CN112082617A - 具有偏移补偿的电容式纱线传感器装置 - Google Patents

Abstract

本公开涉及具有偏移补偿的电容式纱线传感器装置。提供了一种电容器传感器装置，用于测量细长的织物主体(特别是纱线)的至少一个参数。它包括在串联布置的参考电容器(Cr)和测量电容器(Cm)上产生测量电压(Vm)的AC电压发生器(17)。来自两个电容器(Cr，Cm)之间的一点的输出信号被馈送到信号放大器(A3)。为了补偿两个电容器(Cr，Cm)中的不对称性，提供了补偿波形发生器(S3)，该补偿波形发生器产生与测量电压(Vm)同步的补偿信号。该补偿信号被耦合到信号放大器(A3)的输入端(P1)中。

Description

具有偏移补偿的电容式纱线传感器装置

技术领域

本发明涉及一种电容式传感器装置，用于测量细长的织物主体的至少一个参数，尤其是纱线的至少一个参数。

特别地，这样的传感器装置可以测量描述在测量区域中的主体或其变型的体积的参数。

背景技术

WO 2010/043065和EP 2352018描述了根据独立权利要求的前序部分的电容式传感器装置。特别地，该传感器装置包括用于容纳主体的测量体积以及包括串联的测量电容器和参考电容器的电容式测量组件。测量电容器具有布置在测量体积的相对侧的电极。AC电压发生器的信号施加在两个电容器上。测量电容器和参考电容器之间的电势形成测量组件的输出并携带输出信号。信号放大器的输入端连接到测量组件的输出端。

该装置还具有带有控制单元和偏移补偿器的偏移补偿电路。偏移补偿器适于补偿测量电容器和参考电容器之间的不对称性。控制单元适于响应于所述输出信号的幅度来控制偏移补偿器。

偏移补偿器布置在AC电压发生器与参考和/或测量电容器之间的信号路径中，即，它布置在测量组件之前。

发明内容

因此，本发明要解决的问题是提供用于补偿上述类型的传感器装置的不对称性的替代解决方案。

该问题通过权利要求1的传感器装置来解决。相应地，该传感器装置包括：

-测量体积。该体积适于在测量期间容纳织物主体。

-以主频率产生AC测量电压的AC电压发生器。

-电容式测量组件：该测量组件包括串联布置的测量电容器和参考电容器。测量电容器包括布置在测量体积的相对侧上的电极，即，其电容是要测量的参数的函数。测量组件具有用于产生输出信号的输出端。该输出端位于测量电容器和参考电容器之间。

-用于放大输出信号的信号放大器。该信号放大器的输入端可以直接耦合到测量组件的输出端，或者在信号放大器的输入端和测量组件的输出端之间可以存在其它部件，例如，用于滤波。

-包括控制单元和偏移补偿器的偏移补偿电路：该偏移补偿器适于补偿测量电容器和参考电容器之间的不对称性。该控制单元适于响应于测量组件的输出信号的幅度来控制偏移补偿器。

根据本发明，偏移补偿单元至少包括以下部件：

-产生AC补偿信号的补偿波形发生器：该补偿信号与电压发生器的测量电压同步，即，其具有相同的周期，但其可能具有相对于测量电压的非零的相位偏移。补偿波形发生器连接到校正点(P1)。校正点是信号路径上的从测量组件的输出端到信号处理器的输入端的点。具体而言，校正点可以直接位于测量组件的输出端处、直接位于信号放大器的输入端处，或者位于这两个位置之间的信号路径上的任何点处。

这允许高效地并且以简单的方式补偿不对称性，即，使来自测量组件的信号偏移，使得它落在例如信号放大器或信号放大器后面的任何部件的工作范围内。

在有利的实施例中，在补偿波形发生器与校正点之间的信号路径中布置耦合电容器，从而将补偿波形发生器电容耦合到校正点。

有利的是，控制单元适于改变补偿信号的幅度以补偿不对称性。

本发明还涉及用于偏移补偿传感器装置的方法。该方法至少包括以下步骤：

-测量指示所述信号放大器的输出信号的幅度的监视值。

-通过更改补偿信号来减小该监视值。

有利的是，在上面的第一步骤中，测量体积以恒定的负载操作，特别是在测量体积中没有细长主体的情况下。替代地，在比由细长主体的变化特性引起的典型信号波动大得多的时间跨度内对监视值进行平均。

有利的是，在上述第二步骤中，将监视值置零，即，将信号放大器的输出信号在AC电压发生器的频率处的幅度调整为零。

除非另有说明，否则本文提及的所有AC信号均有利地在主频率(即测量电压的(基本)频率)处进行测量。

在从属权利要求以及下面的描述中列出了其它有利的实施例。

附图说明

根据下面的本发明的详细描述将更好地理解本发明，并且除上述目的之外的其它目的将变得清楚。该描述参考了附图，其中：

图1示出了包括测量头的截面图的传感器装置的框图，

图2是传感器装置的实施例的电路图，

图3是示出测量信号i1以及补偿信号i2的时序图，以及

图4图示了图3的方案的替代方案。

具体实施方式

传感器装置

如图1中所示的传感器装置包括连接到测量头4的控制电路系统2。

测量头4是例如如US4843879的图4中所示的装置。它包括以串联配置形成参考电容器Cr和测量电容器Cm的至少三个电极6a、6b、6c。

参考电容器Cr的电极6a、6b布置在参考体积8的相对侧，而测量电容器Cm的电极6b、6c布置在测量体积10的相对侧。

测量体积10至少在两个相对的侧面上是开口的，以容纳细长的织物主体12，诸如纱线。有利的是，测量体积10形成缝隙，该缝隙在三个侧面上闭合并且在三个侧面上开口。

参考体积8可以是封闭的，或者它也可以形成暴露于与测量体积10相同的环境的缝隙。

在测量期间，织物主体12沿着其纵轴(其垂直于图1的测量组件4的图延伸)展开。测量电容器Cm的电容根据测量体积10内的主体8的介电特性和体积而变化。

如在例如US4843879中所描述的，这允许确定主体8的参数，诸如其在测量体积8中的体积或平均横截面。

电路设计

图2示出了如在传感器装置中使用的电路的实施例。

该电路包括产生时钟信号CLK的数字或模拟振荡器16。有利的是，该信号的基频(以下称为“主频率f0”)在MHz范围内，特别地但不限于在1-100MHz之间，特别是在1-30MHz之间。

电压发生器17使用时钟信号CLK在测量电容器Cm和参考电容器Cr的串联布置上以主频率f0产生交变的测量电压Vm。

在所示的实施例中，这是通过将时钟信号CLK馈送到互补放大器A1、A2和第一变压器T1来实现的。其它合适的电路对于技术人员是已知的。

两个电容器Cm、Cr之间的点形成测量头4的输出端OUT，并产生其AC输出信号。

如果电容器Cm和Cr是平衡的，即它们的电容相等，那么输出信号等于零，即流过输出端OUT的电流为零。

来自输出端OUT的信号被馈送到信号处理器18。

在其输入端处，信号处理器18例如包括限压器20，该限压器20保护下游电路系统免受过大的电压。

接下来，输出信号可以通过第一滤波器元件R1和L1以及具有反馈元件R3、C3的信号放大器A3。

信号放大器A3的输出被馈送到锁定(lock-in)放大器22，如本领域技术人员已知的，该锁定放大器22选择性地放大处于主频率f0的信号。

锁定放大器的各种设计对于技术人员是已知的。这里示出的一个锁定放大器使用了电压放大变压器T2和两个由时钟信号CLK控制的电子控制开关S1、S2。

输出信号24通过用于产生监视值M的低通滤波器25，然后到达模数转换器26和控制单元28。

控制单元28可以是具有存储数据和程序指令的存储器电路的微处理器。它被编程为执行传感器装置的偏移补偿步骤。

控制单元28连接到用于产生第一控制电压Uc1的数模转换器30，该第一控制电压Uc1被馈送到偏移补偿器32。

控制单元28和偏移补偿器32形成偏移补偿电路34的核心部分，该偏移补偿电路34用于补偿测量组件4中的任何过度的不对称，以便将信号放大器A3和锁定放大器22保持在其允许的操作范围内，同时仍然允许用于高信号放大。

在图2的实施例中，偏移补偿器32包括由时钟信号CLK控制的电子控制开关S3。开关S3形成补偿波形发生器。它在其输出端产生第二控制电压Uc2，其值在固定参考电压Vref和第一控制电压Uc1之间振荡。

第二控制电压Uc2通过串联连接的电阻器R4和耦合电容器Cc被馈送到校正点P1。

校正点P1位于从测量头4的输出端OUT到信号放大器A3的输入端的信号路径中。

耦合电容器Cc将电压Uc2转换成电流i2。电流i2有利地具有与非对称的电容测量组件4的电流i1相似的形状。通过正确设置D/A，电流i2具有相同的幅度，带有相反的符号(i1＝-i2)。可以添加电阻器R4以稍微延迟电流i2来实现具有相同相位的电流i1和i2。

以下将来自补偿电容器Cc的电流i2称为“补偿信号”。信号放大器A3的输出端处的信号与该补偿信号i2和从测量头4的输出端OUT到信号放大器A3的输入端的信号路径上的电流i1之和成比例。

偏移补偿

图3图示了时钟信号CLK、信号电流i1、第二控制电压Uc2和补偿信号i2随时间的变化。

有利地选择耦合电容器Cc和电阻器R4的值，使得电流i1和补偿信号i2在主频率f0处具有基本为0°或180°的相移(例如，在+/-45°内)。

因此，电容器Cc和电阻器R4的串联布置的时间常数τ＝Cc·R4有利地在0和0.4/f0之间，即，取决于期望的相移，Cc·R4/f0应在0和0.4之间。

信号放大器A3放大信号i1和i2的和。因此，可以通过适当地增大或减小补偿信号i2来补偿测量头4中的不对称性，该不对称性导致在主频率f0处信号电流i1的幅度的非零值。

如上所述，偏移补偿电路34被设计为使电容Cm和Cr的不对称性的影响保持足够小，使得信号放大器A3和任何后续部件(诸如锁定放大器22)保持在其操作范围内。

为此，补偿电路34测量处理单元18的输出端处的电压值M，该电压值与信号放大器A3的输出电压在主频率f0处的幅度成比例。

如果监视值M过大(指示信号放大器A3或锁定放大器22的输出幅度接近其允许范围)，那么控制单元28改变第一控制电压Uc1，这改变了第二控制电压Uc2的幅度，因此改变了补偿信号i2的幅度。取决于信号电流i1和补偿信号i2的相互符号，这可能导致监视值M增大或减小。

如果控制单元28检测到第一控制电压Uc1的给定变化导致监视值M增加，那么它将Uc1改变为相反方向。

因此，通过适当地改变控制电压Uc1，控制单元28能够减小监视值M。

有利的是，将监视值M置零，即，将其更改为指示信号放大器A3的输出电压在主频率f0处的幅度为零的值。

注释

在以上实施例中，耦合电容器Cc布置为比电阻器R4更靠近校正点P1。但是，如对于本领域技术人员清楚的，这些部件的顺序可以互换。

此外，如果第二控制电压Uc2通过其它手段合适地进行相移或者如果电流i1和i2之间没有明显的相移，那么可以省略电阻器R4。

在图2和图3的实施例中，第二控制电压Uc2被幅度调制，其幅度由Vref和第一控制电压Uc1之差给出。

一般而言，补偿信号(即电流i2)有利地与测量信号i1相反。这可以通过用适当移位的时钟信号操作补偿电路34和/或通过在补偿信号中引起相移来实现。

注意，脉冲发生器还可以产生具有固定电压的信号，该信号然后通过改变R4和/或Cc来改变，例如，通过使用电子可变电阻器和/或电子可变电容器来改变。

必须注意，补偿电路34还可以例如被设计为产生正弦电流或其它波形。

图4示出了这样的实施例：假设时钟信号是正弦信号，并且电流i1和i2也是正弦信号。

虽然示出并描述了本发明的当前优选的实施例，但是应当清楚地理解，本发明不限于此，而是可以在所附权利要求的范围内以其它方式被不同地实施和实践。

Claims (7)

1.一种用于测量细长的织物主体的至少一个参数的电容式传感器装置，所述织物主体特别地为纱线，所述传感器装置包括：

用于容纳织物主体的测量体积(8)，

以主频率(f0)产生AC测量电压(Vm)的AC电压发生器(17)，

电容式测量组件(4)，包括串联布置的测量电容器(Cm)和参考电容器(Cr)，其中所述测量电容器(Cm)包括布置在所述测量体积(8)的相对侧的电极(6b，6c)，并且其中所述测量组件(4)具有产生输出信号的输出端(OUT)，其中所述输出端位于测量电容器(Cm)和参考电容器(Cr)之间，

用于放大所述输出信号的信号放大器(A3)，

包括控制单元(28)和偏移补偿器(32)的偏移补偿电路(34)，其中所述偏移补偿器(32)适于补偿所述测量电容器(Cm)和所述参考电容器(Cr)之间的不对称性，并且其中所述控制单元(28)适于响应于所述输出信号的幅度来控制所述偏移补偿器(32)，

其特征在于，所述偏移补偿器(32)包括：

补偿波形发生器(S3)，其产生与所述测量电压(Vm)同步的AC补偿信号(i2)，

其中所述补偿波形发生器(S3)连接到沿着从所述测量组件(4)的输出端(OUT)到所述信号放大器(A3)的输入端的信号路径定位的校正点(P1)。

2.如权利要求1所述的传感器装置，还包括在补偿波形发生器(S3)和校正点(P1)之间的耦合电容器(Cc)。

3.如权利要求2中的任一项所述的传感器装置，还包括与所述耦合电容器(Cc)串联的电阻器(R4)。

4.如权利要求2所述的传感器装置，其中所述耦合电容器(Cc)的电容Cc、所述电阻器(R4)的电阻R4以及所述主频率f0满足0<Cc·R4/f0<0.4。

5.如前述权利要求中的任一项所述的传感器装置，其中所述控制单元(28)适于改变所述补偿信号(i2)的幅度以补偿所述不对称性。

6.一种用于偏移补偿如前述权利要求中的任一项所述的传感器装置的方法，包括以下步骤：

测量指示所述信号放大器(A3)的输出信号的幅度的监视值(M)，以及

通过改变所述补偿信号(i2)来减小所述监视值(M)。

7.如权利要求6所述的方法，其中通过改变所述补偿信号(i2)将所述监视值(M)置零。

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