CN115560659A - 差分电容位移传感器的标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种差分电容位移传感器的标定方法，包括以下步骤：S1、分别以定极板和动极板的中心为原点建立坐标系A和B；S2、确定初始位置B₀，并进行平动坐标点选定；S3、将动极板依次移动到选定的坐标点记录电压值；S4、求解坐标系B与坐标系A之间的平移矩阵、旋转矩阵和平动自由度的电容传感增益系数矩阵；S5、将坐标系A和B重合；S6、进行旋转坐标选定，并测量所需旋转自由度的电容传感增益系数。本发明可在动极板和定极板的相对位置不确定的条件下进行电容传感增益系数的标定，相比于现有方法，无须增加额外的位置测量设备，无须改变传感器结构，避免了结构改变带来的额外杂散电容变化，保证了电容传感增益系数标定的精度。

Description

差分电容位移传感器的标定方法

技术领域

本发明涉及电容位移传感器标定领域，具体提供一种基于六足定位的多自由度差分电容位移传感器的标定方法。

背景技术

差分电容位移传感器广泛应用于航空航天等领域，尤其是在微弱力测量方面，比如惯性传感器、静电加速度计、静电扭秤等。

差分电容位移传感器是一种非接触式传感器，其基本原理是利用动极板与定极板形成多路差分电容，差分电容信号经过电容传感电路转化为电压信号，通过对电压信号的处理可以得到定极板和动极板的相对位置信息。差分电容位移传感器的测量结果极易受到杂散电容和电极板边沿效应的影响，因此在设计敏感结构的时候，通常将其设计为封闭结构，将电极板充分包裹在等电势体中，但该设计使得敏感结构中的动极板和定极板的相对位置无法从外界直接测量，尤其是在静电扭秤和空间惯性传感器的应用领域中，由于定极板需要悬挂或悬浮，定极板相对于动极板的初始位置是未知的。

差分电容位移传感器作为一种相对测量传感器，其需要对增益系数进行标定，而传统的标定方法无法在定极板和动极板的相对位置未知的情况下进行标定，传统的标定方法需要搭建额外的测量链路，甚至需要破坏原有的传感器结构，该做法会带来额外的杂散电容，改变传感器原有的静电模型，从而使标定结果不准确。如申请号为CN204404991U的专利介绍了一种标定装置和标定方法，在该专利中额外引入了激光测距系统来进行位置变化的测量，同时也没有说明动极板和定极板的相对位置未知的情况下该如何进行标定。

发明内容

本发明为解决上述问题，提供了一种差分电容传感器的标定方法，该方法无须改变传感器结构，无须增加额外的位置测量设备，具有一定的通用性，可广泛应用于各类多自由度差分电容位移传感器的标定。

本发明提供的差分电容位移传感器的标定方法，具体应用于差分电容位移传感器的标定，差分电容位移传感器包括敏感结构和电容传感模块，敏感结构包括定极板和动极板，定极板通过悬挂方式固定，动极板以绝缘方式固定在六足平台上，电容传感模块包括电容传感电路和数据处理设备，电容传感电路分别与定极板、动极板连接，用于将差分电容信号转换为电压信号，该方法包括以下步骤：

S1、以定极板的中心为原点建立坐标系A；

以动极板的中心为原点建立坐标系B，坐标系B的坐标轴向与六足平台的运动方向相同；

S2、移动六足平台使差分电容位移传感器工作在线性区域，记录此时六足平台的位置为初始位置B₀，在动极板的移动范围内，选取N个坐标点，N为大于等于6的偶数；

S3、控制六足平台将动极板依次移动到选取的N个坐标点，即B₁、B₂、…B_N，并分别记录对应的电压信号A₁、A₂、…、A_N；

将A₁、A₂、…、A_N转化为坐标系A中的坐标；

将六足平台移回初始位置B₀；

S4、依据B₁、B₂、…B_N在坐标系B中坐标和A₁、A₂、…、A_N在坐标系A中坐标，求解坐标系B与坐标系A之间的平移矩阵P_AB、旋转矩阵R_AB、平动自由度的电容传感增益系数矩阵K；

S5、依据R_AB和P_AB移动六足平台，使坐标系A与坐标系B重合，记录此时六足平台的位置

为重合位置；

S6、重复如下过程测量所需旋转自由度的电容传感增益系数：

在移动范围内，六足平台沿旋转自由度

方向等间隔选取M个角度，M大于等于6；

控制六足平台将动极板依次移动到选取的M个角度，即，

并分别记录对应的电压信号

将动极板旋转至重合位置

拟合

与

得到旋转自由度为

的电容传感增益系数。

优选的，S2中，选取N个坐标点是线性无关的。

优选的，S4中，R_AB、P_AB和K的具体求解过程如下：

将坐标点B₁、B₂、…B_N等分为两组，并分别减去初始位置B₀的坐标，得到相对变化量，形成向量

和

依据坐标点B₁、B₂、…B_N的分组方式，将对电压信号A₁、A₂、…、A_N对应的分为两组，并分别合并为向量

和

与

与

的关系如下式：

将式(1)与式(2)做差，利用广义逆和求解超定方程的方法解出R_AB、P_AB和K。

与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：

本发明可在动极板和定极板的相对位置不确定的条件下进行电容传感增益系数的标定，相比于现有方法，本方法无须增加额外的位置测量设备，降低了实验成本，提高了实验效率。同时，在标定过程中无须改变传感器结构，避免了结构改变带来的额外杂散电容变化，保证了电容传感增益系数标定的精度。

本发明具有通用性，可广泛应用于各类多自由度差分电容位移传感器的标定。

附图说明

图1是根据本发明实施例提供的差分电容位移传感器的标定系统的结构示意图；

图2是根据本发明实施例提供的立方体敏感结构的简图；

图3是根据本发明实施例提供的差分电容位移传感器的标定方法的流程图；

图4是根据本发明实施例提供的坐标系A与坐标系B的变换示意图。

其中的附图标记包括：差分电容位移传感器1、定极板11、动极板12、电极笼13、电容传感电路14、数据处理设备15、六足平台2、控制器3、悬挂结构4。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

图1示出了根据本发明实施例提供的差分电容位移传感器的标定系统的结构。

如图1所示，将差分电容位移传感器的标定方法应用于某型号的惯性传感器，以其中的立方体的敏感结构的电容传感单机为例，详细介绍本发明实施例，差分电容位移传感器的标定系统包括：

差分电容位移传感器1包括敏感结构和电容传感模块，敏感结构包括定极板11和动极板12，定极板11通过悬挂方式固定在悬挂结构4上，动极板12通过电极笼13以绝缘方式固定在六足平台2上，电极笼13的中心位置与动极板12的中心位置重合，在标定过程中动极板12与六足平台2相对静止，控制器3用于传递驱动信号控制六足平台2移动，电容传感模块包括电容传感电路14和数据处理设备15，电容传感电路14分别与定极板11、动极板12连接，用于将测得的差分电容信号转换为电压信号，数据处理设备15与电容传感电路14相连，用于采集和处理电压信号。其中，六足平台2采用PI公司的H825型号，控制器3采用PI公司的C-887型号。

图2示出了根据本发明实施例提供的立方体敏感结构。

图3示出了根据本发明实施例提供的差分电容位移传感器的标定方法。

如图2、图3所示，本发明实施例包括以下步骤：

S1、在初始位置，以定极板11的中心为原点建立坐标系A；预先使用测量设备测量动极板12分布的中心的位置，设置动极板12的中心为六足平台2移动的坐标系原点，以动极板12的中心为原点建立坐标系B，坐标系B的坐标轴向与六足平台2的运动方向相同。

立方体敏感结构选用的定极板11为立方体，动极板12均匀分布在定极板11的周围，沿着X轴正负方向分别以变间距的方式分布X₁、X₂、X₃、X₄动极板，沿着Y轴正负方向分别以变间距的方式分布Y₁、Y₂、Y₃、Y₄动极板，沿着Z轴正负方向分别以变间距的方式分布Z₁、Z₂、Z₃、Z₄动极板。

定极板11与各轴正负方向的两对动极板12形成多对变间距的差分电容C_x1,C_x2,C_y1,C_y2,C_z1,C_z2，差分电容经过电容传感电路14转换为电压信号A_x1,A_x2,A_y1,A_y2,A_z1,A_z2，由上述电压信号可以测量动极板12相对定极板11的3个平动自由度x,y,z和三个转动自由度

η,θ的位置信息。

S2、移动六足平台2使差分电容位移传感器工作在线性区域，记录此时六足平台2的位置为初始位置

在动极板12的移动范围内，选取N个坐标点，将N个坐标点记为B₁、B₂、…B_N，N为大于等于6的偶数。

S3、控制六足平台2将动极板12依次移动到选取的N个坐标点，即

并通过数据处理设备15分别记录对应的电压信号A_1x1,A_1x2,A_1y1,A_1y2,A_1z1,A_1z2、A_2x1,A_2x2,A_2y1,A_2y2,A_2z1,A_2z2、…、A_Nx1,A_Nx2,A_Ny1,A_Ny2,A_Nz1,A_Nz2，使用同一方向上的两个电压信号的均值表示这个方向上的坐标，可以得到此时电压信号在坐标系A中的坐标为

并将六足平台2移回初始位置B₀。

将测得的多组电压信号

合并为坐标向量

获得初始位置B₀指向第N个坐标点位置B_N的坐标向量

则对于空间中的任意点P，其在坐标系A中的位置由电容传感电路14测得的电压表示，其在坐标系B中的位置由六足平台2移动的位置表示，坐标向量

与坐标向量

的关系式如下：

其中，P_AB表示平移矩阵，R_AB表示旋转矩阵，K表示平动自由度的电容传感增益系数矩阵。

S4、依据B₁、B₂、…B_N在坐标系B中坐标和A₁、A₂、…、A_N在坐标系A中坐标，求解坐标系B与坐标系A之间的平移矩阵P_AB、旋转矩阵R_AB、平动自由度的电容传感增益系数矩阵K，R_AB、P_AB和K的具体求解过程如下：

将坐标点B₁、B₂、…B_N等分为两组，并分别减去初始位置B₀的坐标，得到相对变化量，形成向量

和

形成向量

和

依据坐标点B₁、B₂、…B_N的分组方式，将对电压信号A₁、A₂、…、A_N对应的分为两组，并分别合并为向量

和

确定初始位置B₀指向第N个坐标点位置B_N的坐标向量

与

与

的关系如下式：

将式(1)与式(2)做差，利用广义逆和求解超定方程的方法解出R_AB、P_AB和K。

图4示出了根据本发明实施例提供的坐标系A与坐标系B的坐标变换。

如图4所示，S5、依据R_AB和P_AB移动六足平台2，使坐标系A与坐标系B重合，记录此时六足平台2的位置

为重合位置。

S6、重复如下过程测量所需旋转自由度的电容传感增益系数，下述以旋转自由度

方向为例进行说明：

在移动范围内，六足平台沿旋转自由度

方向等间隔选取M个角度，M大于等于6；

控制六足平台将动极板依次移动到选取的M个角度，即，

并分别记录对应的电压信号A_1x1,A_1x2、A_2x1,A_2x2、…、A_Mx1,A_Mx2，并获取电压差

即为电容传感电路14得到的旋转自由度

的角度信号，将动极板旋转至重合位置

拟合

与

得到旋转自由度为

的电容传感增益系数。

旋转自由度为η方向和旋转自由度为θ方向的电容传感增益系数获取与旋转自由度为

的电容传感增益系数的获取过程相同，在此不作赘述。

本发明仅利用了六足平台2完成了对多自由度电容位移传感器的标定，无须设置额外的测距装置，无须改变系统结构，避免了寄生电容改变对标定结果造成的影响，提高了标定的准确性。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (3)

1.一种差分电容位移传感器的标定方法，差分电容位移传感器包括敏感结构和电容传感模块，所述敏感结构包括定极板和动极板，所述定极板通过悬挂方式固定，所述动极板以绝缘方式固定在六足平台上，所述电容传感模块包括电容传感电路和数据处理设备，所述电容传感电路分别与所述定极板、动极板连接，用于将差分电容信号转换为电压信号，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1、以定极板的中心为原点建立坐标系A；

以动极板的中心为原点建立坐标系B，坐标系B的坐标轴向与所述六足平台的运动方向相同；

S2、移动所述六足平台使差分电容位移传感器工作在线性区域，记录此时所述六足平台的位置为初始位置B₀，在所述动极板的移动范围内，选取N个坐标点，N为大于等于6的偶数；

S3、控制所述六足平台将所述动极板依次移动到选取的N个坐标点，即B₁、B₂、…B_N，并分别记录对应的电压信号A₁、A₂、…、A_N；

将A₁、A₂、…、A_N转化为坐标系A中的坐标；

将所述六足平台移回初始位置B₀；

S4、依据B₁、B₂、…B_N在坐标系B中坐标和A₁、A₂、…、A_N在坐标系A中坐标，求解坐标系B与坐标系A之间的平移矩阵P_AB、旋转矩阵R_AB、平动自由度的电容传感增益系数矩阵K；

S5、依据R_AB和P_AB移动所述六足平台，使坐标系A与坐标系B重合，记录此时所述六足平台的位置

为重合位置；

S6、重复如下过程测量所需旋转自由度的电容传感增益系数：

在移动范围内，所述六足平台沿旋转自由度

方向等间隔选取M个角度，M大于等于6；

控制所述六足平台将所述动极板依次移动到选取的M个角度，即，

并分别记录对应的电压信号

将动极板旋转至重合位置

拟合

与

得到旋转自由度为

的电容传感增益系数。

2.如权利要求1所述的差分电容位移传感器的标定方法，其特征在于，S2中，选取N个坐标点是线性无关的。

3.如权利要求1所述的差分电容位移传感器的标定方法，其特征在于，S4中，R_AB、P_AB和K的具体求解过程如下：

将坐标点B₁、B₂、…B_N等分为两组，并分别减去初始位置B₀的坐标，得到相对变化量，形成向量

和

依据坐标点B₁、B₂、…B_N的分组方式，将对电压信号A₁、A₂、…、A_N对应的分为两组，并分别合并为向量

和

与

与

的关系如下式：

将式(1)与式(2)做差，利用广义逆和求解超定方程的方法解出R_AB、P_AB和K。

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