CN111811385A - 一种基于双调制法的双轴电容位移检测装置和方法 - Google Patents

一种基于双调制法的双轴电容位移检测装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于位移测量领域，公开了一种基于双调制法的双轴电容位移检测装置和方法。包括定极板；动极板；第一驱动电压模块，产生用于调制水平位移变化的正负驱动载波，加载于定极板上；第二驱动电压模块，产生用于调制间距变化方向的单路驱动载波，加载于定极板上，以频分复用方式与第一驱动电压模块一起工作；电荷放大器，与动极板相连，用于将水平位移及间距变化引起的差分电容信号转化为电压；第一同步解调模块和第二同步解调模块，用于对电压信号进行解调，分别得到含有水平位移变化和间距变化的直流信号。本发明同时实现了水平和竖直方向电容位移检测，相对于单轴电容位移检测，可检测非敏感轴方向的电容变化量，提高电容位移检测精度。

Description

一种基于双调制法的双轴电容位移检测装置和方法
技术领域
本发明属于位移测量领域，更具体地，涉及一种基于双调制法的双轴电容位移检测装置和方法。
背景技术
电容位移检测是位移测量的一种常用方式，通过检测两物体间电容变化量就能够得到其相对位置的变化量，相较于传统的卡尺测量方式具有无接触、精度高等优点。由于检测的是电容的变化量，因此根据电容公式
Figure BDA0002555148990000011
可以看出引起电容C改变的量有两测量物体之间介质的介电常数ε、两测量物体之间的正对面积A和两测量物体之间的间距d。一般而言，检测器件放置在固定环境中，因此介电常数ε为一定值，不作为待测量。所以可以通过检测由于两物体相对面积A的变化和相对间距d的变化所引起的电容变化来反映两物体间的位置关系，分别为变面积式电容位移检测和变间距式电容位移检测。
对于变面积式电容位移检测方式，主要检测由于两电容极板正对面积的变化带来的差分电容的大小来对位移进行检测，电容极板可以做得很小从而增加数量，这样排布的电容极板越多差分电容的信号就越大，利于信号的检测，因此主要用于微机械结构中；对于变间距式电容位移检测方式，主要检测由于电容极板间距变化造成的电容变化，间距不能过大，不然会引入非线性的影响，造成测量误差，因此需要高精度的装配。
变面积式电容位移检测主要检测动定极板间正对面积变化造成的电容变化量。如图1所示，当检测方向上的位移或加速度使动极板与定极板发生相对位移Δx，就会引起电容动定极板正对面积发生变化。在此过程中由面积变化产生的两电容的表达式可以表示为
Figure BDA0002555148990000021
与
Figure BDA0002555148990000022
此时差分电容的大小可以表示为：
Figure BDA0002555148990000023
其中ε为极板间介质的介电常数，a为动极板和定极板的宽度，b为两定极板之间的间距。经过电荷放大器后的电压输出表达式为：
Figure BDA0002555148990000024
与参考信号VP1sin(ω1t)进行同步解调后所得的电压信号为：
Figure BDA0002555148990000025
变间距式电容位移检测主要检测动定极板间距变化引起的电容变化量。如图2所示，当动极板相对于定极板间距发生变化Δd时，就会引起动定极板间电容发生改变，此时电容变化表达式为：
Figure BDA0002555148990000026
当Δd＜＜d时，
Figure BDA0002555148990000027
其中ε为极板间介质的介电常数，l为动定极板正对面积部分的长，w为动定极板正对面积部分的宽，d为动定极板的间距。通过电荷放大器转换后的电压表达式为：
Figure BDA0002555148990000031
与参考信号VP2 sin(ω2t)进行同步解调后所得的电压信号为：
Figure BDA0002555148990000032
由电压输出公式Vo1和Vo2可以看出，水平方向的位移变化量Δx和竖直方向的间距变化量Δd都转化成为电压变化量，但是这两种检测方式都只能检测其中一个变量，即单一方向的变量。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于双调制法的双轴电容位移检测装置和方法，旨在解决现有电容位移检测装置仅能得到单一方向变量信息的问题。
为实现上述目的，本发明一方面提供了一种基于双调制法的双轴电容位移检测装置，包括：定极板、动极板、第一驱动电压模块、第二驱动电压模块、电荷放大器、第一同步解调模块和第二同步解调模块；
所述第一驱动电压模块产生用于调制水平方向位移变化的正负驱动载波，加载于所述定极板上；
所述第二驱动电压模块产生用于调制间距变化方向的单路驱动载波，也加载于所述定极板上，以频分复用的方式与所述第一驱动电压模块一起工作；
所述电荷放大器与所述动极板相连，用于将水平方向位移及间距变化引起的差分电容信号转化为电压信号；
所述第一同步解调模块和所述第二同步解调模块用于对转化得到的所述电压信号进行同步解调，分别得到含有水平方向位移变化量和间距变化量的直流信号。
进一步地，所述动极板与所述定极板呈正对状排布，组成差分电容。
进一步地，所述定极板包括正定极板和负定极板；所述正定极板和负定极板以平行且交错的等间距阵列形式排布。
进一步地，所述第一驱动电压模块产生的所述正负驱动载波±Vp1sin(ω1t)中，正相载波+Vp1sin(ω1t)加载于所述正定极板上，负相载波-Vp1sin(ω1t)加载于所述负定极板上，其中Vp1为所述正负驱动载波的幅值，ω1为所述正负驱动载波的频率。
进一步地，所述第一同步解调模块以Vp1sin(ω1t)为参考信号对所得的电压信号进行同步解调，从而得到含有水平方向位移变化量的直流信号。
进一步地，所述第二同步解调模块以所述单路驱动载波为参考信号对所得的电压信号进行同步解调，从而得到含有间距变化量的直流信号。
进一步地，所述第一同步解调模块和所述第二同步解调模块均包括依次连接的带通滤波器、乘法器和低通滤波器。
进一步地，所述电荷放大器包括运算放大器、反馈电容和反馈电阻。
本发明另一方面还提供了一种基于双调制法的双轴电容位移检测方法，包括以下步骤：
在电容的定极板上加载用于调制水平方向位移变化的正负驱动载波；
将用于调制间距变化方向的单路驱动载波，也加载于所述定极板上，以频分复用的方式与所述正负驱动载波一起工作；
将水平方向位移及间距变化引起的差分电容信号转化为电压信号；
对转化得到的所述电压信号进行同步解调，分别得到含有水平方向位移变化量和间距变化量的直流信号。
进一步地，所述正负驱动载波的形式为±Vp1sin(ω1t)，其中Vp1为所述正负驱动载波的幅值，ω1为所述正负驱动载波的频率；
进行所述同步解调时，以Vp1sin(ω1t)为参考信号对所得的电压信号进行同步解调，得到含有水平方向位移变化量的直流信号；以所述单路驱动载波为参考信号对所得的电压信号进行同步解调，得到含有间距变化量的直流信号。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，结合变面积式电容位移检测和变间距式电容位移检测方式，在原有正负定极板上加正负驱动载波±Vp1sin(ω1t)的基础上再加一路载波Vp2sin(ω2t)，这样结构中就存在两种调制，其中的正负驱动载波用于调制动极板相对于定极板水平方向位移的电容变化量，而加入的单路载波通过频分复用的方式调制动极板相对于定极板竖直方向间距的电容变化量，因此这种方式同时实现了水平方向和竖直方向电容位移检测的目的。相对于单轴的电容位移检测方式而言，可以通过此种方式检测非敏感轴方向引起的电容变化量，从而提高电容位移检测精度。
附图说明
图1是变面积式电容位移检测示意图；
图2是变间距式电容位移检测示意图；
图3是本发明基于双调制法的双轴电容位移检测示意图；
附图标记：101为正定极板，102为负定极板，1为定极板，2为动极板，3为第一驱动电压模块，4为电荷放大器，5为第二驱动电压模块，6为第一同步解调模块，601为第一带通滤波器，602为第一乘法器，603为第一低通滤波器，7为第二同步解调模块，701为第二带通滤波器，702为第二乘法器，703为第二低通滤波器。
具体实施方式
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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
需要说明的是，本发明中所称“水平方向”“竖直方向”是相对于电容极板而言，水平方向是指平行于电容动定极板的方向，竖直方向是指与动定极板平面垂直的方向。
针对现有技术的缺陷，本发明将两种方式结合起来，通过在定极板上多加一路调制的方式将间距的变化也检测出来，这样就可以得到动极板相对于定极板水平方向和竖直方向的两种变化信息，达到双轴电容位移检测的目的。
本发明实施例公开了一种基于双调制法的双轴电容位移检测装置，如图3所示，包括定极板1、正定极板101、负定极板102、动极板2、第一驱动电压模块3、第二驱动电压模块5、电荷放大器4、第一同步解调模块6、第二同步解调模块7。图中x轴为水平检测方向，y轴表示水平摆轴方向，Z轴表示垂直水平面方向。
正定极板101和负定极板102以平行且交错的形式固定在外框架上，与外框架固联。
动极板2可以在水平和竖直方向运动，且与定极板1呈正对状排布，与正定极板101、负定极板102组成差分电容；当定极板与动极板发生水平方向的相对位移或者竖直方向间距的变化时，就会产生差分电容信号。动极板2将调制后的电容信号接入电荷放大器4。
第一驱动电压模块3产生用于调制动极板相对于定极板水平方向位移变化量的正负驱动载波+Vp1sin(ω1t)，分别加载在所述正定极板101和负定极板102上，其中Vp1为所述正负驱动载波的幅值，ω1为所述正负驱动载波的频率。
第二驱动电压模块5产生用于调制动极板相对于定极板竖直方向间距变化量的单路驱动载波Vp2sin(ω2t)，同样加载在所述正定极板101和负定极板102上，其中Vp2为所述单路驱动载波的幅值，ω2为所述单路驱动载波的频率。
电荷放大器4与动极板2相连，将经过调制的电容变化信号转化成电压信号，便于后续的解调和处理。
第一同步解调模块6以VP1sin(ω1t)为参考信号，对经过电荷放大器后的电压信号进行解调，得到含有动极板相对于定极板水平方向位移变化量的直流量。
第二同步解调模块7以VP2sin(ω2t)为参考信号，对经过电荷放大器后的电压信号进行解调，得到含有动极板相对于定极板竖直方向间距变化量的直流量。
优选地，第一同步解调模块6包括依次连接的第一带通滤波器601、第一乘法器602和第一低通滤波器603，第二同步解调模块7包括依次连接的第二带通滤波器701、第二乘法器702和第二低通滤波器703。
优选地，电荷放大器4包括运算放大器、反馈电容Cf和反馈电阻Rf。
优选地，定极板1、动极板2通过溅射沉积或者机械加工而成；可做成单个或多个成阵列式排布来使差分电容信号得到放大。
更进一步地，动极板2可以通过弹簧、滑动杆等形式与外框架进行连接，当动极板相对于正负定极板发生水平方向的位移变化及竖直方向的间距变化时，都会引起动定极板间电容的变化，分别对此电容变化量进行检测，就可以得到水平方向位移的变化量和竖直方向间距的变化量。
在本发明实施例中，正定极板101、负定极板102上加载了两类载波±Vp1sin(ω1t)和Vp2sin(ω2t)，分别用于调制动极板与定极板之间水平方向的位移变化引起的电容变化和竖直方向的间距变化所引起的电容变化，电荷放大器将差分电容信号转化为电压信号，通过对电压信号分别以Vp1sin(ω1t)和Vp2sin(ω2t)为参考信号进行解调并进行相关处理可以得到动定极板间水平方向位移变化量和竖直方向间距变化量，达到双轴电容位移检测的目的。
在描述了上述检测装置的基础上，本发明实施例还提供了一种基于双调制法的双轴电容位移检测方法，包括以下步骤：
在电容的定极板上加载用于调制水平方向位移变化的正负驱动载波；
将用于调制间距变化方向的单路驱动载波，也加载于所述定极板上，以频分复用的方式与所述正负驱动载波一起工作；
将水平方向位移及间距变化引起的差分电容信号转化为电压信号；
对转化得到的所述电压信号进行同步解调，分别得到含有水平方向位移变化量和间距变化量的直流信号。
进一步地，所述正负驱动载波的形式为±Vp1sin(ω1t)，其中Vp1为所述正负驱动载波的幅值，ω1为所述正负驱动载波的频率；
进行所述同步解调时，以Vp1sin(ω1t)为参考信号对所得的电压信号进行同步解调，得到含有水平方向位移变化量的直流信号；以所述单路驱动载波为参考信号对所得的电压信号进行同步解调，得到含有间距变化量的直流信号。
下面简要介绍本发明的基本原理。已有的变面积式电容位移检测和变间距式电容位移检测只能得到单一的信息，本发明将两种检测方式进行结合，在正负定极板上多增加了一路单路载波调制，通过频分复用的方式来检测竖直方向间距的变化信息，这时经过电荷放大器后的电压输出表达式变为
Figure BDA0002555148990000091
经过电荷放大器转化后的电压信号通过第一同步解调模块后得到的电压输出表达式为
Figure BDA0002555148990000092
经过电荷放大器转化后的电压信号通过第二同步解调模块后得到的电压输出表达式为
Figure BDA0002555148990000093
通过V2就可以直接得出动极板相对于定极板竖直方向的间距变化量Δd。在将电压V1与V2相除后就可以得出动极板相对于定极板水平方向的位移变化量
Figure BDA0002555148990000094
总体而言，本发明所构思的以上技术方案结合两种位移检测方式，在加载正负载波的定极板上增加一路调制，对两路信号进行后续的解调及数据处理后就能得到动极板相对于定极板水平方向位移变化量及竖直方向的间距变化量。相较于原有的两种位移检测方式，此种方式实现了双轴电容位移检测的目的，并且对于单轴的电容位移检测而言，此种方式能够得出非敏感轴方向带来的影响，从而提高检测精度。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于双调制法的双轴电容位移检测装置，其特征在于，包括：定极板、动极板、第一驱动电压模块、第二驱动电压模块、电荷放大器、第一同步解调模块和第二同步解调模块；
所述第一驱动电压模块产生用于调制水平方向位移变化的正负驱动载波，加载于所述定极板上；
所述第二驱动电压模块产生用于调制间距变化方向的单路驱动载波，也加载于所述定极板上，以频分复用的方式与所述第一驱动电压模块一起工作；
所述电荷放大器与所述动极板相连，用于将水平方向位移及间距变化引起的差分电容信号转化为电压信号；
所述第一同步解调模块和所述第二同步解调模块用于对转化得到的所述电压信号进行同步解调，分别得到含有水平方向位移变化量和间距变化量的直流信号。
2.如权利要求1所述的双轴电容位移检测装置，其特征在于，所述动极板与所述定极板呈正对状排布，组成差分电容。
3.如权利要求1所述的双轴电容位移检测装置，其特征在于，所述定极板包括正定极板和负定极板；所述正定极板和负定极板以平行且交错的等间距阵列形式排布。
4.如权利要求3所述的双轴电容位移检测装置，其特征在于，所述第一驱动电压模块产生的所述正负驱动载波±Vp1sin(ω1t)中，正相载波+Vp1sin(ω1t)加载于所述正定极板上，负相载波-Vp1sin(ω1t)加载于所述负定极板上，其中Vp1为所述正负驱动载波的幅值，ω1为所述正负驱动载波的频率。
5.如权利要求4所述的双轴电容位移检测装置，其特征在于，所述第一同步解调模块以Vp1sin(ω1t)为参考信号对所得的电压信号进行同步解调，从而得到含有水平方向位移变化量的直流信号。
6.如权利要求1所述的双轴电容位移检测装置，其特征在于，所述第二同步解调模块以所述单路驱动载波为参考信号对所得的电压信号进行同步解调，从而得到含有间距变化量的直流信号。
7.如权利要求1-6任一项所述的双轴电容位移检测装置，其特征在于，所述第一同步解调模块和所述第二同步解调模块均包括依次连接的带通滤波器、乘法器和低通滤波器。
8.如权利要求1-6任一项所述的双轴电容位移检测装置，其特征在于，所述电荷放大器包括运算放大器、反馈电容和反馈电阻。
9.一种基于双调制法的双轴电容位移检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
在电容的定极板上加载用于调制水平方向位移变化的正负驱动载波；
将用于调制间距变化方向的单路驱动载波，也加载于所述定极板上，以频分复用的方式与所述正负驱动载波一起工作；
将水平方向位移及间距变化引起的差分电容信号转化为电压信号；
对转化得到的所述电压信号进行同步解调，分别得到含有水平方向位移变化量和间距变化量的直流信号。
10.如权利要求9所述的双轴电容位移检测方法，其特征在于，所述正负驱动载波的形式为±Vp1sin(ω1t)，其中Vp1为所述正负驱动载波的幅值，ω1为所述正负驱动载波的频率；
进行所述同步解调时，以Vp1sin(ω1t)为参考信号对所得的电压信号进行同步解调，得到含有水平方向位移变化量的直流信号；以所述单路驱动载波为参考信号对所得的电压信号进行同步解调，得到含有间距变化量的直流信号。
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