CN116558403A - 一种基于电容器测量位移的系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于电容器测量位移的系统，包括：LC振荡电路、滤波电路、第一模拟电子开关、处理器和存储器，所述存储器存储有模拟信号值‑距离对应表，当处理器执行计算机程序时，实现如下步骤：获取时间节点对应的第一模拟信号值，第一模拟信号值＞预设模拟信号值时，基于模拟信号值‑距离对应表，获取第一模拟信号值对应的第一距离，获取上一时间节点对应的第二距离，第一距离和第二距离的差值，即为目标移动距离，从而实现非接触式的位移测量，避免长时间使用造成的损耗。

Description

一种基于电容器测量位移的系统

技术领域

本发明涉及测量领域，特别是涉及一种基于电容器测量位移的系统。

背景技术

目前，在工业应用中，普遍会用到位移检测传感器，常用的位移检测传感器例如有拉线位移传感器、激光测距传感器等；拉线位移传感器通过将拉线连接到被测物体上，并测量拉线的伸缩来获取位移信息，但拉线位移传感器受限于拉线的长度，并且在长时间使用后，会有损耗导致不精确；激光测距传感器受限于平面反光的影响，在检测到光滑且反光的机械平面时，会造成光学检测传感器检测距离降低。

发明内容

针对上述技术问题，本发明采用的技术方案为：所述系统至少包括：LC振荡电路、滤波电路、第一模拟电子开关、处理器和存储有计算机程序的存储器；

其中，所述LC振荡电路包括一电感电路和一电容器，用于根据电容器两端的电容量，将产生的振荡波形传输到滤波电路，所述振荡波形的幅值和电容器两端的电容量正相关；

所述第一模拟电子开关位于电容器和LC振荡电路之间，处于正常工作状态；

所述滤波电路用于将所述振荡波形进行过滤以获取模拟信号值，并将所述模拟信号值发送至所述处理器；

进一步，所述电容器由相互平行的可移动矩形正极板和处于固定状态的直角三角形负极板组成，所述矩形正极板底部和所述直角三角形负极板底部始终齐平，且所述矩形正极板中长度较短的第一矩形边作为所述矩形正极板的底部，所述直角三角形负极板中长度较大的第一直角边作为所述直角三角形的底部，所述矩形正极板中长度较长的第二矩形边的长度≥所述直角三角形负极板中第二直角边的长度；

所述存储器还存储有模拟信号值-移动距离关系对应表，所述模拟信号值-移动距离关系对应表用于表征模拟信号值和矩形正极板相对于矩形正极板初始位置移动的距离的对应关系，所述矩形正极板初始位置位于矩形正极板中远离第二直角边的第二矩形边的端点和直角三角形负极板的锐角端点重合的位置；

当处理器执行计算机程序时，实现如下步骤：

S100，获取时间节点A_i对应的第一模拟信号值；

S200，当第一模拟信号值＞预设模拟信号值时，基于第一模拟信号值和模拟信号值-移动距离关系对应表，获取第一模拟信号值对应的第一距离D_i；

S300，获取A_i上一时间节点A_i-1对应的第二距离D_i-1，其中，所述处理器每隔预设时间段采集一次模拟信号值；

S400，获取目标移动距离x=|D_i-D_i-1|。

本发明至少具有以下有益效果：综上，本发明提供一种电容器测量位移的系统，系统包括LC振荡电路、滤波电路、第一模拟电子开关、处理器和存储器，所述存储器存储有模拟信号值-距离对应表，当处理器执行计算机程序时，实现如下步骤：获取时间节点对应的第一模拟信号值，第一模拟信号值＞预设模拟信号值时，基于模拟信号值-距离对应表，获取第一模拟信号值对应的第一距离，获取上一时间节点对应的第二距离，第一距离和第二距离的差值，即为目标移动距离，基于此，本发明提供一种非接触式的测量位移的系统，避免因长时间使用造成损耗从而测量不准确的情况，同时不受平面材料和环境的影响，从而实现非接触式的位移测量，避免长时间使用造成的损耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于电容器测量位移的系统执行计算机程序时的流程图。

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，本领域技术人员在没有作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。

本发明实施例提供了一种基于电容器测量位移的系统，所述系统包括：LC振荡电路、滤波电路、第一模拟电子开关、处理器和存储有计算机程序的存储器。

其中，所述LC振荡电路包括一电感电路和一电容器，用于根据电容器两端的电容量，将产生的振荡波形传输到滤波电路，所述振荡波形的幅值和电容器两端的电容量正相关。

所述第一模拟电子开关位于电容器和LC振荡电路之间，处于正常工作状态。

所述滤波电路用于将所述振荡波形进行过滤以获取模拟信号值，并将所述模拟信号值发送至所述处理器。

进一步，所述电容器由相互平行的可移动矩形正极板和处于固定状态的直角三角形负极板组成，所述矩形正极板底部和所述直角三角形负极板底部始终齐平，且所述矩形正极板中长度较短的第一矩形边作为所述矩形正极板的底部，所述直角三角形负极板中长度较大的第一直角边作为所述直角三角形的底部，所述矩形正极板中长度较长的第二矩形边的长度≥所述直角三角形负极板中第二直角边的长度。

其中，所述LC振荡电路将产生的振荡波形传输到滤波电路，所述滤波电路将振荡波形进行过滤获取模拟信号值，并将模拟信号值发送到处理器，处理器将模拟信号值转化为数字量。

进一步的，所述矩形正极板为正方形正极板，所述直角三角形负极板的最小角为β，正方形正极板的边长和第二直角边的长度均为a。

所述存储器还存储有模拟信号值-移动距离关系对应表，所述模拟信号值-移动距离关系对应表用于表征模拟信号值和矩形正极板相对于矩形正极板初始位置移动的距离的对应关系，所述矩形正极板初始位置位于矩形正极板中远离第二直角边的第二矩形边的端点和直角三角形负极板的锐角端点重合的位置。

当处理器执行计算机程序时，如图1所示，实现如下步骤：

S100，获取时间节点A_i对应的第一模拟信号值。

S200，当第一模拟信号值＞预设模拟信号值时，基于第一模拟信号值和模拟信号值-移动距离关系对应表，获取第一模拟信号值对应的第一距离D_i。

可以理解为，所述第一距离表示时间节点A_i时矩形正极板相对于三角形负极板的移动距离。

S300，获取A_i上一时间节点A_i-1对应的第二距离D_i-1，其中，所述处理器每隔预设时间段采集一次模拟信号值。

具体的，获取时间节点A_i-1对应的第二模拟信号值，基于第二模拟信号值和模拟信号值-距离对应表，获取第二模拟信号值对应的第二距离D_i-1；可以理解为，所述第二距离表示时间节点A_i-1时矩形正极板相对于三角形负极板的移动距离。

具体的，所述预设时间段可根据实际情况进行确定。

S400，获取目标移动距离x=|D_i-D_i-1|。

具体的，目标移动距离x满足如下条件：x≥a（1-tanβ）。基于正方形极板和三角形极板的位置关系和正方形极板的初始位置，可知，最小移动距离为a（1-tanβ），因此，目标移动距离不小于最小移动距离。

进一步的，目标移动距离x满足如下条件：

PA*bit＞x≥a（1-tanβ），其中，PA为预设精度，bit为MCU将第一波形对应的模拟信号值转化为的数字量的位数。

具体的，所述预设精度可根据实际需求确定。

综上，本发明提供一种电容器测量位移的系统，系统包括LC振荡电路、滤波电路、第一模拟电子开关、处理器和存储器，所述存储器存储有模拟信号值-距离对应表，当处理器执行计算机程序时，实现如下步骤：获取时间节点对应的第一模拟信号值，第一模拟信号值＞预设模拟信号值时，基于模拟信号值-距离对应表，获取第一模拟信号值对应的第一距离，获取上一时间节点对应的第二距离，第一距离和第二距离的差值，即为目标移动距离，基于此，本发明提供一种非接触式的测量位移的系统，避免因长时间使用造成损耗从而测量不准确的情况，同时不受平面材料和环境的影响，从而实现非接触式的位移测量，避免长时间使用造成的损耗。

具体的，通过如下步骤获取模拟信号值-距离对应表（TC，TX）：

S001，获取移动距离X_j处的模拟信号值C_j，从而获取模拟信号值列表C={C₁，C₂，…，C_j，…，C_n}，其中，X={X₁，X₂，…，X_j，…，X_n}，X_j是矩形正极板从所述锐角端点开始移动j个预设距离时的位置，C_j是矩形正极板位于X_j时的模拟信号值，j的取值范围是1到n，n是矩形正极板从初始位置开始移动到结束位置的次数，其中，所述矩形正极板结束位置位于矩形正极板中靠近第二直角边的第二矩形边和第二直角边重合的位置。

具体的，X_j＞X_j-1，C_j＞C_j-1。

具体的，所述预设距离可根据实际情况设置，当矩形正极板移动1个预设距离X₁时，进行采集，获取此时的模拟信号值C₁；当矩形正极板移动j个预设距离X_j时，获取此时的模拟信号值C_j，从而获取预备模拟信号值-距离对应表（C，X）。

所述矩形正极板结束位置可以理解为，第二矩形边和第二直角边重合，且所述矩形正极板处于矩形正极板结束位置时，矩形正极板和直角三角形的重合面积最大。

S002，当TC=C_j时，TX=X_j。

S003，当C_j-1＜TC＜C_j时，TX=（TC-C_j-1）*（X_j-X_j-1）/（C_j-C_j-1）+X_j-1。

具体的，在S003后还包括：若TC＜C₁，TX=0。

基于此，获取移动距离X_j处的模拟信号值C_j，从而获取预备模拟信号值-距离对应表（C，X），基于预备模拟信号值-距离对应表（C，X），当TC=C_j时，TX=X_j；当C_j-1＜TC＜C_j时，即TC处于两个模拟信号值之间时，将看做线性直线进行处理，从而获取TC对应的距离，从而获取模拟信号值-距离对应表（TC，TX）。

进一步的所述系统还包括电容传感芯片，所述电容传感芯片一端和电容器通信连接，另一端和处理器通信连接。

进一步的，在电容器和电容传感芯片之间还包括第二模拟电子开关，所述第二模拟电子开关处于非工作状态。

具体的，所述第一模拟电子开关和第二模拟电子开关的状态包括正常工作状态和非工作状态，所述正常工作状态是模拟电子开关处于闭合状态，所述非工作状态是模拟电子开关处于打开状态。

更进一步的，S200还包括：当第一模拟信号值≤预设模拟信号值时，发出电路切换指令，所述电路切换指令是将第一模拟电子开关切换为非工作状态、第二模拟电子开关切换为正常工作状态。

具体的，当接收到电路切换指令后，执行如下步骤：

S010，获取时间节点E_i电容器产生的第一电容值EV_i。

具体的，通过电容传感芯片获取正方形正极板和直角三角形负极板产生的第一电容值。

S020，基于第一电容值EV_i，获取第一移动位移R_i=（EV_i•4πkd）/（a•ε•tanβ）-a/2，其中，k是静电力常量，d是正方形正极板和直角三角形负极板的间距，ε是相对介电常数；

具体的，通过正方形正极板在移动过程中，正方形正极板和直角三角形负极板的相对面积逐渐增大，通过移动过程中的电容值，来反向推导出移动的距离。

S030，获取时间节点E_i-1电容器产生的第二电容值EV_i-1，其中，当i=1时，EV₀=0。

S040，基于第二电容值EV_i-1，获取第二移动位移R_i-1=（EV_i-1•4πkd）/（a•ε•tanβ）-a/2；

S050，获取目标移动位移y=|R_i-R_i-1|。

基于此，通过电容传感芯片一端和电容器通信连接，另一端和处理器通信连接，在第一模拟信号值≤预设模拟信号值时，将第一模拟电子开关切换为非工作状态，将第二模拟电子开关切换为正常工作状态，从而通过电容传感芯片获取电容值，获取时间节点E_i电容器产生的第一电容值，基于第一电容值获取第一移动位移，获取上一时间节点电容器产生的第二电容值，基于第二电容值获取第二移动距离，从而获取目标移动距离，可以理解为，当第一模拟信号值≤预设模拟信号值时，在实际应用过程中，当正方形正极板和直角三角形负极板的相对面积较小，产生的模拟信号值较小时，处理器对较小的模拟信号值不敏感，在处理器进行数字量的转化时，会出现不准确的情况，因此在模拟信号值较小的情况下，使用电容传感芯片来检测出电容值，进而计算出移动距离，提高计算的准确率。

然而，电容传感芯片的在时间维度上采集频率相对比较低，因此在模拟信号值大于预设模拟信号值时，仍使用LC振荡电路、滤波电路和处理器的电路。

进一步的，在S300后，本发明还包括：

S310，获取前序模拟信号值列表F={F₁，F₂，…，F_y，…，F_p}，F_y是时间节点A_i-1前采集的第y个模拟信号值，y的取值范围是1到p，p是时间节点A_i-1前采集的模拟信号值的数量。

S320，当存在F_y大于第二模拟信号值，基于第二模拟信号值-移动距离关系对应表，获取第二模拟信号对应的第二行动距离。可以理解为，当存在F_y大于第二模拟信号值，认为矩形正极板的移动超过了矩形正极板结束位置，因此使用第二模拟信号值-移动距离关系对应表找到第二模拟信号值对应的第二行动距离。

具体的，第二模拟信号值-移动距离关系对应表表征，在矩形正极板移动超过了矩形正极板结束位置时，模拟信号值和矩形正极板相对于矩形正极板初始位置移动的距离的对应关系。

进一步的，所述第二模拟信号值-移动距离关系可通过模拟信号值-移动距离关系的获取方法获取。

综上，获取前序模拟信号值列表，当存在F_y大于第二模拟信号值，基于第二模拟信号值-移动距离关系对应表，获取第二模拟信号对应的第二行动距离，获取了当矩形正极板移动超过了矩形正极板结束位置时的行动距离，使得矩形正极板在超过结束位置时的移动及也能被计算。

虽然已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员还应理解，可以对实施例进行多种修改而不脱离本发明的范围和精神。本发明开的范围由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种基于电容器测量位移的系统，其特征在于，所述系统至少包括：LC振荡电路、滤波电路、第一模拟电子开关、处理器和存储有计算机程序的存储器；

其中，所述LC振荡电路包括一电感电路和一电容器，用于根据电容器两端的电容量，将产生的振荡波形传输到滤波电路，所述振荡波形的幅值和电容器两端的电容量正相关；

所述第一模拟电子开关位于电容器和LC振荡电路之间，处于正常工作状态；

所述滤波电路用于将所述振荡波形进行过滤以获取模拟信号值，并将所述模拟信号值发送至所述处理器；

进一步，所述电容器由相互平行的可移动矩形正极板和处于固定状态的直角三角形负极板组成，所述矩形正极板底部和所述直角三角形负极板底部始终齐平，且所述矩形正极板中长度较短的第一矩形边作为所述矩形正极板的底部，所述直角三角形负极板中长度较大的第一直角边作为所述直角三角形的底部，所述矩形正极板中长度较长的第二矩形边的长度≥所述直角三角形负极板中第二直角边的长度；

所述存储器还存储有模拟信号值-移动距离关系对应表，所述模拟信号值-移动距离关系对应表用于表征模拟信号值和矩形正极板相对于矩形正极板初始位置移动的距离的对应关系，所述矩形正极板初始位置位于矩形正极板中远离第二直角边的第二矩形边的端点和直角三角形负极板的锐角端点重合的位置；

当处理器执行计算机程序时，实现如下步骤：

S100，获取时间节点A_i对应的第一模拟信号值；

S200，当第一模拟信号值＞预设模拟信号值时，基于第一模拟信号值和模拟信号值-移动距离关系对应表，获取第一模拟信号值对应的第一距离D_i；

S300，获取A_i上一时间节点A_i-1对应的第二距离D_i-1，其中，所述处理器每隔预设时间段采集一次模拟信号值；

S400，获取目标移动距离x=|D_i-D_i-1|。

2.根据权利要求1所述的基于电容器测量位移的系统，其特征在于，所述矩形正极板为正方形正极板，所述直角三角形负极板的最小角为β，正方形正极板的边长和第二直角边的长度均为a。

3.根据权利要求2所述的基于电容器测量位移的系统，其特征在于，目标移动距离x满足如下条件：x≥a（1-tanβ）。

4.根据权利要求3所述的基于电容器测量位移的系统，其特征在于，目标移动距离x满足如下条件：

PA*bit＞x≥a（1-tanβ），其中，PA为预设精度，bit为MCU将第一模拟信号值转化为的数字量的位数。

5.根据权利要求2所述的基于电容器测量位移的系统，其特征在于，通过如下步骤获取模拟信号值-移动距离关系对应表（TC，TX）：

S001，获取移动距离X_j处的模拟信号值C_j，从而获取模拟信号值列表C={C₁，C₂，…，C_j，…，C_n}，其中，X={X₁，X₂，…，X_j，…，X_n}，X_j是矩形正极板从所述锐角端点开始移动j个预设距离时的位置，C_j是矩形正极板位于X_j时的模拟信号值，j的取值范围是1到n，n是矩形正极板从所述锐角端点开始移动的次数，其中，所述矩形正极板结束位置位于矩形正极板中靠近第二直角边的第二矩形边和第二直角边重合的位置；

S002，当TC=C_j时，TX=X_j；

S003，当C_j-1＜TC＜C_j时，TX=（TC-C_j-1）*（X_j-X_j-1）/（C_j-C_j-1）+X_j-1。

6.根据权利要求5所述的基于电容器测量位移的系统，其特征在于，在S003后还包括：若TC＜C₁，TX=0。

7.根据权利要求6所述的基于电容器测量位移的系统，其特征在于，所述系统还包括电容传感芯片，所述电容传感芯片一端和电容器通信连接，另一端和处理器通信连接。

8.根据权利要求7所述的基于电容器测量位移的系统，其特征在于，在电容器和电容传感芯片之间还包括第二模拟电子开关，所述第二模拟电子开关处于非工作状态。

9.根据权利要求8所述的基于电容器测量位移的系统，其特征在于，S200还包括：当第一模拟信号值≤预设模拟信号值时，发出电路切换指令，所述电路切换指令是将第一模拟电子开关切换为非工作状态、第二模拟电子开关切换为正常工作状态。

10.根据权利要求9所述的基于电容器测量位移的系统，其特征在于，在接收到电路切换指令后，执行如下步骤：

S010，获取时间节点E_i电容器产生的第一电容值EV_i；

S020，基于第一电容值EV_i，获取第一移动位移R_i=（EV_i•4πkd）/（a•ε•tanβ）-a/2，其中，k是静电力常量，d是正方形正极板和直角三角形负极板的间距，ε是相对介电常数；

S030，获取时间节点E_i-1电容器产生的第二电容值EV_i-1，其中，当i=1时，EV₀=0；

S040，基于第二电容值EV_i-1，获取第二移动位移R_i-1=（EV_i-1•4πkd）/（a•ε•tanβ）-a/2；

S050，获取目标移动位移y=|R_i-R_i-1|。