度高，测量范围大，抗干扰能力强的电容式距离测量方法、装置及其定标方法，且该装置结构简单，体积小，易于扩展。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种电容式距离测量装置，包括：探头，激励单元，电容电压转换单元，对数放大处理单元，数据采集转换单元，以及控制单元；其中，
探头用于与被测件之间形成电容；激励单元与探头连接，用于对探头施加第一激励信号；电容电压转换单元与探头连接，用于获取所形成的电容对应的第一电压信号；对数放大处理单元与电容电压转换单元连接，用于对第一电压信号进行对数放大处理，获取第二电压信号；数据采集转换单元与对数放大处理单元连接，用于将第二电压信号转换为第三电压信号；
控制单元与激励单元、对数放大处理单元、以及数据采集转换单元连接，用于确定激励单元施加第一激励信号的时间，确定对数放大处理单元进行对数放大处理的时间，以及将第三电压信号转换为距离值。
优选地，上述装置还包括设置在所述探头背面的屏蔽层，与激励单元连接；
激励单元还用于对探头施加第二激励信号；其中，第二激励信号与第一激励信号的幅度和相位相同。
优选地，上述装置还包括与控制单元连接的显示单元，用于显示所述距离值；或者，
所述装置还包括与控制单元连接的通信单元，用于将所述距离值发送给上位装置。
优选地，上述激励单元通过采样电阻与探头连接；所述电容电压转换单元通过跨接于所述采样电阻的仪表放大器获取第一电压信号。
优选地，上述对数放大处理单元包括：峰值保持模块、电平调整模块、对数放大模块、和放大及范围调整模块；其中，
峰值保持模块用于对第一电压信号的正向峰值进行跟踪并保持；电平调整模块用于将第一电压信号调整到对数放大模块的输入范围内；对数放大模块用于对第一电压信号进行对数放大，获取第二电压信号；放大及范围调整模块用于将第二电压信号调整到数据采集转换单元的输入范围内。
优选地，上述峰值保持模块包括：运算放大器、二极管、储能电容、放电开关以及限流电阻；其中，
第一电压信号流入输入运算放大器同相输入端，经运算放大器的输出端和二极管后至峰值保持模块输出端；
放电开关一端接地，一端连接运算放大器反向输入端，且与储能电容并联连接；运算放大器输出端、二极管、限流电阻、以及运算放大器反向输入端形成反馈环路；
控制单元用于通过开关信号控制放电开关，使储能电容放电，或者充电。
优选地，上述探头的数量大于或等于一；
当所述探头的数量大于一时，探头排列为阵列形式。
一种电容式距离测量方法，包括：
控制单元确定激励单元施加第一激励信号的时间；
激励单元对探头施加第一激励信号；
电容电压转换单元获取探头与被测件之间形成的电容对应的第一电压信号；
控制单元确定对数放大处理单元进行对数放大处理的时间；
对数放大处理单元对第一电压信号进行对数放大处理，获取第二电压信号；
数据采集转换单元将第二电压信号转换为第三电压信号；
控制单元将第三电压信号转换为距离值。
优选地，上述对数放大处理单元对第一电压信号进行对数放大处理，获取第二电压信号包括：
峰值保持模块对第一电压信号的正向峰值进行跟踪并保持；电平调整模块将第一电压信号调整到对数放大模块的输入范围内；对数放大模块对第一电压信号进行对数放大，获取第二电压信号；放大及范围调整模块将第二电压信号调整到数据采集转换单元的输入范围内。
一种用于上述的装置的定标方法，包括：把探头固定在定标测试台上；调整电路参数，使第三电压信号电压值变化范围与预设的测量范围相匹配；调整探头与被测件之间的定标距离，从定标测试台读取定标距离，并获取对应的第三电压信号电压值；对定标距离与第三电压信号电压值进行数据拟合，获取定标距离与第三电压信号电压值的拟合关系式；调整探头与被测件之间的定标距离，对拟合关系式进行验证；当误差值满足精度要求时验证通过，完成定标；当误差值不满足精度要求时，再次调整探头与被测件之间的定标距离，获取对应的第三电压信号电压值，以及定标距离与第三电压信号电压值的拟合关系式。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明至少具有以下有益效果：
1、通过电容电压转换装置将电容随距离变化的关系转换成电压随距离变化的关系，减少了计算量，降低了距离测量对复杂器件的依赖，简化了距离测量装置结构，减小了体积；
2、控制单元使激励单元施加到探头和屏蔽层上的激励信号具有相同的幅度和相同的相位，这样探头与屏蔽层始终保持相同的电平，从而消除了探头背面杂散电容对测量精度的影响，提高了距离测量的精度和抗干扰能力；
3、当探头的数量大于一时，控制单元使各个探头的激励信号以及对数放大处理同步，在多探头阵列式测量时不仅能够克服探头之间的相互干扰，还能够进一步扩大测量范围；
4、通过引入对数放大，使得距离和电压的变化量分布更均匀，当测量距离增大到一定范围时，提高了对应的电压变化量，从而提高了测量精度，而且增大了距离测量的测量动态范围，减小了噪声系数；相应地，可以通过设置相对较小的测量精度来进一步扩大距离测量的测量动态范围；
5、通过峰值保持模块对电压信号的正向峰值进行跟踪并保持，降低了对数据采样的绝对时间精度要求，减小了电路寄生参数和时钟抖动等因素对测量精度的影响，进一步提高了距离测量装置的测量精度；控制单元通过开关信号使信号采集和峰值保持相对同步，减少了装置内信号的相互干扰，降低了峰值保持电路漏电流对测量精度的影响，进一步提高了测量精度；
6、根据电容电压转换之后的电压与定标距离进行标定，减少的电容量的直接计算等步骤，简化了定标过程；通过对各测量通道进行定标，克服了电路元件离散性及分布参数的差异，从进一步提高了本发明上述实施例中的距离测量装置的距离测量精度。
附图说明
图1是本发明实施例一公开的电容式距离测量装置的结构原理示意图；
图2是本发明实施例二公开的电容式距离测量装置的结构原理示意图；
图3是本发明实施例三公开的电容式距离测量装置中激励采样电路示意图；
图4是本发明实施例四公开的电容式距离测量装置中对数放大处理单元的结构示意图；
图5是本发明实施例四公开的电容式距离测量装置中对数放大前及对数放大后电压随距离的变化示意图；
图6是本发明实施例五公开的电容式距离测量装置中峰值保持模块的电路结构示意图；
图7是本发明实施例六公开的电容式距离测量方法的流程图；
图8是本发明实施例七公开的用于电容式距离测量装置的定标方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明，以使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一
本发明一实施例公开的电容式距离测量装置包括：探头，激励单元，电容电压转换单元，对数放大处理单元，数据采集转换单元，以及控制单元。
如图1所示，探头与被测件之间形成电容Cs，当被测件与探头之间的相对距离变动时，电容Cs的电容量随之改变，距离越大电容越小，通过测量电容量的大小即可测量出被测件与探头之间的相对距离。
其中，激励单元与探头连接，用于对探头施加第一激励信号；具体地，激励单元可以包括数模转换器(Digital-To-Analog Converter，DAC)，用于产生诸如移相正弦波信号、三角波信号等激励信号。
电容电压转换单元与探头连接，用于获取所形成的电容对应的第一电压信号；对数放大处理单元与电容电压转换单元连接，用于对第一电压信号进行对数放大处理，获取第二电压信号；
数据采集转换单元与对数放大处理单元连接，用于将第二电压信号转换为第三电压信号；具体地，数据采集转换单元可以包括模数转换器(Analog-To-Digital Converter，ADC)，用于将模拟型号转换为数字信号。
控制单元与激励单元、对数放大处理单元、以及数据采集转换单元连接，用于确定激励单元施加第一激励信号的时间，确定对数放大处理单元进行对数放大处理的时间，以及将第三电压信号转换为距离值。具体地，控制单元可以包括现场可编程门阵列(FieldProgrammable Gate Array，FPGA)和微控制器(Microcontroller Unit，MCU)等，通过距离与电压的拟合关系式将将第三电压信号转换为距离值。
通过上述装置，测量距离可以达到25厘米以上，并且在测量距离小于14厘米时测量误差小于等于1毫米。而且，还可以在降低部分测量精度的情况下进一步提高测量距离。
实施例二
如图2所示，本发明一优选实施例公开的电容式距离测量装置在前述装置的基础上，进一步包括设置在探头背面的屏蔽层，与激励单元连接，探头与屏蔽层之间的介质可以为绝缘隔离材料或其他填充材料；
相应地，激励单元还用于对探头施加第二激励信号；其中，第二激励信号与第一激励信号的幅度和相位相同。控制单元还可以用于确定激励单元施加第一激励信号的相位、幅度等。
在优选的实施例中，上述装置还可以包括与控制单元连接的显示单元，用于显示所述距离值，例如液晶显示屏等电子显示设备直接显示所测量的距离值。在其他优选的实施例中，所述装置也可以包括与控制单元连接的通信单元，用于将所述距离值发送给上位装置，即本装置可以置入其他装置内部，将测量的距离值作为参数发送给其他装置进行进一步的处理。
上述实施例中，控制单元使激励单元施加到探头和屏蔽层上的激励信号具有相同的幅度和相同的相位，这样探头与屏蔽层始终保持相同的电平，从而消除了探头背面杂散电容对测量精度的影响，提高了距离测量的精度和抗干扰能力。
在进一步优选的实施例中，探头的数量可以大于或等于一；当所述探头的数量大于一时，探头排列为阵列形式。探头背面设置有屏蔽层，控制单元使各个探头的激励信号以及对数放大处理同步，在多探头阵列式测量时不仅能够克服探头之间的相互干扰，还能够进一步扩大测量范围。
实施例三
本发明一优选实施例公开的电容式距离测量装置在前述装置的基础上，进一步包括如图3所示的激励采样电路。其中，激励单元通过采样电阻Rs与探头(即电容Cs中探头一侧)连接，对探头施加激励信号；电容电压转换单元通过跨接于采样电阻Rs的仪表放大器(Instrumentation Amplifier，INA)，例如，精密低功耗仪表放大器，获取第一电压信号。
具体地，对平板式电容器电容量计算公式进行化简，则电压与距离之间的变化关系可以近似为Vs＝V0+k/D，其中，Vs表示电阻Rs两端的电压，V0表示电容Cs的相对电压，D表示探头与被测件的距离，k为比例常数。
相比于现有技术中直接测量电容值再换算为距离值，本发明上述实施例中的装置通过电容电压转换装置将电容随距离变化的关系转换成电压随距离变化的关系。由于，电容量在测量中仅作为中间量出现，因此不需要计算电容的绝对大小，从而减少了计算量，降低了距离测量对复杂器件的依赖，简化了距离测量装置结构，减小了装置的体积。
实施例四
本发明一优选实施例公开的电容式距离测量装置在前述装置的基础上，包括如图4所示的对数放大处理单元。
具体地，该对数放大处理单元包括：峰值保持模块、电平调整模块、对数放大模块、和放大及范围调整模块；其中，峰值保持模块用于对第一电压信号的正向峰值进行跟踪并保持；电平调整模块用于将第一电压信号调整到对数放大模块的输入范围内；对数放大模块用于对第一电压信号进行对数放大，获取第二电压信号；放大及范围调整模块用于将第二电压信号调整到数据采集转换单元的输入范围内。
由关系式Vs＝V0+k/D可知，电压与距离之间近似成反比关系，即电压值将随距离的增大迅速地减小。通过对数放大模块对第一电压信号进行对数放大，对数放大前及对数放大后电压随距离的变化如图5所示。当探头与被测件之间的距离较大时，例如在距离范围D1内，对数放大前电压变化量为V1，对数放大后电压变化量为V2。可以看出，通过引入对数放大，使得距离和电压的变化量分布更均匀，当测量距离增大到一定范围时，提高了对应的电压变化量，从而提高了测量精度，而且增大了距离测量的测量动态范围，减小了噪声系数；相应地，可以通过设置相对较小的测量精度来进一步扩大距离测量的测量动态范围。
实施例五
本发明一优选实施例公开的电容式距离测量装置在前述装置的基础上，包括如图6所示的峰值保持模块。
其中，峰值保持模块包括：运算放大器OP、二极管Dmk、储能电容Cmk、放电开关Qmk以及限流电阻Rmk；其中，
第一电压信号Vin流入输入运算放大器同相输入端，经运算放大器OP的输出端和二极管Dmk后至峰值保持模块输出端Vmko；
放电开关Qmk一端接地，一端连接运算放大器OP反向输入端，且与储能电容Cmk并联连接；具体地，放电开关Qmk可以包括金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-SemiconductorField Effect Transistor，MOSFET)；
运算放大器OP输出端、二极管Dmk、限流电阻Rmk、以及运算放大器OP反向输入端形成反馈环路；
控制单元用于通过开关信号Vk控制放电开关Qmk，使储能电容Cmk放电，或者充电。
上述峰值保持模块对输入的第一电压信号的正向峰值进行跟踪并保持，控制单元控制放电开关Qmk在数据采集转换单元对信号采集完成后，对储能电容Cmk进行放电，以为下一次采集做好准备。并且，控制单元通过调整激励信号与开关信号Vk之间的相位关系，可以使峰值保持模块输出Vmko输出零伏到正峰值之间的电压。
通过上述峰值保持模块对电压信号的正向峰值进行跟踪并保持，降低了对数据采样的绝对时间精度要求，减小了电路寄生参数和时钟抖动等因素对测量精度的影响，进一步提高了距离测量装置的测量精度；控制单元通过开关信号使信号采集和峰值保持相对同步，减少了装置内信号的相互干扰，降低了峰值保持电路漏电流对测量精度的影响，进一步提高了测量精度。
实施例六
如图7所示，本发明一优选实施例公开的电容式距离测量方法包括以下步骤：
步骤701：控制单元确定激励单元施加第一激励信号的时间；
步骤702：激励单元对探头施加第一激励信号；
步骤703：电容电压转换单元获取探头与被测件之间形成的电容对应的第一电压信号；
步骤704：控制单元确定对数放大处理单元进行对数放大处理的时间；
具体地，控制单元可以确定对数放大处理单元中的峰值保持模块对电压信号的正向峰值进行跟踪并保持的时间；
步骤705：对数放大处理单元对第一电压信号进行对数放大处理，获取第二电压信号；
其中，本步骤具体可以包括：峰值保持模块对第一电压信号的正向峰值进行跟踪并保持；电平调整模块将第一电压信号调整到对数放大模块的输入范围内；对数放大模块对第一电压信号进行对数放大，获取第二电压信号；放大及范围调整模块将第二电压信号调整到数据采集转换单元的输入范围内。
步骤706：数据采集转换单元将第二电压信号转换为第三电压信号；
步骤707：控制单元将第三电压信号转换为距离值；其中，当探头的数量大于一时，控制单元保持对各个探头施加第一激励信号的时间同步，以及进行对数放大处理的时间同步。
通过上述实施例中方法，能够探测大于250mm的距离，且在小于140mm范围内实现优于1mm的测量误差。
实施例七
如图8所示，本发明一优选实施例公开了一种用于上述电容式距离测量装置的定标方法，包括以下步骤：
步骤801：把探头固定在定标测试台上；
其中，固定探头时探头平面与被测件平面正对且平行，从而减小定标误差；定标台上有对应的刻度，可以直接读取探头与被测件之间的定标距离；
步骤802：调整电路参数，使第三电压信号电压值变化范围与预设的测量范围相匹配；
具体地，调整电路参数(例如，采样电阻的阻值等)，在预设的测量范围内移动探头，通过调整电路的增益值，使第三电压信号电压值变化范围与距离测量范围相匹配，例如，当探头距离被测件最近时数据采集转换单元输出的第三电压信号电压值为最大，距离被测件最远时数据采集转换单元输出的第三电压信号电压值为最小；
步骤803：调整探头与被测件之间的定标距离，从定标测试台读取定标距离，并获取对应的第三电压信号电压值；
具体地，随机移动探头，读取探头与被测件之间的定标距离D，获取数据采集转换单元输出的对应第三电压信号电压值，例如ADC值；再次移动探头，并记录下相应的定标距离D距离及对应的ADC值，如此重复10次，获取10对定标距离D和对应的ADC值；
步骤804：对定标距离与第三电压信号电压值进行数据拟合；
具体地，对步骤803获取的10个定标距离D以及对应的10个ADC值进行数据拟合，获取定标距离D与ADC值之间的拟合关系式；
步骤805：调整探头与被测件之间的定标距离，对拟合关系式进行验证；
随机移动探头，读取并记录下探头与被测件之间的定标距离D，使用步骤804得到的拟合关系式对获取的ADC值进行计算，得到测量距离值Dc，计算得到测量误差De＝Dc-D，例如，可以如此重复5次，即使用随机的5个定标距离对拟合关系式进行验证；
步骤806：判断验证结果是否通过；
用步骤805获得的5个误差值与测量精度要求进行对比，如都满足精度要求则验证通过，完成定标；如果误差不能满足精度要求，则返回步骤803再次调整探头与被测件之间的定标距离，获取对应的第三电压信号电压值；在优选的实施例中，可以进一步增加步骤803中重复测量次数，以提高拟合精度。
一方面，根据电容电压转换之后的电压与定标距离进行标定，减少的电容量的直接计算等步骤，简化了定标过程；另一方面，通过对各测量通道进行定标，克服了电路元件离散性及分布参数的差异，从进一步提高了本发明上述实施例中的距离测量装置的距离测量精度。
以上实施方式仅用于说明本发明的较佳实施例，而非对本发明的限制。相关技术领域的技术人员在不脱离本发明的原则和范围的情况下，做出的各种替换、变型以及改进均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电容式距离测量装置，其特征在于，所述装置包括：探头，激励单元，电容电压转换单元，对数放大处理单元，数据采集转换单元，以及控制单元；其中，
探头用于与被测件之间形成电容；激励单元与探头连接，用于对探头施加第一激励信号；电容电压转换单元与探头连接，用于获取所形成的电容对应的第一电压信号；对数放大处理单元与电容电压转换单元连接，用于对第一电压信号进行对数放大处理，获取第二电压信号；数据采集转换单元与对数放大处理单元连接，用于将第二电压信号转换为第三电压信号；
控制单元与激励单元、对数放大处理单元、以及数据采集转换单元连接，用于确定激励单元施加第一激励信号的时间，确定对数放大处理单元进行对数放大处理的时间，以及将第三电压信号转换为距离值。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括设置在所述探头背面的屏蔽层，与激励单元连接；
激励单元还用于对探头施加第二激励信号；其中，第二激励信号与第一激励信号的幅度和相位相同。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括与控制单元连接的显示单元，用于显示所述距离值；或者，
所述装置还包括与控制单元连接的通信单元，用于将所述距离值发送给上位装置。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激励单元通过采样电阻与探头连接；所述电容电压转换单元通过跨接于所述采样电阻的仪表放大器获取第一电压信号。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述对数放大处理单元包括：峰值保持模块、电平调整模块、对数放大模块、和放大及范围调整模块；其中，
峰值保持模块用于对第一电压信号的正向峰值进行跟踪并保持；电平调整模块用于将第一电压信号调整到对数放大模块的输入范围内；对数放大模块用于对第一电压信号进行对数放大，获取第二电压信号；放大及范围调整模块用于将第二电压信号调整到数据采集转换单元的输入范围内。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述峰值保持模块包括：运算放大器、二极管、储能电容、放电开关以及限流电阻；其中，
第一电压信号流入输入运算放大器同相输入端，经运算放大器的输出端和二极管后至峰值保持模块输出端；
放电开关一端接地，一端连接运算放大器反向输入端，且与储能电容并联连接；运算放大器输出端、二极管、限流电阻、以及运算放大器反向输入端形成反馈环路；
控制单元用于通过开关信号控制放电开关，使储能电容放电，或者充电。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其特征在于，所述探头的数量大于或等于一；
当所述探头的数量大于一时，探头排列为阵列形式。
8.一种电容式距离测量方法，其特征在于，所述方法包括：
控制单元确定激励单元施加第一激励信号的时间；
激励单元对探头施加第一激励信号；
电容电压转换单元获取探头与被测件之间形成的电容对应的第一电压信号；
控制单元确定对数放大处理单元进行对数放大处理的时间；
对数放大处理单元对第一电压信号进行对数放大处理，获取第二电压信号；
数据采集转换单元将第二电压信号转换为第三电压信号；
控制单元将第三电压信号转换为距离值。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述对数放大处理单元对第一电压信号进行对数放大处理，获取第二电压信号包括：
峰值保持模块对第一电压信号的正向峰值进行跟踪并保持；电平调整模块将第一电压信号调整到对数放大模块的输入范围内；对数放大模块对第一电压信号进行对数放大，获取第二电压信号；放大及范围调整模块将第二电压信号调整到数据采集转换单元的输入范围内。
10.一种用于权利要求1至7中任一项所述的装置的定标方法，其特征在于，所述定标方法包括：把探头固定在定标测试台上；调整电路参数，使第三电压信号电压值变化范围与预设的测量范围相匹配；调整探头与被测件之间的定标距离，从定标测试台读取定标距离，并获取对应的第三电压信号电压值；对定标距离与第三电压信号电压值进行数据拟合，获取定标距离与第三电压信号电压值的拟合关系式；调整探头与被测件之间的定标距离，对拟合关系式进行验证；当误差值满足精度要求时验证通过，完成定标；当误差值不满足精度要求时，再次调整探头与被测件之间的定标距离，获取对应的第三电压信号电压值，以及定标距离与第三电压信号电压值的拟合关系式。
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