用於操作電容測量電路的方法
2023-06-16 18:57:16 2
用於操作電容測量電路的方法
【專利摘要】本發明的操作電容測量電路(1)的方法可用於對移動的諸如粗疏條、粗紗、紗線或機織織物的長條形紡織測試材料進行電容性檢查。它包括用於容納測試材料的測量電容器(2)。它還包括可由電控制信號(71)改變其電容的部件(3)。該測量電路(1)能用一種簡單、迅速、成本低、尤其是自動的方式平衡，可變電容可以用於向測量電路饋送隨機的電控制信號。該測量設備(1)能提供「記錄和回放」的功能，待測電容器配置在本發明所述的方法中維持基本暫時不變，且電控制信號與測量電路的輸出信號無關。
【專利說明】用於操作電容測量電路的方法
【背景技術】
[0001]本發明屬於電測量電路領域。它涉及一種與第一項權利要求的前序部分相關的操作電容測量電路(1)的方法，以及一種與另一項獨立權利要求的前序部分相關的在對移動的長條形測試材料(9)進行電容性檢查的設備中操作電容測量電路(1)的方法。本發明允許自動平衡測量電路、使用測量電路進行模擬測量、測試測量電路或測試與測量電路串聯的部件。
[0002]本發明適合用於對優選為紡織結構的長條形物(例如粗疏條、粗紗、紗線或機織織物)進行電容性測試。本發明由此也涉及另一權利要求的前序所述的一種用於對移動的長條形測試材料進行電容性檢查的設備。這種檢查的目的可以是，例如，檢測異物、識別單位長度的質量變化、以及/或測量測試材料的溼度。本發明可用在，例如紡紗機和絡筒機中的清紗器的生產過程(聯機)、或紗線測試裝置中用於實驗室測試(脫機)。
[0003]現有技術
[0004]已知有許多各種設備用於檢查或測試長條形紡織測試材料，例如粗疏條、粗紗、紗線或機織織物。根據這些設備的應用，可將它們劃分為實驗室測試(脫機)和在生產過程中的測試(聯機)兩類。這些設備利用各種已知的傳感器原理，其中本發明特別感興趣的是電容性測量原理，提供了具有測量電容器的測量電路，該測量電容器設置成平板電容器。對測量電路施加電交變電壓，由此在測量電容器中產生交變電場。測試材料移動地通過平板電容器，且經受交變電場，確定測試材料的介電性能。由介電性能確定測試材料的參數，例如單位長度的質量和/或材料成分。在ΕΡ-0』 924』 513A1、W0-2006/105676A1和W0-2007/115416A1的說明書中給出測量電路以及適用於其輸出信號的評估電路的例子。
[0005]為實現不受諸如空氣溫度或空氣溼度等外部因素影響的精確測量，常常使用補償方法。為此，測量電路中除了實際的測量電容器外，還包括參考電容器。舉例來說，該參考電容器可通過增加一個第三電容器平板來形成，該電容器平板與兩個測量電容器平板平行且與其電串聯。
[0006]在無測試材料的情況下施加交變電壓時，測量電路應給出輸出信號零。由於實際電部件存在各種瑕疵，實際上為了在無測試材料的情況下得到零信號，對稱設置測量電路是不夠的。為平衡起見，需單獨使每個測量電路平衡。可在製造商的生產過程中完成對稱平衡，也可在維護期間由技術維修人員進行。為此，通常改變至少一個與測量電路並聯的電容微調器的電容，可使用諸如螺絲刀的適當工具手動調節，也可使用已知的雷射微調法。不管採用哪種方法，都需打開設備進行平衡。這種手動平衡費力、耗時且成本高。
【發明內容】
[0007]因此，本發明的目的是提供一種無上述缺點的一種操作電容測量電路的方法。該測量電路將能夠通過一種簡單、迅速、成本低、特別是自動的方式實現平衡，可變電容可以用於向測量電路饋送隨機的電控制信號。該測量設備(1)能提供「記錄和回放」的功能，待測電容在本發明所述的方法中基本暫時不變，且電控制信號與測量電路的輸出信號無關。
[0008]此外，將提供一種本發明所述測量電路的操作方法。還將提供一一種在對移動的長條形測試材料(9)進行電容性檢查的設備中操作電容測量電路(1)的方法，該設備能夠通過一種簡單、迅速、成本低且自動的方式實現平衡，可變電容可以用於向測量電路饋送隨機的電控制信號。該測量設備(1)能提供「記錄和回放」的功能，待測電容在本發明所述的方法中基本暫時不變，且電控制信號與測量電路的輸出信號無關。
[0009]正如獨立權利要求中所明確，本發明所述的測量電路、設備、以及方法可實現這些和其他目的。在從屬權利要求中公開了較佳實施例。
[0010]本發明基於以下構想:在無任何機械或其他幹預的情況下，使用電控制信號使測量電路中至少一部分的電容發生變化，這樣有可能自動平衡測量電路。
[0011]因此，本發明的電容測量電路包括一個待測的電容器配置、以及至少一個可由至少一個控制信號改變其電容的部件。
[0012]在本說明書中，術語「電容器配置」應被理解為一種具有兩個部分的裝置，這兩部分可通過交變信號發生器的電交變信號以不相似的方式充電，且由至少一個電介體相互隔開。在一優選實施例中，電容器配置為具有兩個相互隔開的金屬板的電容器，在這兩個金屬板之間的空氣被清除，其間插入待測的移動的長條形紡織測試材料。至少一個部件可選自下列部件:可變電容二極體、其他二極體、多個相互並聯的且可與各自的電控制信號連接和斷開的平衡電容器、尤其是MEMS電容器、反向偏置電晶體、金屬氧化物半導體場效應電晶體、可通過壓電元件的方式改變電極距離的電容器。至少一個部件中的一或幾個電容器和/或一或幾個開關可方便地設置為微機電系統(micro-electro-mechanical system, MEMS)。測量電路可設置為具有至少兩個電橋臂的電容電橋，其中一個電橋臂作為包括待測電容器配置的測量臂，至少另一個電橋臂包括至少一個部件。
[0013]本發明的測量電路優選用於對移動的諸如粗疏條、粗紗、紗線或機織織物的長條形紡織測試材料進行電容性檢查，用移動的測試材料影響待測電容。
[0014]本發明所述的用於對移動的長條形測試材料進行電容性檢查的設備包括本發明所述的具有用於容納測試材料的測量電容器的電容測量電路、以及至少一個可由至少一個電控制信號改變的電容。
[0015]本發明所述的設備優選包括用於向測量電路施加交變電壓信號以在測量電容器中產生交變電場的工具、以及在測量電容器中用於測試材料的通孔，該通孔能經受交變電場。測量電路可設置為具有至少四個電橋臂的電容電橋，這些電橋臂之一包括測量電容器，且這些電橋臂中的至少一個包括可變電容。
[0016]在本發明所述的測量電路的操作方法中，由至少一個電控制信號改變至少一個可變電容。在本發明所述的測量電路的平衡過程中，待測電容維持基本上暫時不變。除可變電容外，測量電路的電容在平衡期間不應變化。對測量電路施加電輸入信號，分接測量電路的電輸出信號。電控制信號受輸出信號的影響。優選在閉合的控制迴路中自動發生輸出信號對電控制信號的影響。
[0017]本發明用於平衡測量電路，可通過一種簡單、迅速而又成本低的方式來平衡測量電路，不再為平衡測量電路而需打開裝置，可隨時進行平衡。它可由裝置本身自動完成，無需操作人員的任何幹預，這樣允許隨時進行平衡。可在使用測量電路進行每次測量前進行平衡，在每10次測量前進行平衡，或在輸出信號的長期性能發生相關變化後或在環境條件發生較大變化後自動進行平衡。這可提高測量的精確度、可靠性和再現性，並通常改善測量結果。
[0018]可變電容不僅可用於平衡測量電路，也可用於向測量電路饋送隨機的電控制信號。通過這種控制信號可有目的地解諧測量電路。對測量電路進行有目的的去諧與通過待測電容的改變進行的去諧具有相同或相似的效果。通過經由可變電容向測量電路送控制信號進行模擬測量。除可變電容外，測量電路的電容在該過程中不應發生變化。模擬測量例如可用於測試評估電路、以及在評估電路中查找誤差。它們可用於平衡評估電路，例如平衡包括在評估電路中的濾波器。它們也可用於測試和/或設定包括測量電路的設備。記錄用相同的測量電路或其它傳感器的實際測量的前期輸出信號，儲存在存儲器中，以及將它們作為輸入信號經由可變電容提供給測量電路是有可能的。因此，該設備能提供「記錄和回放」的功能。
[0019]因此，待測電容可在本發明所述的方法中暫時保持不變，且電控制信號與測量電路的輸出信號無關。電控制信號優選是一種暫時快速變化的、合成產生的和/或先前儲存的信號。本發明所述方法的這種變形例，如用於使用測量電路進行模擬測量、用於測試測量電路、或用於測試與測量電路串聯的部件。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]下文將結合示意圖對本發明作更詳細的說明。圖1至6顯示本發明所述測量電路的各種實施方式的電路圖。
【具體實施方式】
[0021]圖1中的電路圖簡單地顯示了本發明的基本構想。測量電路1包括待測電容2、以及通過電控制信號71可變化的電容3。將結合圖3至5討論實現電可變電容3的可能性。在此採用電容器示意性地表示兩個電容2和3。在該實施例中它們一個接一個地串聯連接。兩個用於施加電交變電壓信號Vin的輸入接線41和42位於串聯連接的兩端，該串聯連接的兩端接測量電路1。用於輸出測量電路1的輸出信號的輸出接線51位於串聯的電容2與電容3之間。輸出線59將輸出信號從輸出接線51接到評估單元6，以進行評估。
[0022]在平衡測量電路1期間，應注意除可變電容3外，待測電容2以及存在於測量電路1中的可選其他電容不變。因此，應採用諸如溫度和空氣溼度的適時恆定的環境條件。如果將待測電容2設置為用於容納測試材料的電容器，則在電容器中不應存在測試材料，或測試材料的電容不應發生變化。
[0023]對輸入接線41和42施加電交變電壓信號，用於平衡測量電路1。從輸出接線51分接出優選為交變電壓的電輸出信號。通過使輸出信號為特定值的方式，優選為零，由電控制信號71 (優選為直流電壓)改變可變電容3。例如在設備生產之後或在安裝測量電路1時的設備維護期間，可手動設定電控制信號71。電控制信號71可選地自動產生。該自動產生過程可發生在專用於此的控制單元7中或評估單元6中。圖1示意性地顯示從評估單元6向控制單元7的反饋，從而使電控制信號71依測量電路1的輸出信號而定。可使用電控制信號71的自動產生過程來自動平衡測量電路1。形成這樣的閉合控制迴路，其中輸出信號是被控制在設定值為零的控制變量，控制單元7起到控制器的作用，且控制信號71是起動值。
[0024]圖2中的測量電路1的實施例與圖1中的不同，它包括與待測電容21並聯的參考電容器22。參考電容器22用於更精確的測量以及補償諸如空氣溫度或空氣溼度的外界影響。可理解的是，可根據需要轉換測量電容器21和參考電容器22的功能，即可由參考電容器22來容納測試材料，而測量電容器21中無測試材料且被用作參考電容器。也可通過向可變電容3施加電控制信號71來平衡圖2中的測量電路1。
[0025]圖3顯示本發明所述測量電路1的另一種實施方式。測量電路1被設置成電容半測量電橋。它包括四個半電橋臂11至14，其中的每個包括至少一個電容。兩個半電橋臂11、12和13、14相互並聯成為成對的臂，且兩個臂對11、12和13、14相互串聯。兩個輸入接線41和42位於串聯接線的兩端，用於向電容測量電橋1施加電輸入信號。兩個相互連接的用於輸出電容半測量電橋1的輸出信號的輸出接線51和52位於兩個串聯的臂對11、12與13、14之間。輸出線59將輸出信號從輸出接線51、52引到評估單元6，以進行評估。
[0026]第二電橋臂12和第四電橋臂14具有可變電容31和32。可變電容31和32均可由可變電容二極體(也被稱為變容二極體)實現。這是一種可由外加電壓的方式改變其電容的電子部件。可變電容二極體31和32均由類似的電控制電壓71和72控制。在一優選實施方式中，兩個可變電容二極體31和32的電控制電壓71和72是相對於參考電壓反對稱的直流電壓，即它們與參考電壓的差值在數量上是相等的，且具有相反的符號。例如控制電壓71和72可由數模轉換器提供。在第一電橋臂11中的待測電容21為測量電容器的電容，例如該測量電容器適合於容納優選沿其縱向移動的諸如粗疏條、粗紗、紗線或機織織物的長條形測試材料(未顯示)。位於第三電橋臂13中且與測量電容器21串聯的電容器22可作為參考電容器。參考電容器22允許對測試材料進行精確補償測量，該測量不受諸如空氣溫度或空氣溼度的外界因素的影響。測量電容器21和參考電容器22應儘可能相同，以具有儘可能相近的電容。參考測量電容器21和參考電容器22的兩個相對的具有相同電位的電容器金屬板可由一個電容器金屬板實現，從而已消除導致可能不對稱的一個來源。
[0027]例如可對測量電路1的兩個輸入接線41和42施加第一和第二交變電壓信號，作為圖3中實施方式的輸入信號。這兩個所施加的交變電壓信號優選為相互反對稱，即它們與參考電壓的差值在數量上是相等的，且相互相移180°。
[0028]測量電路1的輸出信號從形成半電橋杆的輸出線59分接出來，即它連接位於電容半測量電橋1中間的所有四個半電橋臂11至14。為平衡電容半測量電橋1，可以使輸出信號的值為零的方式改變兩個控制電壓。這兩個參考電壓優選為直流電壓，且相對於參考電壓相互反對稱。當電容測量電橋1已平衡時，需確保各個控制電壓在測量操作中保持不變。例如各個值可被儲存在數字存儲器中，且可作為恆定電壓由適當的數模轉換器提供給可變電容二極體31和32。在平衡電容半測量電橋1時，需確保除可隨電控制電壓71和72改變的可變電容二極體31和32外，電容半測量電橋1的電容不變。
[0029]圖3顯示本發明所述的具有可變電容二極體31和32的測量電路1的僅一種或多種可能的實施方式。本領域技術人員熟知可變電容二極體31和32的電路環境也能不同地設置。其他類型的可變電容可代替可變電容二極體31和32。原則上講，一個單一的可變電容31 (例如在第二半電橋臂12中的那個)將足以平衡電容半測量電橋1。為對稱起見，對於大多數應用而言，圖3所示的兩個可變電容二極體31和32的實施方式更有利。
[0030]根據本發明的測量電路1的實施方式的進一步優化，一同被視為測量單元的第一半電橋臂11中的測量電容器21以及第三半電橋臂13中的參考電容器22可出現若干次。更進一步，然後將這種測量部件切換成與圖3中所示的第一測量單元並聯。這種測量部件優選包括具有不同電容的電容器，可用於測量不同的測試材料，例如不同粗細的紗線。由於在大多數情形下測量電容器也可用作參考電容器且反之亦然，所以在本說明書中測量電容器與參考電容器之間的不同在於其唯一的目的賦名，而不在於對其功能的硬性指定。如果在測量電路中存在若干個測量電容器和參考電容器，其中一個電容器通常在測量中被用作測量電容器，而其他電容器被用作參考電容器。
[0031]圖4顯示本發明所述測量電路1設置成電容半測量電橋的第二種實施方式。在圖4中與圖3所示第一種實施方式中的那些元件類似的元件具有相同的參考編號，在此就不再說明了。第二種實施方式與第一種實施方式的不同之處在於實現了第二半電橋臂12和第四半電橋臂14的可變電容。第二半電橋臂12和第四半電橋臂14均包括多個不可變的平衡電容器33，這些平衡電容器33可被切換成相互並聯，且可由各自的電控制信號激活或失效。由此，可由控制信號改變第二半電橋臂12和第四半電橋臂14的容量。這些平衡電容器33可相同或不同。為覆蓋儘可能大的平衡範圍，優選互不相同的平衡電容器33。例如，每個隨後的平衡電容器33的電容是其在前平衡電容器33的電容的一半。這些平衡電容器33在第二半電橋臂12和第四半電橋臂14中的設置優選為相互對稱。
[0032]每個單一的平衡電容器33可通過與之相連的開關34來激活或失效。由各個數字控制信號切換開關34。可由已知的數字驅動器部件提供控制信號。在該實施方式中，還需儲存和維護平衡所需的開關位置，以用於測量操作。
[0033]開關34的實現存在各種已知的可能。當使用附加的串聯電容器時，有可能將平衡電容器33與開關34並聯放置。
[0034]在各個半電橋臂12和14中相互並聯的多個平衡電容器33可被整合成單一的部件。於是優選將平衡電容器33設置為微機電系統(micro-electro-mechanicalsystem, MEMS)。例如由WiSpry, Inc, Irvine, CA, USA公司以WSC002L的命名提供的可連接電容的整合MEMS線布置。
[0035]圖5顯示本發明所述測量電路1的具有可變電容31和32的另一種實施方式。在此使用可變電容二極體的電路符號表示可變電容31和32，但也可使用其他方式表示。這種測量電路1更適合對移動的諸如紗線的長條形測試材料9進行電容性檢查。測試材料9穿過由測量電容器21的兩個優選平面電極形成的測量縫。未容納任何測量對象的參考電容器22與測量電容器21串聯。測量電容器21和參考電容器22是LC諧振電路11的一部分，該諧振電路包括兩個線圈L1和L2，這兩個線圈通過共同芯、電阻器R1、電容器C1耦合。由振蕩器4起動諧振電路11。振蕩器4接收輸入電壓VDD，並在諧振電路11的兩臂中產生兩個基本上呈正弦曲線的相互相移180°的交變電壓信號。
[0036]為進行平衡，測量電路1包括兩個可變電容31和32、以及用於驅動可變電容31和32的控制電路7。控制電路7的核心是放大器73，例如對該放大器73的一個輸入端施加
2.5V的補償電壓Voff。此外，例如可對控制電路7施加0至4V的移位電壓Vshift。控制電路7設置為對兩個可變電容31和32施加的控制電壓是關於參考電壓相互反對稱的直流電壓這種方式，即它們與參考電壓的差值在數量上是相等的，且具有相反的符號。由補償電壓Voff基本上來設定參考電壓，且由移位電壓Vshift基本上來設定差值。關於用於控制電路7中的電阻器，優選應用下列關係:R3〈〈R2 = R6 = R7，R4 = R5。
[0037]圖3中測量電路的另一發展形式是圖6中所示的測量電路1，在下文進行描述。如上所述，與圖3中實施方式類似的相同元件在圖6中具有相同的附圖標記，在此將不作進一步詳細的說明。與圖3中實施方式的主要不同在於四個電橋臂11至14未通過電橋杆進行相互連接。由此，與圖3中的電容半測量電橋相反，在此涉及電容全測量電橋。在圖6所示的電容測量電橋1中分接出兩個輸出信號:第一個輸出信號分接於輸出接線51在第一電橋臂11與第三電橋臂13之間的連接點處，第二個輸出信號分接於輸出接線52在第二電橋臂12與第四電橋臂14之間的連接點處。經由第一輸出線58和第二輸出線59向評估單元6提供第一和第二輸出信號，由評估單元6確定兩輸出信號之間的差值。由此它涉及差分測量方法。當各個差值為零時，測量電橋1被平衡。在第二電橋臂12和第四電橋臂14中的一或兩個可變電容31和32用於平衡測量電橋1，將它們設置成可變電容二極體、MEMS電容或任何其他形式。
[0038]可理解的是本發明並不局限於上文中討論的實施方式。本領域技術人員將能夠根據本發明的內容得出其他變形例。這類變形例如也可以是上文中討論的實施方式的組合。在圖5所示測量電路1中的電容半電橋可被圖6所示的電容全電橋代替。本領域技術人員熟知許多的可通過電信號改變其電容的電部件。
[0039]附圖標記
[0040]1測量電路
[0041]11-14 電橋臂
[0042]2待測電容
[0043]21測量電容器
[0044]22參考電容器
[0045]3可變電容
[0046]31, 32 可變電容二極體
[0047]33平衡電容器
[0048]34開關
[0049]4振蕩器
[0050]41，42 輸入接線
[0051]51,52 輸出接線
[0052]58,59 輸出線
[0053]6評估單元
[0054]7控制電路
[0055]71，72 控制信號
[0056]73放大器
[0057]9測試材料
【權利要求】
1.一種操作電容測量電路(I)的方法，所述測量電路包括待測電容器配置(2，21)和至少一個具有電容可通過至少一個電控制信號(71，72)來改變的可變電容的部件(3，31，32)，其特徵在於: 所述待測量的電容器配置(2，21)維持基本上暫時不變，且所述電控制信號與所述測量電路(I)的輸出信號無關。
2.根據權利要求1所述的方法，其中所述電控制信號是一種暫時快速變化的、合成產生的和/或先前儲存的信號。
3.根據權利要求1所述的操作電容測量電路(I)的方法，其中所述至少一個部件(3,31,32)選自下組中的部件:可變電容二極體(31，32)、其他二極體、多個相互並聯且可與各自的電控制信號連接和斷開的平衡電容器(33)。
4.根據權利要求3所述的操作電容測量電路(I)的方法，其中所述部件選自下組中:反向偏置電晶體、金屬氧化物半導體場效應電晶體、微機電電容器、可由壓電元件改變電極距離的電容器。
5.根據權利要求1所述的操作電容測量電路⑴的方法，其中所述測量電路⑴被配置成至少具有兩個電橋臂(11至14)的電容測量電橋，其中一個電橋臂(11)是包括所述待測電容器配置(21)的測量臂，且至少另一個電橋臂(12，14)包括所述至少一個部件(31，32)。
6.根據權利要求1所述的操作電容測量電路(I)的方法，其中所述電容測量電橋包括四個電橋臂(11至14)。
7.根據權利要求1所述的操作電容測量電路(I)的方法，其中所述測量電路(I)包括兩個部件(31，32)，所述兩個部件的電容可由至少一個電控制信號(71，72)改變。
8.根據權利要求7所述的測量電路(I)，其中通過基本上相互反對稱的方式改變所述兩個部件(31，32)的電容。
9.一種在對移動的長條形測試材料(9)進行電容性檢查的設備中操作電容測量電路(I)的方法， 該設備包括具有用於容納所述測試材料(9)的測量電容器(21)的電容測量電路(1)，以及至少一個具有電容可通過至少一個電控制信號(71，72)來改變的可變電容的部件(3，31，32)，其中，所述至少一個可變電容被所述至少一個電控制信號(71，72)所改變，其特徵在於: 所述待測量的電容器配置(2，21)維持基本上暫時不變，且所述電控制信號與所述測量電路(I)的輸出信號無關。
10.根據權利要求9所述的方法，其中所述設備還包括用於向所述測量電路(I)施加交變電壓信號(Vin)以在所述測量電容器(21)中產生交變電場的裝置(4)、以及在所述測量電容器(21)中用於所述測試材料(9)的通孔，該通孔能經受所述交變電場。
11.根據權利要求9所述的設備，其中所述測量電路(I)被配置成至少具有兩個電橋臂(11至14)的電容測量電橋，其中一個電橋臂(11)包括所述測量電容器(21)，其中另一個電橋臂(13)包括參考電容器(22)，且所述電橋臂中的至少一個(12，14)包括所述至少一個部件(31，32)。
12.根據權利要求1或9所述的方法，應用於使用所述測量電路(I)進行模擬測量、測試所述測量電路(I)、或測試與所述測量電路(I)串聯的部件。
【文檔編號】G01N27/22GK104280429SQ201410460579
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2009年10月12日 優先權日:2008年10月16日
【發明者】瑞託·格裡克, P·奧特, R·喬斯 申請人:烏斯特技術股份公司