CN109917185B

CN109917185B - 一种基于谐振频率测量的电容传感器及其工作方法及应用

Info

Publication number: CN109917185B
Application number: CN201910245319.3A
Authority: CN
Inventors: 陈志龙
Original assignee: Beijing Tongchuang Weina Technology Co ltd
Current assignee: Beijing Tongchuang Weina Technology Co ltd
Priority date: 2019-03-28
Filing date: 2019-03-28
Publication date: 2021-01-15
Anticipated expiration: 2039-03-28
Also published as: CN109917185A

Abstract

本公开提供了一种基于谐振频率测量的电容传感器及其工作方法及应用。其中，基于谐振频率测量的电容传感器，包括传感器探头，与被测极板构成平板电容；等幅稳频正弦振荡器，其与平板电容的探头端相连，平板电容的被测极板端接地；等幅稳频正弦振荡器，用于输出幅值稳定，频偏对应于被测极板的位移量或面积变化量的振荡载波信号；本地振荡器，用于输出幅值和频率稳定的本振信号；正交解调器，用于将振荡信号通过本振信号解调为同相分量和正交分量；正交相位测量装置，其用于计算正交分量与同相分量的反正切函数，得到频差信号的相位及频率；通过频差信号频率与电容变化量的关系，求出被测极板的位移量或面积变化量。其在极宽的采样频率范围内都可以达到精密测量。

Description

一种基于谐振频率测量的电容传感器及其工作方法及应用

技术领域

本公开属于传感器测量领域，尤其涉及一种基于谐振频率测量的电容传感器及其工作方法及应用。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

电容式位移传感器具有结构简单、精度高、动态特性好、频带宽等特点，常用于测量微小位移，在工业生产和科学研究中得到了广泛应用。

发明人发现，当前的电容传感器一般通过累计一定时间的信号过零次数来测量谐振频率，不可避免地存在起始相位误差和最后一个过零点到测量时间结束之间的相位误差，只能通过测量尽可能多次数的周期来降低误差比例，但这将极大地降低传感器带宽和采样速率。另一种常用方法是测量信号的整周期的时间，然而随着信号周期的变化，采样频率也随之变化，导致后续系统获得的信号失真大，信噪比低，应用范围有限。

发明内容

为了解决上述问题，本公开的第一个方面提供一种基于谐振频率测量的电容传感器，其在极宽的采样频率范围内都可以达到精密测量，具有高带宽高信噪比的特点。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

一种基于谐振频率测量的电容传感器，包括：

传感器探头，其与被测极板构成平板电容；

等幅稳频正弦振荡器，其包括串接连接振荡电路和可变增益放大电路，所述振荡电路与平板电容的探头端相连，平板电容的被测极板端接地；所述等幅稳频正弦振荡器，指平板电容容值不变时能输出频率稳定的正弦波，不同的平板电容容值对应不同的频率，用于输出幅值稳定的振荡信号；

本地振荡器，其用于输出幅值和频率稳定的本振信号；

正交解调器，其用于将载波信号通过本振信号解调为同相分量和正交分量；

正交相位测量装置，其用于：

计算正交分量与同相分量的反正切函数，得到差频信号的相位及频率；

通过差频信号频率与电容变化量的关系，求出被测极板的位移量或面积变化量。

为了解决上述问题，本公开的第二个方面提供一种基于谐振频率测量的电容传感器的工作方法，其能够消除测量中的起始相位误差和最后一个过零点到测量时间结束之间的相位误差，测量方法不依赖于被测信号周期，在系统的物理特性范围内对采样频率没有限制，提高测量精度。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

一种基于谐振频率测量的电容传感器的工作方法，包括：

传感器探头，其与被测极板构成平板电容；

等幅稳频正弦振荡器，其与传感器探头相连，被测极板接地；所述等幅稳频正弦振荡器，用于输出幅值稳定，频差对应于被测极板的位移量或面积变化量的载波信号；

本地振荡器，其用于输出幅值和频率稳定的本振信号；

正交解调器，其用于将振荡信号通过本振信号解调为同相分量和正交分量；

正交相位测量装置，其用于：

为了解决上述问题，本公开的第三个方面提供一种测量设备，其在极宽的采样频率范围内都可以达到精密测量，具有高带宽高信噪比的特点。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

一种测量设备，包括：

上述所述的基于谐振频率测量的电容传感器。

本公开的有益效果是：

(1)本公开的基于谐振频率测量的电容传感器消除了测量中的起始相位误差和最后一个过零点到测量时间结束之间的相位误差；

(2)本公开的基于谐振频率测量的电容传感器的测量方法不依赖于被测信号周期，在系统的物理特性范围内对采样频率没有限制，在极宽的采样频率范围内都可以精密测量，具有高带宽高信噪比的特点。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1是本公开实施例提供的基于谐振频率测量的电容传感器结构示意图。

图2是本公开实施例提供的等幅稳频正弦振荡器结构示意图。

图3是本公开实施例提供的正交解调器结构示意图。

图4是本公开实施例提供的正交相位测量装置结构示意图。

其中，1-传感器探头；2-等幅稳频正弦振荡器；3-本地振荡器；4-正交解调器；5-正交相位测量装置；6-被测极板；7-由1和6形成的平板电容；8-振荡电路；9-可变增益放大器；10-减法器；11-给定幅值；12-绝对值滤波结果；13-增益调整元件；14-90度移相电路；15-低通滤波器；16-A/D转换器；17-处理器。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了更好地进行描述，本公开对下名词在本公开技术范畴内进行解释：

参考位置：定义为被测极板位移量为0的位置，并非指电容极板间距为0；

中心频率：被测极板在参考位置时等幅稳频正弦振荡器的振荡频率；

载波：等幅稳频正弦振荡器的输出波形，被测极板在参考位置时载波频率等于中心频率；

差频信号：被测极板和参考位置间距或面积变化引起等幅稳频正弦振荡器的振荡频率变化，振荡频率相对于中心频率的变化量，即频率差，在时间上的函数称为差频信号。

如图1所示，本实施例的一种基于谐振频率测量的电容传感器，包括传感器探头1、等幅稳频正弦振荡器2、本地振荡器3、正交解调器4和正交相位测量装置5。

其中：

(1)传感器探头

如图1和图2所示，传感器探头1与被测极板6构成平板电容7。

其中，传感器探头为金属极板。

被测极板为被测物体本身或固定于被测物体上的金属极板。

(2)等幅稳频正弦振荡器

如图2所示，等幅稳频正弦振荡器2包括串接连接振荡电路8和可变增益放大电路，所述振荡电路8与平板电容7的传感器探头相连，平板电容7的被测极板接地；所述等幅稳频正弦振荡器，用于输出幅值稳定的振荡信号。

需要说明的是，平板电容和振荡电路形成正弦振荡器，其类型包括但不限于RC或LC振荡器等类型。

具体地，所述可变增益放大电路包括：

可变增益放大器9，其信号输入端与振荡电路8相连，增益控制输入端与所述可变增益放大器输出端之间并联有负反馈支路。

所述负反馈支路，包括：串联连接的减法器10和增益调整元件13；

所述减法器10用于计算给定幅值11与所述可变增益放大器输出的振荡波形的绝对值滤波结果12两者的差值；

所述增益调整元件13用于根据减法器输出的差值来调整所述可变增益放大器的增益，以稳定振荡信号的幅值。

在本实施例中，增益调整元件为可调节电阻元件。

可以理解的，增益调整元件也可为可调节电容元件与可调节电阻元件串联元件，固定电容元件与可调节电阻元件串联元件，还可以是由误差放大电路形成的电压源或电流源，本领域技术人员可根据实际情况具体选择。

以本地振荡器作为幅值参考，以可变增益放大器作为执行机构，以输出振荡波形的绝对值滤波结果为反馈，形成一个负反馈闭环，由运算放大器组成的减法器取得幅值给定和绝对值滤波结果的差值通过调整的增益来调节放大输出，获得幅值稳定的振荡信号。

(3)本地振荡器

本地振荡器用于输出幅值和频率稳定的本振信号。

在本实施例中，本地振荡器采用压控振荡器来实现。

可以理解的，在其他的实施例中，本地振荡器的实现方法包括但不限于使用直接数字合成(DDS)或其他振荡电路，本领域技术人员可以根据具体情况自行选择，在此不作详述。

(4)正交解调器

正交解调器用于将振荡信号通过本振信号解调为同相分量和正交分量。

如图3所示，所述正交解调器，包括：

90度移相电路14，其与本地振荡器3相连，用于生成与本振信号正交的信号；

解调器，其用于接收等幅稳频正弦振荡器输出的振荡信号以及本振信号以及与所述本振信号正交的信号，利用本振信号以及与其正交的信号来解调等幅稳频正弦振荡器输出的振荡信号。

所述正交解调器，还包括：

低通滤波器15，其用于解调器输出信号进行滤波，得到同相分量I和正交分量Q。

在本实施例中，解调器采用集成I/Q解调芯片来实现。

可以理解的，在其他的实施例中，解调器的实现方法包括但不限于模拟方式，数字方式。本领域技术人员可以根据具体情况自行选择，在此不作详述。

具体而言，等幅稳频正弦振荡器的时域输出等效于单边带调频信号，可表示为：f(t)＝Acos((ω_c-ω_t(t))t),ω_c为参考位置时的谐振频率，即中心频率,ω_t(t)为当前频率偏移，即差频信号。

对该信号进行正交分解：

f(t)＝I(t)cos(ω_ct)-Q(t)sin(ω_ct)；

I(t)＝Acos(ω_t(t)t)；

Q(t)＝Asin(ω_t(t)t)；

I和Q即以ω_c为本振频率进行正交解调的结果。

其中，A为I和Q的幅值。

I是in-phase(同相),q是quadrature(正交)；

用两路正交的本振信号分别解调得出的同相分量I和正交分量Q。

(5)正交相位测量装置

正交相位测量装置,用于：

计算正交分量与同相分量的反正切函数，得到差频信号的相位；

相邻2次采样的相位差除以采样时间得到差频信号频率；

当然也可以利用测得的差频信号频率加上中心频率得到载波频率，再计算出对应的电容值，然后得到当前的极板距离(或面积)，再减去参考位置的极板间距(或面积)得到位移量(或面积变化量)

如图4所示，正交相位测量装置5，包括：

A/D转换器16，其用于将同相分量和正交分量的模拟量转化为数字量并输出至处理器；

处理器17，其用于：

计算数字量化的正交分量与同相分量的反正切函数

得到振荡信号的当前相位；

累计一个采样周期的相位变化，再除以采样周期即可得到频偏ω_t；

通过频偏与电容变化量的关系，进一步求出被测极板的位移量或面积变化量。

最终的位移解算、拟合和非线性补偿、温度补偿等可直接在处理器中实现，根据上级应用的需要选择输出方式。

需要说明的是，处理器包括但不限于DSP，MCU，FPGA，CPLD，ASIC等。

可以理解的是，各种类型的RC或RLC振荡器频偏与电容的变化量关系各不相同。

以最基本的桥式RC为例：

fo＝1/(2πRC)＝2kd/(R*ε*S)

变距离式电容：

fo+Δf＝2k(d+Δd)/(R*ε*S):

减去上式，得：Δf＝2k(Δd)/(R*ε*S)

变面积式电容增量计算比较复杂，一般通过计算出极板间面积再减去参考位置面积得到面积变化量。

其中：

R和C分别是构成桥式RC的电阻和电容；

fo是桥式RC的振荡频率；

k是静电力常量；

d是电容C两个金属极板间距离；

ε是介电常数；

S是两个金属极板正对面积；

Δf是频偏；

Δd是被测极板的位移量；

ΔS是被测极板的面积变化量。

本实施例的基于谐振频率测量的电容传感器消除了测量中的起始相位误差和最后一个过零点到测量时间结束之间的相位误差；

本实施例的基于谐振频率测量的电容传感器的测量方法不依赖于被测信号周期，在系统的物理特性范围内对采样频率没有限制，在极宽的采样频率范围内都可以精密测量，具有高带宽高信噪比的特点。

如图1所示的基于谐振频率测量的电容传感器的工作原理为：

步骤1：被测极板的位移或面积发生变化，引起平板电容的电容量发生变化，进而引起振荡电路输出的振荡信号的频率发生变化。

步骤2：频率发生变化的振荡信号经稳幅后，通过本振信号解调为同相分量和正交分量。

具体地，频率发生变化的振荡信号经稳幅后，通过本振信号解调为同相分量和正交分量的过程包括：

步骤2.1：本振信号经90度移相生成与本振信号正交的信号；

步骤2.2：利用本振信号以及与其正交的信号来解调幅值稳定的振荡信号；

步骤2.3：幅值稳定的振荡信号经低通滤波后，得到同相分量和正交分量。

步骤3：计算正交分量与同相分量的反正切函数，得到差频信号的相位及频率。

具体地，求解振荡信号的相位及频率的过程包括：

步骤3.1：将同相分量和正交分量的模拟量转化为数字量；

步骤3.2：计算数字量化的正交分量与同相分量的反正切函数，得到振荡信号的当前相位；

步骤3.3：累计一个采样周期的相位变化，再除以采样周期即可得到差频信号当前频率。

步骤4：通过差频信号频率与电容变化量的关系，求出被测极板的位移量或面积变化量。

可以理解的是，各种类型的RC或RLC振荡器频偏与电容的变化量关系各不相同，此处不再累述。

在另一实施例中，还提供了一种测量设备，其包括如图1所示的基于谐振频率测量的电容传感器。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims

1.一种基于谐振频率测量的电容传感器，其特征在于，包括：

传感器探头，其与被测极板构成平板电容；

等幅稳频正弦振荡器，其与传感器探头相连，被测极板接地；所述等幅稳频正弦振荡器，其与正交解调器相连，用于输出幅值稳定，频偏对应于被测极板的位移量或面积变化量的振荡载波信号；

本地振荡器，其用于输出幅值和频率稳定的本振信号；

所述正交解调器，包括：90度移相电路，其与本地振荡器相连；低通滤波器，其与A/D转换器相连；

正交相位测量装置，其用于：

通过差频信号频率与电容变化量的关系，求出被测极板的位移量或面积变化量；

所述正交相位测量装置，包括：A/D转换器，处理器；A/D转换器与低通滤波器相连。

2.如权利要求1所述的一种基于谐振频率测量的电容传感器，其特征在于，所述等幅稳频正弦振荡器，包括串接连接振荡电路和可变增益放大电路，所述振荡电路与平板电容相连。

3.如权利要求2所述的一种基于谐振频率测量的电容传感器，其特征在于，所述可变增益放大电路包括：

可变增益放大器，其信号输入端与振荡电路相连，增益控制输入端与所述可变增益放大器输出端之间并联有负反馈支路。

4.如权利要求3所述的一种基于谐振频率测量的电容传感器，其特征在于，所述负反馈支路，包括：串联连接的减法器和增益调整元件；

所述减法器用于计算给定幅值与所述可变增益放大器输出的振荡波形的绝对值滤波结果两者的差值；

所述增益调整元件用于根据减法器输出的差值来调整所述可变增益放大器的增益，以稳定振荡信号的幅值。

5.如权利要求1所述的一种基于谐振频率测量的电容传感器，其特征在于，所述正交解调器，包括：

90度移相电路，其与本地振荡器相连，用于生成与本振信号正交的信号；

解调器，其用于接收等幅稳频正弦振荡器输出的振荡信号以及本振信号以及与所述本振信号正交的信号，利用本振信号以及与其正交的信号来解调等幅稳频正弦振荡器输出的振荡信号；

低通滤波器，其用于解调器输出信号进行滤波，得到同相分量和正交分量。

6.如权利要求1所述的一种基于谐振频率测量的电容传感器，其特征在于，所述正交相位测量装置，包括：

A/D转换器，其用于将同相分量和正交分量的模拟量转化为数字量并输出至处理器；

处理器，其用于：

计算数字量化的正交分量与同相分量的反正切函数，得到差频信号的当前相位；

累计一个采样周期的相位变化，再除以采样周期即可得到差频信号频率；

通过差频信号频率与电容变化量的关系，进一步求出被测极板的位移量或面积变化量。

7.一种如权利要求1-6中任一项所述的基于谐振频率测量的电容传感器的工作方法，其特征在于，包括：

被测极板的位移或面积发生变化，引起平板电容的电容量发生变化，进而引起振荡电路输出的振荡信号的频率发生变化；

频率发生变化的振荡信号经稳幅后，通过本振信号解调为同相分量和正交分量；

8.如权利要求7所述的基于谐振频率测量的电容传感器的工作方法，其特征在于，频率发生变化的振荡信号经稳幅后，通过本振信号解调为同相分量和正交分量的过程包括：

本振信号经90度移相生成与本振信号正交的信号；

利用本振信号以及与其正交的信号来解调幅值稳定的振荡信号；

幅值稳定的振荡信号经低通滤波后，得到同相分量和正交分量。

9.如权利要求7所述的基于谐振频率测量的电容传感器的工作方法，其特征在于，求解振荡信号的相位及频偏的过程包括：

将同相分量和正交分量的模拟量转化为数字量；

累计一个采样周期的相位变化，再除以采样周期即可得到差频信号频率。

10.一种测量设备，其特征在于，包括：

如权利要求1-6中任一项所述的基于谐振频率测量的电容传感器。