電容傳感器的控制方法
2023-10-31 06:06:57
專利名稱：電容傳感器的控制方法
電容傳感器的控制方法
技術領域：
本發明是關於一種傳感器的控制方法，尤指一種數字增益電容傳感器的 控制方法。
技術背景
電容傳感器是常見的一種靈敏傳感器，其中差動電容傳感器是性能比較好 的 一種電容傳感器。在振鏡伺服電機中差動電容傳感器更是被普遍採用的， 一般是使兩個差動的極對獲得的數值相減從而獲得變化量。同時，把兩個差 動的極對獲得的數值的和作為一個常數來控制，從而抵抗溫度變化引起的飄 移。該傳統用法的控制框圖可見圖1，傳統的系統是電容傳感器l將兩個差動
的極對獲得的數值通過相加電路2求和得到一個電壓值，該電壓值與精密電 壓源4輸出的電壓值經過比較電路3直接相比較，進而輸出電壓值控制高頻 電源5供給給電容傳感器1的能量，使得電容傳感器1的和始終是一個固定 的常數，從而抵禦溫度等環境變化帶來的漂移。為了與外部控制接口匹配， 電容傳感器1的兩個差動極對獲得的數值通過相減電路6的相減運算後獲得 的電壓值，再經過增益調節電路7增益調節後輸出位置信號。 這樣的結構有幾個缺點
1. 增益調節電路使用電位器做增益調節將產生較大的漂移，因為電位器 要做精密低溫漂是非常困難和昂貴的，世界上僅有很少的廠家能做出 這樣的電位器。
2. 電位器需手工調節，費時費力，調節的精度不高，隨意性也比較大。
3. 低溫漂精密電位器的調節壽命很短，調節次數一多就會損壞。
發明內容
本發明所欲解決的技術問題是提供一種電容傳感器的控制方法，利用該 控制方法控制電容傳感器能在振鏡伺服電機等高要求的應用場合中，達到高
精度、低溫漂的調節目的。
本發明所釆用的技術方案是 一種用于振鏡電機系統中的電容傳感器的 控制方法，包:fe電容傳感器、與電容傳感器相連的相減電路和相加電路，以 及給電容傳感器提供能量的高頻電源，包括數字模擬轉換器、增益檔位調節 器，電容傳感器獲得的值經相加電路求和；求和後獲得的值與數字模擬轉換 器處理的值共同輸入比較電路；經比較電路比較，獲得的增益調節值提供給
輸出位置信號。
所述電容傳感器包括一對或多對差動電容極對。
電容傳感器包括公共的能量發射源面、位移檢測區域、與位移相關的中 間介質。中間介質為陶瓷。
微型處理器與計算機相連，計算機對微型處理器進行操作。
增益檔位調節器採用數字電位器，數字電位器與微型處理器相連，微型 處理器設定數字電位器的檔位選擇係數。
數字模擬轉換器分別與精密電壓源和微型處理器相連，微型處理器設定 的電壓值和精密電壓源提供的電壓共同輸入數字模擬轉換器進行處理。
本發明所達到的技術效果是本發明通過數字/模擬轉換器(DAC)代替 傳統的精密電壓參考源，同時用高穩定的數字增益檔位調節器代替增益調節 電路，非常方便地達到了高精度低溫漂的調節目的；由於採用數字調節的方 案使得調節可以通過計算機進行，減少了勞動強度和調節的人為隨意性。
下面參照附圖結合實施例對本發明作進一步的描述。 圖l是本發明差動電容傳感器現有技術的工作流程框圖。 圖2是本發明差動電容傳感器的工作流程框圖。
具體實施方式
本發明是一種創新的振鏡系統使用的位移、轉角差動電容傳感器的控制方 法。該控制方法的特點在於利用差動電容傳感器的傳感區域求和後使用數字/ 模擬轉換器(DAC)進行增益控制，在避免使用超高精度手工調節電位器的 情況下做到低溫漂增益控制的調節目的，並使控制獲得數字接口 。
如圖2所示，本發明的電容傳感器IO包括一對差動電容極對11，其中包 括公共的能量發射源面12、兩個電學上獨立的位移檢測區域13、 14、 一個與 位移相關的中間介質15。本發明的中間介質15為陶瓷。電容傳感器IO還可 採用多對差動電容才及對。
本發明與電容傳感器10相連有相減電路70、相加電路20、高頻電源50， 與相減電路70連接有數字增益檔位調節器80,與相加電路20連接有比較電 路30，與比較電路30進一步連接有數字模擬轉換器(DAC) 60，以及與數 字模擬轉換器(DAC) 60連接有精密電壓源40，高頻電源50與比較電路30 連接。相加電路20、比較電路30、數字模擬轉換器(DAC) 60和精密電壓 源40構成本發明的增益控制調節環，另有微型處理器90與數字增益檔位調 節器80、數字模擬轉換器(DAC) 60和計算機100分別相連。
電容傳感器10的檢測區域13、 14同時與一個相減電路70連接，差動的 極對11獲得的值經相減電路70運算後經數字增益檔位調節器80增益調節， 從而輸出位置信息或信號。微型處理器卯與數字增益檔位調節器80相連， 並可對其設置可變的設定檔位值。所述的數字增益檔位調節器80在本發明中 是使用數字電位器進行選擇的。本發明為了對位置輸出信號進行增益控制， 首先通過圖2中的數字增益檔位調節器80進行增益範圍的選擇，由於採用數 字電位器進行增益放大，而數字電位器晶片內的精密電阻在同 一個晶片內， 所以一致性很好(溫度相同)，溫度變化引起的比例變化就很小， 一般可以達 到5PPM也就是百萬分之五。
電容傳感器IO的位移檢測區域13、 14與一個相加電路20連接，經相加 電路20求和後用於增益控制調節環節；增益控制環包括相加電路20、比較電 路30、數字摸擬轉換器60、以及精密電壓源40，相加電路20對自差動電容 極對11獲得的值相加求和後給增益控制環提供一個反饋的值微型處理器90 和精密電壓源40分別與數字模擬轉換器(DAC) 60相連，微型處理器90可 以對數字模擬轉換器60給定一個可以改變的電壓信號，精密電壓源40提供 預定電壓值，二者電壓值經數字模擬轉換器(DAC) 60後給增益控制環提供 控制的目標值，經相加電路20輸出的反饋電壓值和經數字模擬轉換器(DAC ) 60輸出的目標值再進一步經比較電路30比較後輸出至高頻電源50，高頻電 源50用於給電容傳感器IO的公共能量發射源面12提供能量，高頻電源50 的頻率範圍為1MHZ-500MHZ。總之，增益控制環用於調節高頻電源50的能
量。上述的增益控制環的控制目標是通過上述數字模擬轉換器60給定的一個
可以改變的電壓信號，同時把差動電容傳感器10的和與數字模擬轉換器60 進行比較控制高頻電源50的輸出能量，對電容傳感器IO的增益進行微調。 由於數字模擬轉換器60的精度比較高，通常為十-l/2LSB，並且有內建的反饋 電阻，所以精度也很高。於是，通過這樣創新的控制結構就做到了避免使用 超高精度的傳統人工調節電位器，但卻得到了比傳統方法更好的效果。
本發明的微型處理器(MCU) 90與計算機IOO相連，通過計算機IOO利 用軟體對微型處理器卯進行控制和設定值。故本發明調節方法還能非常方便 地通過通訊接口與計算機接口，從而使調節不需要拆裝機器的外殼。又由於 所採用的器件都是無觸點的調節方案，所以比傳統的高精度電位器壽命大大 提高，傳統的高精度電位器一般的使用壽命為調節200次就要報廢，但本發 明新的調節方案卻可以調節上千萬次，大大提高了該電容傳感器的可靠性。
本發明技術方案可行性的理論驗證推理步驟如下
設精密電壓源40提供的值為Uref，通過計算機IOO及微型處理器90給 數字模擬轉換器60設定值為Vda，數字模擬轉換器60的滿值為VfUll, U為 電容傳感器IO的零點輸出值，AU為電容傳感器IO因位移移動引起的變化 量，k為微型處理器卯為數字增益檔位調節器80設置的可變的電子檔位選擇 係數，數字模擬轉換器60的輸出值為Uda，經數字增益檔位調節器80後的 位置輸出值為Upo,位置的最大輸出，S為電容傳感器IO變化的角位移，Smax 為最大轉角。
於是可得下述三個公式
Uda = Uref*Vda/Vfoll (1)
(U+ AU) + (U- AU) =Uda
2*U =Uda ( 2 )
Upo=[(U+UA)- (U-UA ) ]*k (k不連續) =2* AU*k
=2*k*U*S/Smax ( 3 )
將(1 )、 ( 2 )式代入式(3 )後即可得 Upo=k*Uda*S/Smax
氣k豐S承Uref^Vda) / (Vfiill*Smax) 從上面的推理不難看出，Vda的值與Upo成正比關係，也即說明利用數字
模擬轉換器來對電容傳感器的差動極對所獲得的和進行增益調節是可行的， 而且能獲得更理想的輸出結果。
權利要求
1.一種用于振鏡電機系統中的電容傳感器的控制方法，包括電容傳感器、與電容傳感器相連的相減電路和相加電路，以及給電容傳感器提供能量的高頻電源，其特徵在於包括數字模擬轉換器、增益檔位調節器，控制方法包括以下步驟，電容傳感器獲得的值經相加電路求和；求和後獲得的值與數字模擬轉換器處理的值共同輸入比較電路；經比較電路比較，獲得的增益調節值提供給高頻電源；相減電路對電容傳感器獲得的值相減後經增益檔位調節器調節後輸出位置信號。
2. 如權利要求l所述的電容傳感器的控制方法，其特徵在於所述電容 傳感器包括一對或多對差動電容極對。
3. 如權利要求l或2所述的電容傳感器的控制方法，其特徵在於電容 傳感器包括公共的能量發射源面、位移檢測區域、與位移相關的中間介質。
4. 如權利要求3所述的電容傳感器的控制方法，其特徵在於中間介質 為陶瓷。
5. 如權利要求l所述的電容傳感器的控制方法，其特徵在於微型處理 器與計算機相連，計算機對微型處理器進行操作。
6. 如權利要求l或5所述的電容傳感器的控制方法，其特徵在於增益 檔位調節器採用數字電位器，數字電位器與微型處理器相連，微型處理器設 定數字電位器的檔位選擇係數。
7. 如權利要求l或5所述的電容傳感器的控制方法，其特徵在於數字 模擬轉換器分別與精密電壓源和微型處理器相連，微型處理器設定的電壓值 和精密電壓源提供的電壓共同輸入數字模擬轉換器進行處理。
全文摘要
本發明公開一種用于振鏡電機系統中的電容傳感器的控制方法，包括電容傳感器、與電容傳感器相連的相減電路和相加電路，以及給電容傳感器提供能量的高頻電源，包括數字模擬轉換器、增益檔位調節器，電容傳感器獲得的值經相加電路求和；求和後獲得的值與數字模擬轉換器處理的值共同輸入比較電路；經比較電路比較，獲得的增益調節值提供給高頻電源；相減電路對電容傳感器獲得的值相減後經增益檔位調節器調節後輸出位置信號。該控制方法的特點在於利用電容傳感器的傳感區域求和後使用數字/模擬轉換器(DAC)進行增益控制，在避免使用超高精度手工調節電位器的情況下做到低溫漂增益控制的目的，並使控制獲得數字接口。
文檔編號G01B7/02GK101097448SQ20061003631
公開日2008年1月2日 申請日期2006年6月30日 優先權日2006年6月30日
發明者陳克勝, 高雲峰 申請人:深圳市大族雷射科技股份有限公司