CN106643823A - 一种消除温度对电容编码器影响的方法及电容编码器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种消除温度影响的电容编码器，包含一个变化容值电容测量通道和一个固定容值电容测量通道，和一个对两者测量值进行运算的电路，此运算电路中包含减法器；变化容值电容测量通道包含正弦波载波产生电路，容值随编码器运动而变化的电容，和解调电路；固定容值电容测量通道包含正弦波载波产生电路，容值不随编码器运动而变化的电容，和解调电路；对两者测量值进行运算的电路，其输入为变化容值电容测量通道输出的和温度有关的可变位置信息，和固定容值电容测量通道输出的和温度有关的固定位置信息，输出为和温度无关的可变位置信息。

Description

一种消除温度对电容编码器影响的方法及电容编码器
技术领域
本发明属于电容编码器技术领域，尤其是涉及一种消除温度对电容编码器影响的方法及电容编码器。
背景技术
在运动检测领域，大众所熟知的传感器为编码器，分为线性编码器和旋转编码器，其中使用广泛的为旋转编码器，因为旋转运动通常可以通过电机旋转加传送带的方式转变为线性运动。旋转编码器包括3种类型：光电编码器，磁电编码器，电容编码器。相比光电式编码器，电容式编码器更耐用，且造价低，能够忍受恶劣的环境，比如冲击，振动，粉尘等；相比磁电式编码器，电容编码器可以提供更高的精度，更低的造价，且非常适合需要中空轴而不是实心轴的应用。线性编码器多为电容编码器，很少使用光电编码器和磁电编码器。
电容式编码器是通过检测运动部分相对固定部分在运动过程中引发的电容的容值变化，从而得到两者的相对位置信息。应用时，将运动部分固定在待测物体的运动部件上，即可随时测量待测物体的运动参数。为了测量容值随运动变化的电容在各个时刻点的电容值，必须使用一个交流信号作为激励，这个交流信号就是载波，载波通过变化的电容后，会被电容所调制，从而得到调制波，调制波中同时含有载波信息和电容容值信息。为了得到电容容值信息，必须对调制波进行解调。所以，电容编码器至少需要包含3部分，载波发生电路，容值随运动变化的电容，解调电路。
无论是载波发生电路，电容，还是解调电路，温度的变化都会导致电路的性能改变，从而导致测量的结果也发生改变，这样，当温度变化时，便会导致测量值不准，具体表现为任意两个时刻的位置差距信息，只有在这两个时刻的温度相等的情况下才是准确的，当两个时刻的温度不相等时，便不再准确。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种消除温度对电容编码器影响的方法，以使电容编码器不受温度变化的影响，测量值更加精确。
本发明的核心思想是：使用一个固定电容的电容测量通道对可变电容的电容测量通道进行补偿，温度对这两个通道的影响是相同的，因此只需要将两个通道的测量结果相减，即可将温度的影响完全消除，得到的结果为补偿之后的位置信息，等于可变电容所代表的位置信息和固定电容所代表的位置信息的差值。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种消除温度对电容编码器影响的方法，包括如下内容：通过可变电容的电容测量通道，输出随温度变化和编码器运动而变化的可变位置信息；通过固定电容的电容测量通道，输出随温度变化而变化的固定位置信息；将可变位置信息和固定位置信息进行相减处理，得到与温度无关的随编码器运动而变化的输出位置信息。
进一步的，所述可变电容的电容测量通道通过正弦波载波产生电路产生载波信号，容值随编码器运动而变的可变电容对载波信号进行调制，通过解调电路对调制信号进行解调后得到可变位置信息；所述固定电容的电容测量通道通过正弦波载波产生电路产生载波信号，容值不随编码器运动而变的固定电容对载波信号进行调制，通过解调电路对调制信号进行解调后得到固定位置信息。
进一步的，所述相减处理步骤可以使用硬件逻辑实现，也可以使用软件实现。
相对于现有技术，本发明所述的方法具有以下优势：
(1)通过固定电容的电容测量通道的测量值的补偿作用，消除了温度对电容编码器影响，使测量值更加准确；
(2)本发明方法设计简单，容易实现。
本发明的另一目的在于提出一种消除温度影响的电容编码器，以使电容编码器不受温度变化的影响，测量值更加精确。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种消除温度影响的电容编码器，包括：一个可变电容的电容测量通道和一个固定电容的电容测量通道，还有一个对两个测量通道的测量值进行运算的运算电路，所述运算电路包含减法器；所述可变电容的电容测量通道包含信号依次连接的正弦波载波产生电路、可变电容和解调电路；所述固定电容的电容测量通道包含信号依次连接的正弦波载波产生电路、固定电容和解调电路。
进一步的，所述可变容值的电容测量通道和固定电容的电容测量通道可以共享同一个正弦波载波产生电路，也可以各自使用独立的正弦波载波产生电路；
进一步的，所述可变容值的电容测量通道和固定电容的电容测量通道可以共享同一个解调电路，也可以各自使用独立的解调电路；若共享同一个解调电路，则在解调电路前面增加一个多路选择器，通过改变多路选择器的控制信号，可以将解调电路配置成用于可变电容的电容测量通道或者是用于固定电容的电容测量通道。
所述电容编码器与上述方法相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例中电容编码器的可变电容的结构的正面透视示意图。
图2为本发明实施例中电容编码器的可变电容的结构的侧面示意图。
图3为本发明实施例中发射极板的电学连接示意图。
图4为本发明实施例中接收极板的电学连接示意图。
图5为本发明实施例中转子的正面形状示意图。
图6为本发明实施例中变化容值电容测量通道的电路示意图。
图7为本发明实施例中加上了温度补偿电路后的电路示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
另外，在本发明中所提到的可变电容，是指电容的容值随运动而变化的电容，其容值随电容编码器的运动而改变。
在本发明中所提到的固定电容，是指电容的容值不随运动而变化的电容，其容值不随电容编码器的运动而改变。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本发明实施例一种消除温度对电容编码器影响的方法，包括如下内容：
通过可变电容的电容测量通道，输出随温度变化和编码器运动而变化的可变位置信息；其中所述可变电容的电容测量通道通过正弦波载波产生电路产生载波信号，容值随编码器运动而变的可变电容对载波信号进行调制，通过解调电路对调制信号进行解调后得到可变位置信息；
通过固定电容的电容测量通道，输出随温度变化而变化的固定位置信息；其中，所述固定电容的电容测量通道通过正弦波载波产生电路产生载波信号，容值不随编码器运动而变的固定电容对载波信号进行调制，通过解调电路对调制信号进行解调后得到固定位置信息；
将可变位置信息和固定位置信息进行相减处理，得到与温度无关的随编码器运动而变化的输出位置信息。
所述相减处理步骤可以使用硬件逻辑实现，如本实施例的减法器，也可以使用与电容编码器信号连接的控制器(比如MCU，DSP)内的软件程序实现。
本发明实施例一种消除温度影响的电容编码器，包括一个可变电容的电容测量通道和一个固定电容的电容测量通道，和一个对两个测量通道的测量值进行运算的运算电路50，所述运算电路50包含减法器，所述减法器的输入包含：可变电容的电容测量通道得到的和温度有关的可变位置信息，和用固定容值的电容测量通道得到的和温度有关的固定位置信息，其输出为和温度无关的输出位置信息。
所述可变电容的电容测量通道包含信号依次连接的正弦波载波产生电路、可变电容和解调电路；所述固定电容的电容测量通道包含信号依次连接的正弦波载波产生电路、固定电容和解调电路。
本实施例所述可变容值的电容测量通道和固定电容的电容测量通道可以共享同一个正弦波载波产生电路20。
所述正弦波载波产生电路为现有技术，其作用是产生载波信号，载波信号为至少单路或多路正弦周期信号，比如单路信号sinωt，多路信号sinωt和cosωt，可以使用数字PWM正弦波或者模拟正弦波；本实施例所产生的载波信号为sinωt，cosωt，-sinωt，-cosωt。
本实施例所述可变容值的电容测量通道和固定电容的电容测量通道各自使用独立的解调电路，分别为第一解调电路30和第二解调电路60。所述解调电路为幅度解调或相位解调电路，是标准的现有技术。
为了实现温度补偿，本实施例中增加的固定电容的电容测量通道，包含2个固定电容和第二解调电路60。
所述电容编码器包括固定部分和运动部分，本发明实施例的固定部分为指定子，运动部分指动子13，所述运动部分相对固定部分的位置可以被改变，包括旋转，平移等。
本发明实施例的可变电容包括定子和转子13，所述定子有2个，分别包含了电容的两个极板，其中一个被定义为发射极板11，另一个被定义为接收极板12；所述转子13位于两个极板之间，由介电常数不等于空气的介电常数的材质构成，通常选用绝缘材料，介电常数远大于空气的介电常数；2个所述定子和1个转子13以同心的方式被组装在一起，三者之间存在空气缝隙，如图1和图2所示；所述接收电极板12为一个圆环，由导电材料制成，连接解调电路，如图4所示。
所述发射极板11上包含了32个发射电极片，32个发射电极片围绕发射极板11的圆周均匀分布，由导电材料制成；其中以4个发射电极片为一组，构成8组，各组之间相互连接在一起，最终形成4个电极，4个电极分别接收4路载波信号，分别为第一路载波信号21、第二路载波信号22、第三路载波信号23和第四路载波信号24，4路载波信号来自于正弦波载波产生电路20，如图3所示。
所述发射极板11和接收极板12上的电极共同构成了容值随着编码器机体运动而变化的可变电容，其电路表示为4个可变电容并联，分别为第一可变电容41、第二可变电容42、第三可变电容43和第四可变电容44，当转子13转动时，4个可变电容的极板中间的空气和绝缘材料的比例会变化，相当于电容的介电常数变化，因此4个可变电容的容值都会变化，且可变电容的容值和转子13所处的角度有一一映射的关系。
4个可变电容会对四路载波信号进行调制，且合成为1路调制波信号31；第一解调电路30对调制波信号31进行解调，得到可变位置信息51，如图6所示。
本实施例所述转子13为花瓣型结构，由绝缘材料制成，为可随被测对象转动的部件，如图5所示。
对于本实施例来说，花瓣型结构的所述转子13包括8个相同的花瓣，因此，整个转子13的圆周被细分为8份，这样相当于把电容编码器的分辨率和精度提高到了花瓣图案只出现1次的电容编码器的8倍。
本实施例两个所述固定电容分别为第一固定电容45和第二固定电容46，两个所述固定电容的其中一个极板分别连接到第三路载波信号23和第四路载波信号24，另一个极板接在一起，得到固定调制波信号32，固定调制波信号32输入进第二解调电路60中，进行解调后，得到固定位置信息52，可变位置信息51和固定位置信息52输入进运算电路50，减法运算后得到和温度无关的输出位置信息71，如图7所示。
由于可变位置信息51和固定位置信息52都会随着温度的变化而变化，只需要将第一调制电路30和第二调制电路60放在空间邻近的位置，温度对两者的影响就是近似等同的，将可变位置信息51和固定位置信息52进行相减处理，即可消除掉温度的影响。
对于增量式编码器，只需要当前时刻的位置相对于上一个时刻的位置的变化量，因此使用两个时刻的补偿之后的位置信息之差即可。
对于绝对式编码器，需要定义某一个时刻的位置为零点位置，这个时刻的补偿之后的位置信息为零点值，后续测量时，使用当前时刻的补偿之后的位置信息，减去零点值，即可得到相对于零点的位置，也就是绝对位置。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种消除温度对电容编码器影响的方法，其特征在于包括如下内容：
通过可变电容的电容测量通道，输出随温度变化和编码器运动而变化的可变位置信息；
通过固定电容的电容测量通道，输出随温度变化而变化的固定位置信息；
将可变位置信息和固定位置信息进行相减处理，得到与温度无关的随编码器运动而变化的位置信息。
2.根据权利要求1所述的消除温度对电容编码器影响的方法，其特征在于：所述可变电容的电容测量通道通过正弦波载波产生电路产生载波信号，容值随编码器运动而变的可变电容对载波信号进行调制，通过解调电路对调制信号进行解调后得到可变位置信息；
所述固定电容的电容测量通道通过正弦波载波产生电路产生载波信号，容值不随编码器运动而变的固定电容对载波信号进行调制，通过解调电路对调制信号进行解调后得到固定位置信息。
3.根据权利要求1所述的消除温度对电容编码器影响的方法，其特征在于：所述相减处理步骤可以使用硬件逻辑实现，也可以使用软件实现。
4.一种消除温度影响的电容编码器，其特征在于包括：
一个可变电容的电容测量通道和一个固定电容的电容测量通道，还有一个对两个测量通道的测量值进行运算的运算电路，所述运算电路包含减法器；
所述可变电容的电容测量通道包含信号依次连接的正弦波载波产生电路、可变电容和解调电路；所述固定电容的电容测量通道包含信号依次连接的正弦波载波产生电路、固定电容和解调电路。
5.根据权利要求4所述的消除温度影响的电容编码器，其特征在于：所述可变容值的电容测量通道和固定电容的电容测量通道可以共享同一个正弦波载波产生电路，也可以各自使用独立的正弦波载波产生电路。
6.根据权利要求4所述的消除温度影响的电容编码器，其特征在于：所述可变容值的电容测量通道和固定电容的电容测量通道可以共享同一个解调电路，也可以各自使用独立的解调电路；若共享同一个解调电路，则在解调电路前面增加一个多路选择器。
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