CN213481234U - 一种基于纳米电容传感器的无线测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于纳米电容传感器的无线测量系统，所述基于纳米电容传感器的无线测量系统包括纳米电容传感器、信号放大模块、模数转换器、控制器模块、无线接收模块和上位机，所述控制器模块中包括无线射频模块，所述纳米电容传感器连接所述信号放大模块的输入端，所述信号放大模块的输出端连接所述模数转换器的输入端，所述模数转换器的输出端连接所述控制器模块的输入端，所述无线接收模块用于接收所述无线射频模块发射的射频信号，所述无线接收模块连接所述上位机。本实用新型将数据采集端采集的数据通过无线传输的方式发送给显示端，可以适应各种复杂、恶劣的环境，使测量系统的应用范围更广，尤其对于要求高精度，高带宽，低延时的工业应用领域。

Description

一种基于纳米电容传感器的无线测量系统

技术领域

本实用新型涉及测绘领域，具体涉及一种基于纳米电容传感器的无线测量系统。

背景技术

由于显微镜、光刻技术、芯片加工检测、精密机床设备、计量仪器、航空航天和生物医疗等应用中对精密运动定位的需求不断增长，并要求控制其在100nm或更小的尺寸上。而定位技术的准确与否则依赖于传感器，靠精确的位置传感器来进行反馈控制。

电容位移传感器常用于高精度的位移测量领域，作为一种常用的微位移测量工具，凭借结构简单、高分辨率、高带宽、高灵敏度、信噪比大、稳定性好、抗电磁干扰能力强等特点在精密测量与自动控制领域广泛推广与应用。与其他类型的精密位置传感器相比，电容式位置传感器具有以下主要优势。

•纳米电容传感器可在短范围内（通常从10um到2mm）提供高达皮米（pm）级别的高分辨率。

•电容式传感器是完全非接触式的，无零件变形或者探头磨损，被测目标可为导体或绝缘体。

•纳米电容传感器提供高测量带宽高达10 KHz，20 KHz乃至100 KHz。

然而，现有的基于纳米电容传感器的测量系统仍存在以下技术问题：纳米电容传感器的电信号要经过传输电缆线发送到信号处理电路，而传输线往往是噪声和干扰的一个重要来源，对电容是传感器来讲，电容很小，信号比较弱，那么传输线的干扰会对信号产生很大的影响。尤其是当纳米电容传感器用在工业设备上时，电缆在拖链里移动，会严重影响纳米电容传感器的稳定性。且由于电缆过长会严重影响信噪比，导致纳米电容传感器的电缆长度不能过长，一般在2-3米左右，使目前的基于纳米电容传感器的测量系统在工业应用中存在较大的限制。

另一方面，在现代化的常规检测中，往往需要在工业现场收集的传感器数据，然后发送到数据处理中心或主机进行分析和处理。目前传统的做法是通过传感器和计算机之间的电缆传输有效数据。然而对于复杂的工业现场来说，布线不便是一个很大的问题，而且，线缆本身也有短路、断线的隐患，且线缆有成本高、容易老化等缺点，错综复杂的线路也使得系统在调试和维修更加困难。

此外，在许多场合，如高腐蚀环境，或附着在运动的物体上，是不可能进行线缆连接。在诸如此类的场合下，采用有线测量的方式会给测量带来诸多麻烦，甚至导致测量无法进行。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术中的不足之处而提供一种基于纳米电容传感器的无线测量系统，传感器分辨率可达0.1nmHz^-1/2，实现对输入信号的高带宽（10kHz）采样和低延时（200us）传输，将数据采集端采集的数据通过无线传输的方式发送给显示端，可以适应各种复杂、恶劣的环境，使测量系统的应用范围更广。

本实用新型的目的通过以下技术方案实现：

本实用新型提供了一种基于纳米电容传感器的无线测量系统，包括：纳米电容传感器、信号放大模块、模数转换器、控制器模块、无线接收模块和上位机，所述控制器模块中包括无线射频模块，所述纳米电容传感器连接所述信号放大模块的输入端，所述信号放大模块的输出端连接所述模数转换器的输入端，所述模数转换器的输出端连接所述控制器模块的输入端，所述无线接收模块用于接收所述无线射频模块发射的射频信号，所述无线接收模块连接所述上位机。

进一步地，所述纳米电容传感器为变极距型纳米电容传感器、变面积型纳米电容传感器、纳米电容传感器变介质型中的一种。

进一步地，所述控制器模块与所述无线射频模块之间通过I2C、UART、SPI中的任意一种串行通信协议进行通信。

进一步地，所述控制器模块与所述无线射频模块之间通过SDIO并行通信协议进行通信。

进一步地，所述模数转换器为12位模拟数字转换模块、18位模拟数字转换模块、24位模拟数字转换模块中的一种。

进一步地，所述无线射频模块为WIFI射频模块、蓝牙模块、nRF24L01模块、LoRa模块中的一种。

进一步地，所述无线接收模块包括无线网卡。

本实用新型的有益效果是：本实用新型提供了一种基于纳米电容传感器的无线测量系统，通过纳米电容传感器高精度采集数据，ADC精度可达10^-9v，定位精度达到纳米级，经过信号放大模块将模拟量信号放大后，模数转换器将模拟量的数据转换为数字量的数据，再通过控制器采集转换数据后通过DMA（direct memory access）通道将数字量的数据通过无线射频模块发出，无线接收模块接收数据后传输给上位机显示，本实用新型将数据采集端采集的数据通过无线传输低延时（200us）发送给上位机显示实时位置信息，可以用于高带宽高精度实时性要求高的运动定位，而且无线传输的方式可以适应各种复杂、恶劣的环境，使测量系统的应用范围更广。

附图说明

利用附图对实用新型作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本实用新型的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1是本实用新型的一种基于纳米电容传感器的无线测量系统的系统结构示意图。

图2是本实用新型的一种基于纳米电容传感器的无线测量系统的控制逻辑示意图。

图3是本实用新型的一种基于纳米电容传感器的无线测量系统的上位机采集的正弦波示意图。

图4是本实用新型的一种基于纳米电容传感器的无线测量系统的上位机采集的方弦波示意图。

图5是本实用新型的一种基于纳米电容传感器的无线测量系统的上位机采集的三角弦波示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都应当属于本实用新型保护的范围。

如附图1-5所示，本实施例的一种基于纳米电容传感器的无线测量系统，包括纳米电容传感器、信号放大模块、模数转换器、控制器模块、无线接收模块和上位机，所述控制器模块中包括无线射频模块，所述纳米电容传感器连接所述信号放大模块的输入端，所述信号放大模块的输出端连接所述模数转换器的输入端，所述模数转换器的输出端连接所述控制器模块的输入端，所述无线接收模块用于接收所述无线射频模块发射的射频信号，所述无线接收模块连接所述上位机。

具体地，本实施例中的纳米电容传感器可以为变极距型纳米电容传感器、变面积型纳米电容传感器、纳米电容传感器变介质型中的一种，被测对象可以为位移、尺寸、压力、温度、湿度、速度等一切可以转换为电容量变化的物理量，本实施例的纳米电容传感器以变极距型纳米电容传感器用于测量测度为例进行说明，由于纳米电容传感器的电容变化往往转换为电压或者电流的变化，但由于纳米电容传感器输出的信号微弱，需增加信号放大模块进行放大，本实施例的信号放大模块具体为前置放大器。

本实施例的变极距型纳米电容传感器带宽为1-10kHz，输出-10V-10V/-5V-+5V/0-10V的电压,具体电压大小，可以调节前置放大器增益。

在本实施例中，模数转换器可以为为12位模拟数字转换模块、18位模拟数字转换模块、24位模拟数字转换模块中的一种，模数转换器精度大小取决于ADC的位数，模数转换器可以进行多通道采集，模数转换器的作用是将时间连续、幅值也连续的模拟信号转换为时间离散、幅值也离散的数字信号，纳米电容传感器输出的模拟信号经模数转换器采样，本实施例中以12位模拟数字转换模块为例进行说明。

具体地，控制器主要用于数据处理包括低通滤波器、带阻滤波、线性校正等，然后把处理后的信号经过I2C、UART、SPI等串行通信协议的一种或者SDIO等并行协议发送到无线射频模块，本实施例的控制器模块中具体采用STM32的单片机作为控制器。

本实施例的控制器进行AD采样时，采样频率设置至少2倍于带宽，本实施例的采样频率以1Mhz为例进行说明。

具体地，本实施例中的无线射频模块为WIFI射频模块、蓝牙模块、nRF24L01模块、LoRa模块中的一种，本实施例以WIFI射频模块为例进行说明。

具体地，本实施例中的无线接收模块包括无线网卡，无线网卡可以接受无线网卡发出的数据，本实施例的上位机可以用编程语言VB、VC、C、C++、C#等，也可以用图形化编程软件如matlab和labview等，本实施例的上位机为labview为例进行说明。

本实施例的工作原理：本实施例的一种基于纳米电容传感器的无线测量系统，通过变极距型纳米电容传感器采集温度数据，经过前置放大器将温度数据放大后，12位模数转换器将模拟量的温度数据转换为数字量的温度数据，并通过STM32单片机将温度数据通过WIFI模块发出，无线接收模块中的无线网卡接收数据后传输给上位机显示，本实施例将数据采集端采集的数据通过无线传输的方式发送给显示端，可以适应各种复杂、恶劣的环境，使测量系统的应用范围更广。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对本实用新型保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的实质和范围。

Claims (7)

1.一种基于纳米电容传感器的无线测量系统，其特征在于，包括：纳米电容传感器、信号放大模块、模数转换器、控制器模块、无线接收模块和上位机，所述控制器模块中包括无线射频模块，所述纳米电容传感器连接所述信号放大模块的输入端，所述信号放大模块的输出端连接所述模数转换器的输入端，所述模数转换器的输出端连接所述控制器模块的输入端，所述无线接收模块用于接收所述无线射频模块发射的射频信号，所述无线接收模块连接所述上位机。

2.如权利要求1所述的一种基于纳米电容传感器的无线测量系统，其特征在于，所述纳米电容传感器为变极距型纳米电容传感器、变面积型纳米电容传感器、纳米电容传感器变介质型中的一种。

3.如权利要求1所述的一种基于纳米电容传感器的无线测量系统，其特征在于，所述控制器模块与所述无线射频模块之间通过I2C、UART、SPI中的任意一种串行通信协议进行通信。

4.如权利要求1所述的一种基于纳米电容传感器的无线测量系统，其特征在于，所述控制器模块与所述无线射频模块之间通过SDIO并行通信协议进行通信。

5.如权利要求1所述的一种基于纳米电容传感器的无线测量系统，其特征在于，所述模数转换器为12位模拟数字转换模块、18位模拟数字转换模块、24位模拟数字转换模块中的一种。

6.如权利要求1所述的一种基于纳米电容传感器的无线测量系统，其特征在于，所述无线射频模块为WIFI射频模块、蓝牙模块、nRF24L01模块、LoRa模块中的一种。

7.如权利要求1所述的一种基于纳米电容传感器的无线测量系统，其特征在于，所述无线接收模块包括无线网卡。

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