CN108469218A

CN108469218A - 一种电容测距方法、系统、装置及可读存储介质

Info

Publication number: CN108469218A
Application number: CN201810438235.7A
Authority: CN
Inventors: 徐德俊; 曾涵湄; 高洪兵; 袁文波; 王钦若
Original assignee: Guangdong University of Technology
Current assignee: Guangdong University of Technology
Priority date: 2018-05-09
Filing date: 2018-05-09
Publication date: 2018-08-31
Anticipated expiration: 2038-05-09
Also published as: CN108469218B

Abstract

本申请公开了一种电容测距方法、系统、装置及可读存储介质，包括：变换测距电路中第一开关的状态并开始计时；监测第一开关的状态变换后第一电容第一端的端电压，并获取第一电容的变换参数；根据变换参数，计算第一电容的第一电容值；根据第一电容值，获取对应的测距结果；本申请根据电容特性，利用设计好的测距电路在变换第一开关的过程中获取其变换参数，从而计算得到第一电容值，也即得到测量极板与被测金属极板之间的电容值，然后利用电容的极板距离与电容值之间的联系，通过获取测量极板与被测金属极板之间的电容值，从而得到测量极板与被测金属极板之间的距离。本方法在高温下依然可以获取准确结果，因此应用的测距环境和温度范围更为广泛。

Description

一种电容测距方法、系统、装置及可读存储介质

技术领域

本发明涉及测距领域，特别涉及一种电容测距方法、系统、装置及可读存储介质。

背景技术

随着工业产业逐渐迈向现代化和自动化，对于物件距离的精度要求越来越高。目前通常使用的测距手段有红外测距和激光测距，这两种方法使用方便，精度高量程大，但是当应用在某些金属切割场合时，切割的过程会产生高温高热，这种恶劣环境下无法采用红外或激光等测距方法来保持切割头和被切割金属之间的恒定距离，从而使得测距结果不准确，切割效果差。而且红外测距装置和激光测距装置体积较大，成本昂贵，在这种恶劣环境可能损坏，造成额外损失。

因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是目前本领域技术人员需要解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电容测距方法、系统、装置及可读存储介质，以便能够在环境较为恶劣时能够获取准确的测距结果。其具体方案如下：

一种电容测距方法，包括：

变换测距电路中第一开关的状态并开始计时；

监测所述第一开关的状态变换后第一电容第一端的端电压，并获取所述第一电容的变换参数；

根据所述变换参数，计算所述第一电容的第一电容值；

根据所述第一电容值，获取所述第一电容值对应的测距结果；

其中，所述测距电路包括第一单元，所述第一单元的第一端接直流电源，所述第一单元的第二端接地；所述第一单元包括所述第一电容、第一电阻、所述第一开关和第一辅助电阻，所述第一开关与所述第一辅助电阻串联后与所述第一电容并联，所述第一电容的第一端与所述第一电阻的第一端连接，所述第一电容的第二端作为所述第一单元的第一端或第二端，所述第一电阻的第二端作为所述第一单元的第二端或第一端；所述第一电容包括测量极板和被测金属极板。

优选的，所述监测所述第一开关的状态变换后第一电容第一端的端电压，并获取所述第一电容的变换参数的过程，包括：

监测所述第一开关的状态变换后所述第一电容第一端的端电压；

获取所述状态变换后所述端电压的一个端电压值与对应的变化时间。

优选的，所述测距电路还包括第二单元，所述第二单元包括第二电容、第二电阻、第二开关和第二辅助电阻，其中：

所述第二开关和所述第二辅助电阻串联后与所述第二电容并联，所述第二电容的第一端与所述第二电阻的第一端连接，所述第二电容的第二端与所述第一电容的第二端连接，所述第二电阻的第二端与所述第一电阻的第二端连接；

所述第二电阻和所述第二辅助电阻的阻值比，与所述第一电阻和所述第一辅助电阻的阻值比相等；

相应的，所述变换测距电路中第一开关的状态并开始计时的同时，还包括：

对所述第二开关进行与所述第一开关相同的状态变换；

相应的，所述监测所述第一开关的状态变换后第一电容第一端的端电压，并获取所述第一电容的变换参数的同时，还包括：

监测所述第二电容第一端的端电压，并获取所述第二电容的变换参数。

优选的，获取所述第一电容的变换参数与所述第二电容的变换参数的过程，具体包括：

获取所述第一电容第一端的端电压值由第一预设电压到第二预设电压的变化时间；

获取所述第二电容第一端的端电压值由所述第一预设电压到所述第二预设电压的变化时间。

优选的，所述第一电阻与所述第二电阻的阻值相等。

优选的，所述测距电路还包括第三电阻和第四电阻，所述第三电阻的第一端与所述第四电阻的第一端相连，所述第三电阻的第二端与所述第一电容的第二端相连，所述第四电阻的第二端与所述第一电阻的第二端相连；

所述监测所述第一开关的状态变换后第一电容第一端的端电压的过程，具体包括：

通过比较器，监测所述第一开关的状态变换后第一电容第一端的端电压与所述第三电阻的第一端的端电压之间的电压差值。

优选的，所述第三电阻与所述第四电阻的阻值比，大于所述第一辅助电阻与所述第一电阻的阻值比。

相应的，本发明还公开了一种电容测距系统，包括：

开关模块，用于变换测距电路中第一开关的状态并开始计时；

监测模块，用于监测所述第一开关的状态变换后第一电容第一端的端电压，并获取所述第一电容的变换参数；

第一数据模块，用于根据所述变换参数，计算所述第一电容的第一电容值；

第二数据模块，用于根据所述第一电容值，获取所述第一电容值对应的测距结果；

相应的，本发明还公开了一种电容测距装置，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上文任一项所述电容测距方法的步骤。

相应的，本发明还公开了一种可读存储介质，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上文任一项所述电容测距方法的步骤。

本发明公开了一种电容测距方法，包括：变换测距电路中第一开关的状态并开始计时；监测所述第一开关的状态变换后第一电容第一端的端电压，并获取所述第一电容的变换参数；根据所述变换参数，计算所述第一电容的第一电容值；根据所述第一电容值，获取所述第一电容值对应的测距结果；

本发明中，根据电容特性，利用设计好的测距电路在变换第一开关的过程中获取其变换参数，从而计算得到第一电容值，也即得到测量极板与被测金属极板之间的电容值，然后利用电容的极板距离与电容值之间的联系，通过获取测量极板与被测金属极板之间的电容值，从而得到测量极板与被测金属极板之间的距离。相比现有技术，本发明在高温下依然可以获取较为准确的结果，因此应用的测距环境和温度范围更为广泛。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中一种电容测距方法的步骤流程图；

图2为本发明实施例中一种电容测距方法的测距电路的结构拓扑图；

图3为本发明实施例中另一种电容测距方法的测距电路的结构拓扑图；

图4为本发明实施例中又一种电容测距方法的测距电路的结构拓扑图；

图5为本发明实施例中一种电容测距系统的结构分布图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种电容测距方法，参见图1所示，包括：

S1：变换测距电路中第一开关s1的状态并开始计时；

可以理解的是，第一开关s1的状态只有导通或关断两种，所以在步骤S1中，变换第一开关s1的状态可以是将导通的第一开关s1关断，或将关断的第一开关s1导通。

S2：监测所述第一开关s1的状态变换后第一电容C1第一端的端电压，并获取所述第一电容C1的变换参数；

S3：根据所述变换参数，计算所述第一电容C1的第一电容值Cx；

S4：根据所述第一电容值Cx，获取所述第一电容值Cx对应的测距结果；

其中，所述测距电路包括第一单元1，所述第一单元1的第一端接直流电源Vcc，所述第一单元1的第二端接地；所述第一单元1包括所述所述第一开关s1、第一电容C1、第一电阻R1和第一辅助电阻Rs1，所述第一开关s1与所述第一辅助电阻Rs1串联后与所述第一电容C1并联，所述第一电容C1的第一端与所述第一电阻R1的第一端连接，所述第一电容C1的第二端作为所述第一单元1的第一端或第二端，所述第一电阻R1的第二端作为所述第一单元1的第二端或第一端；所述第一电容C1包括测量极板和被测金属极板。

可以理解的是，本方案中的测距电路可以看做是更复杂电路的等效电路，也即，除了第一电容C1确实是测量极板和被测金属极板组成的电容外，第一开关s1、第一电阻R1和第一辅助电阻Rs1均可以是多个元件组成的、具有等效作用的组合电路。

参见图2，图2为第一电容C1的第二端作为第一单元1的第二端、第一电阻R1的第二端作为第一单元1的第一端的情况。另一种情况中第一电容C1的第二端作为第一单元1的第一端、第一电阻R1的第二端作为第一单元1的第二端，与图2类似，此处不再作图表示。

从图2中可看出，由于电源为直流电源，因此当第一开关s1关断时，第一单元1处于断路状态，第一电容C1两端的电压值最终稳定为直流电源Vcc的电压值；当第一开关s1导通时，第一单元1处于导通状态，第一电阻R1与第一辅助电阻Rs1串联接通，第一电容C1两端的电压值最终稳定为第一辅助电阻Rs1的电压值，也即由于电容特性，在第一开关s1状态突然从一状态变换为另一状态，第一电容C1两端的电压值会逐渐从一个状态变化为另一状态，该过程中，第一电容C1两端的电压值计算关系式为：其中v₁(t)为任意时刻t的电压值，v₀₁为初始电压值，v_u1为终止电压值，τ1＝R1·Cx为第一电容C1的时间常数。

因此，步骤S1中第一开关s1的状态变换后，第一电容C1在测距电路中的状态发生变化，步骤S2通过检测第一电容C1的电压变化，也即获取变换参数，根据变换参数内含的变化趋势，在步骤S3中计算第一电容值Cx。

具体的，步骤S2可以包括：

S21：监测所述第一开关s1的状态变换后所述第一电容C1第一端的端电压；

S22：获取所述状态变换后所述端电压的一个端电压值与对应的变化时间。

在图2中，由于第一电容C1两端的电压值就是第一电容C1的第一端和接地点的电压差值，也就是第一电容C1的第一端的端电压值；但在与图2相对的另一情况中，第一电容C1两端的电压值是直流电压与第一电容C1的第一端的端电压的电压差值。当然，在已知测距电路的元件参数的情况下，只要获取第一电容C1第一端的端电压值即可得出本方案中所需电压值。

在步骤S3中，将S22中的端电压值和对应的变化时间，带入电压值计算公式再利用时间常数计算公式τ1＝R1·Cx，很容易得出第一电容值Cx。

当然，具体的步骤S2和S3还可以有其他的变换参数以及第一电容值的计算方法，此处不作限制。

步骤S4中，获取所述第一电容值Cx对应的测距结果的根据是电容计算公式Cx＝εS/d，其中ε为介电常数，S为测量极板与被测金属极板之间的正对面积，d为测量极板与被测金属极板之间的距离。利用该电容计算公式即可计算得到测距结果。但是，考虑到距离d和电容值Cx不成正比，可以预先测量出不同距离对应的电容值，将其以列表形式存储，待进行步骤S4时直接查表获取测距结果。

可以理解的是，为了达到更高的精度，可以多次在同一环境条件下应用本实施例中的电容测距方法，将获得的多个测距结果进行统计和优化处理，从而获得更为准确可靠的测距结果。但要注意，进行多次测试时，应该尽量等到第一电容C1的电压已经达到稳定后，再开始变换第一开关s1的状态。

本发明实施例公开了一种具体的电容测距方法，相对于上一实施例，本实施例对技术方案作了进一步的说明和优化。具体的：

所述测距电路还包括第二单元2，所述第二单元2包括第二电容C2、第二电阻R2、第二开关s2和第二辅助电阻Rs2，其中：

所述第二开关s2和所述第二辅助电阻Rs2串联后与所述第二电容C2并联，所述第二电容C2的第一端与所述第二电阻R2的第一端连接，所述第二电容C2的第二端与所述第一电容C1的第二端连接，所述第二电阻R2的第二端与所述第一电阻R1的第二端连接；

所述第二电阻R2和所述第二辅助电阻Rs2的阻值比，与所述第一电阻R1和所述第一辅助电阻的Rs1的阻值比相等，也即此时第一电容C1的两个稳定状态的电压值，和第二电容C2的两个稳定状态的电压值相同。

本实施例中的测距电路参见图3所示，可以看出第一单元1和第二单元2的结构相似，每个电路元件的参数均为已知。第二单元2中第二开关s2的状态变换时第二电容C2的变化也与第一电容C1类似，第二电容C2两端的电压值的计算公式为其中v₂(t)为任意时刻t的电压值，v₀₂为初始电压值，v_u2为终止电压值，τ2＝R2·C2为第二电容C2的时间常数。

相应的，步骤S1所述变换测距电路中第一开关s1的状态的同时，还包括：

对所述第二开关s2进行与所述第一开关s1相同的状态变换；

相应的，步骤S2所述监测所述第一开关s1的状态变换后第一电容C1第一端的端电压，并获取所述第一电容C1的变换参数的同时，还包括：

监测所述第二电容C2第一端的端电压，并获取所述第二电容的变换参数。

由于第二单元2中电路元件的参数已知，实际上第二电容C2的电压值可以有上文的公式计算得到。此时通过同时变换第一开关s1和第二开关s2，可以联立两个公式，然后消元化简，从而简化第一电容C1的时间常数的计算。

进一步的，获取所述第一电容C1的变换参数与所述第二电容的变换参数的过程，具体包括：

获取所述第一电容C1第一端的端电压值由第一预设电压到第二预设电压的变化时间t1；

获取所述第二电容第一端的端电压值由所述第一预设电压到所述第二预设电压的变化时间t2。

其中第一预设电压一般指第一开关s1状态变化前的稳定的电压值，第二预设电压为两个稳定状态的电压值之间的某一电压值。当然，第一预设电压也可以设置为两个稳定状态的电压值之间的某一电压值，只要第一预设电压与第二预设电压符合变化规律上的时间先后即可。

联立两个电压值计算公式：

由于所有对应电压均相等，因此可以得到然后考虑时间常数与元件参数的联系，可以计算出

进一步的，所述第一电阻R1与所述第二电阻R2的阻值相等。

此时计算更加简单，计算即可。

当然，在应用图3的电路时，还可以采用其他的方法进行两路电路的联立消元化简，获得比第一个实施例的计算过程更为简洁的测距结果。

参见图4所示，所述测距电路还包括第三电阻R3和第四电阻R4，所述第三电阻R3的第一端与所述第四电阻R4的第一端相连，所述第三电阻R3的第二端与所述第一电容C1的第二端相连，所述第四电阻R4的第二端与所述第一电阻R1的第二端相连；

所述监测所述第一开关s1的状态变换后第一电容C1第一端的端电压的过程，具体包括：

通过比较器，监测所述第一开关s1的状态变换后第一电容C1第一端的端电压与所述第三电阻的第一端的端电压之间的电压差值。

可以理解的是，通过比较器获取的电压差值能够更准确地定位电压值与其对应的时间。

具体的，所述第三电阻与所述第四电阻的阻值比，大于所述第一辅助电阻与所述第一电阻的阻值比，也即按照该阻值比设置，能够得到以下比较关系：

当第一电容C1从一个稳定状态向另一个稳定状态变化时，其电压值必然经过第三电阻的第一端的端电压值，此时比较器的比较结果发生变化，可以灵敏地记录下对应第三电阻R3的第一端的端电压值与对应的时间。

其中，本实施例中可以只包括第一单元1、第三电阻R3和第四电阻R4，也可以更进一步包括第二单元2。

当电路中还包括第二单元2时，通过两个比较器，分别监测第三电阻R3的第一端的端电压与第一电容C1的第一端的端电压、第二电容C2的第一端的端电压，准确记录到达第二预设电压为时的变化时间t1和t2。

在实际操作中，比较器的输出发送给控制器，第一开关s1、第二开关s2均由控制器控制，变化时间的计时同样由控制器内部模块计时。

相应的，本发明实施例还公开了一种电容测距系统，参见图5所示，包括：

开关模块01，用于变换测距电路中第一开关的状态并开始计时；

监测模块02，用于监测所述第一开关的状态变换后第一电容第一端的端电压，并获取所述第一电容的变换参数；

第一数据模块03，用于根据所述变换参数，计算所述第一电容的第一电容值；

第二数据模块04，用于根据所述第一电容值，获取所述第一电容值对应的测距结果；

本实施例中的测距电路可以参照上述实施例中的描述以及图2。

本实施例中的电容测距系统具有与上述实施例中电容测距方法相同的有益效果。

相应的，本发明实施例还公开了一种电容测距装置，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上文任一项实施例所述电容测距方法的步骤。

其中有关所述电容测距方法的具体内容可以参照上述实施例中的描述。

本实施例中的电容测距装置具有与上述实施例中电容测距方法相同的有益效果。

相应的，本发明还公开了一种可读存储介质，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上文实施例任一项所述电容测距方法的步骤。

本实施例中的可读存储介质具有与上述实施例中电容测距方法相同的有益效果。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的一种电容测距方法、系统、装置及可读存储介质进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种电容测距方法，其特征在于，包括：

变换测距电路中第一开关的状态并开始计时；

根据所述变换参数，计算所述第一电容的第一电容值；

2.根据权利要求1所述电容测距方法，其特征在于，所述监测所述第一开关的状态变换后第一电容第一端的端电压，并获取所述第一电容的变换参数的过程，包括：

3.根据权利要求1所述电容测距方法，其特征在于，所述测距电路还包括第二单元，所述第二单元包括第二电容、第二电阻、第二开关和第二辅助电阻，其中：

对所述第二开关进行与所述第一开关相同的状态变换；

4.根据权利要求3所述电容测距方法，其特征在于，获取所述第一电容的变换参数与所述第二电容的变换参数的过程，具体包括：

5.根据权利要求4所述电容测距方法，其特征在于，

所述第一电阻与所述第二电阻的阻值相等。

6.根据权利要求1至5任一项所述电容测距方法，其特征在于，

所述测距电路还包括第三电阻和第四电阻，所述第三电阻的第一端与所述第四电阻的第一端相连，所述第三电阻的第二端与所述第一电容的第二端相连，所述第四电阻的第二端与所述第一电阻的第二端相连；

7.根据权利要求6所述电容测距方法，其特征在于，

所述第三电阻与所述第四电阻的阻值比，大于所述第一辅助电阻与所述第一电阻的阻值比。

8.一种电容测距系统，其特征在于，包括：

9.一种电容测距装置，其特征在于，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1至7任一项所述电容测距方法的步骤。

10.一种可读存储介质，其特征在于，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述电容测距方法的步骤。