CN108020153A - 金属微距测量传感器、测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供金属微距测量传感器以及测量方法,该传感器包括电容值检测端、信号放大和整形部分、测量和计算端,被测金属物体的两个极之间，存在一个极间电容。在传感器末端，我们把这个极间电容，接入振荡电路，然后产生某一频率的振荡信号,再把该信号接入放大和整形电路,经过放大和整形后的信号，接入FPGA电路，进行频率测量、曲线拟合、计算距离,最后再把计算出的距离值，通过SPI接口，输出给其它主控设备，比如金属加工设备、金属零配件装配设备等。采用以上思路实现的金属微距测量传感器，成本低廉，测量和计算时间较短，精度不受工作环境的影响，非常适用于金属加工、金属零配件装配等行业。

Description

金属微距测量传感器、测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及分析及测量控制技术领域，特别涉及一种高速高精度金属微距测量传感器。

背景技术

传统的微小距离测量方法，是使用电容法，电感法，微波测距法，激光测距法等。其中，电感法，微波测距法在激光切割应用中精度不够，激光测距法又容易受激光和加工点火花影响，不能可靠应用；电容法是把待测金属的两个面（或一个点与另一个面），看成是两个电极，在这两个电极之间存在一个电容，该电容值为C=εS/d。（其中ε为极板间介质的介电常数，S为极板面积，d为极板间的距离。）根据上面的公式可知，电容C1极板间距之间的距离越大，电容值越小，即电容C1极板间距之间的距离，与电容值的大小，存在对应关系，这样，可以把测量距离，转化成测量电容，但是首先解决的是如何测量两个电容C1极板间距之间等效电容的电容值。

发明内容

本专利申请提供了金属微距测量传感器，将采集到的电容变化数据进行曲线拟合处理，得到两个金属面之间的等效电容值与距离的函数关系，包括谐振电路、开关放大电路、运放电路，所述开关放大电路输入端与谐振电路连接、输出端接开关放大电路；谐振电路采用电感L1、电阻R2和被检测的电容C1构成的RLC谐振电路；开关放大电路中采用NPN沟道的三极管Q1，三极管Q1的集电极接RLC谐振电路中电感L1和电阻R2的连接公共端、基极接上拉电阻R1，被测电容C1的变化引起集电极电势的变化，控制三极管Q1的开关；运放电路采用反向运放电路，三极管Q1的集电极端经过电容C3后接运放电路的运放器U1的反向输入端，对检测信号进行放大。

优选的，谐振电路中，电容C1负极接地、正极接电感L1,电感L1的另一端接电阻R2,电阻R2的另一端引电源；电容C1的极板为金属极板。

优选的，开关放大电路中，三极管Q1的基极还接由电阻R5、电容C7并联构成的RC滤波电路，三极管Q1的发射极接下拉电阻R7，发射极与集电极之间接电容C6，电容C8并联在电阻R7两端也构成了RC滤波电路。

优选的，运放电路中，运放器的正向输入端IN+接电容C3、输出端与反向输入端IN-接电阻R6，电阻R6与反向输入端IN-公共端接下拉电阻R8，电阻R6与运放器U1公共端接电容C4，电容C4的另一端接电阻R3，R3的另一端接下拉电阻R4以及电容C5。

一种采用上述传感器的测量系统，包括上述的传感器，还包括FPGA和主控设备，FPGA输入端接传感器，对传感器测量的电容C1变化值进行计算，计算后输出给主控设备。

一种测量方法，在FPGA每个时钟周期内，传感器测量到M个信号值点，M个信号值点为pi(xi,yi)，其中i=1,2,…,m；在X个时钟周期数，用于计算电容基板间距L；采用最小二乘法度M个信号构成的曲线进行曲线拟合，选取M个信号的曲线y=f(x)的近似曲线y= φ(x)，近似曲线在点pi处的偏差δi= φ(xi)-y，i=1,2,...,m； S1. 设拟合多项式为：

S2.各点到这条曲线的距离之和，即偏差平方和如下：

S3. 为了求得符合条件的a值，对等式右边求ai偏导数，因而我们得到了：

S4. 将等式左边进行一下化简，然后应该可以得到下面的等式：

S5. 把这些等式表示成矩阵的形式，就可以得到下面的矩阵：

S6. 将这个范德蒙得矩阵化简后可得到:

S7. 也就是说X*A=Y，那么A = (X'*X)-1*X'*Y，便得到了系数矩阵A，同时，我们也就得到了拟合曲线。

本发明的有益效果：把两个金属之间的极间电容，接入振荡电路。振荡信号经过放大和整形后，接入FPGA。FPGA在捕捉到固定个数的外部脉冲过程中，会经历一定的FPGA系统时钟周期数，该系统时钟周期数的数值对应着外部脉冲的频率。通过学习和测量整个距离范围内的系统时钟周期数，来得到该距离范围内的系统时钟周期数的数值与距离的对应关系。该对应关系可以用曲线的形式来表示，对该曲线用函数拟合，得到该测距传感器的振荡信号频率值与距离的对应关系。实际工作时，只需根据振荡信号的频率值，即可计算出目标距离，然后把该距离值，通过SPI接口，输出给主控设备。该思路实现的金属微距测量传感器，成本低廉，测量和计算时间较短，精度不受工作环境的影响。

附图说明

图1为本专利申请本专利申请关于传感器电路的电路原理图；

图2为本专利申请关于本专利的原理框架图；

图3为本专利申请关于传感器测量的电容极板间距的实际测量值的曲线；

图4为经过FPGA对图3的实际测量曲线拟合后的拟合曲线。

具体实施方式

图1所示，本专利申请提供一种传感器电路，利用传感器电路进行电容震荡频率的测试，传感器检测电路由谐振电路、开关放大电路、运放电路，谐振电路采用RLC谐振电路，由被检测的电容C1、电感L1、电阻R2构成，电容C1负极接地、正极接电感L1,电感L1的另一端接电阻R2,电阻R2的另一端引电源；电容C1为可调节的，该电容C1在本专利中的作用是被检测元件，电容C1的电极板采用金属材质，电容C1的电极板距离、极板相对面积的变化以及板件介质的变化都会引起谐振电路的微弱变化。

开关放大电路由三极管Q1、电阻R1、R5、R7、电容C6、C7、C8，电阻R5、电容C7并联构成RC滤波电路，RC滤波电路一端接地、另一端接上拉电阻R1以及三极管Q1基极，三极管Q1采用NPN沟道，三极管Q1的集电极接电阻R2与电感L1的公共端、发射极接下拉电阻R7，三极管Q1发射极与集电极之间接电容C6，电容C8并联在电阻R7两端也构成了RC滤波电路。

电感L1、电容C6、电阻R2、以及三极管Q1集电极四者的公共端接电容C3，电容C3的另一端接运放电路。

运放电路采用反向运放电路，包括：运放器U1、电容C2、C4、C5、电阻R6、R8、R4、R3，运放器U1接电源，运放器的正向输入端IN+接电容C3、输出端与反向输入端IN-接电阻R6，电阻R6与反向输入端IN-公共端接下拉电阻R8，电阻R6与运放器U1公共端接电容C4，电容C4的另一端接电阻R3，R3的另一端接下拉电阻R4以及电容C5。

上述传感器检测电路对可调节电容C1的变化进行实时检测，即：采用上述硬件电路的传感器，其振荡信号的频率，即电容被测信号的频率，随着两个电容C1极板间距距离的变化，被测信号的频率，发生微弱的变化，若两个电容C1极板间距发生接触，则被测信号的频率，急剧变化并通过放大开关电路以及运放电路处理，处理后利用FPGA进行计算。

图2所示，本专利申请还提供一种频率测量系统，包括上述的传感器测量电路、FPGA和主控设备，进一步的说是包括：电容值检测端、信号放大和整形部分、测量和计算端,被测金属物体的两个极之间存在一个极间电容,在传感器末端，我们把这个极间电容，接入振荡电路，然后产生某一频率的振荡信号,再把该信号接入放大和整形电路,经过放大和整形后的信号，接入FPGA电路，进行频率测量、曲线拟合、计算距离,最后再把计算出的距离值，通过SPI接口，输出给其它主控设备，比如金属加工设备、金属零配件装配设备等。

常规的测频方法，即测量相邻两个被测信号的上升沿之间的间隔，以被测信号2MHz为例，其周期为500ns，如果我们用5ns的时间尺度来测量，其最大误差小于两个FPGA的系统周期，即小于10ns，误差率为10/500 = 2%，这么大的误差率，无法保证系统精度。

本专利申请还提供一种频率测量计算方法，振荡信号经过放大和整形后，接入FPGA,FPGA在捕捉到固定个数的外部脉冲过程中，会经历一定的FPGA系统时钟周期数，该系统时钟周期数的数值对应着外部脉冲的频率,我们通过学习和测量整个距离范围内的系统时钟周期数，来得到该距离范围内的系统时钟周期数的数值与距离的对应关系,该对应关系可以用曲线的形式来表示，该曲线是传感器的固有曲线，该曲线的形状，只与传感器本身的特性有关，不会因为工作环境的变化而变化,当温度、湿度等发生变化时，只需对该曲线作平移修正即可。

进一步地来讲，该测量方法是通过测量相邻两个被测信号上升沿（即1个周期）之间的间隔来实现的，如果被测信号有连续的N个周期，我们可以通过测量首尾两个信号的上升沿的间隔，来计算出单个被测信号的频率，那么这时的误差率 =2%/N，也就是精度提高了N倍。

FPGA时钟周期内采集传感器测量电路的脉冲信号，设：时钟周期内采集到M个信号值点，共有X个时钟周期数，用于计算电容基板间距L，其中每个信号点的坐标信息为（x，y）,电容值与距离的曲线采用最小二乘法多项式进行曲线拟合，根据给定的m个点,并不要求这条曲线精确地经过这些点，而是曲线y=f(x)的近似曲线y= φ(x)，给定数据点pi(xi,yi)，其中i=1,2,…,m,求近似曲线y= φ(x),并且使得近似曲线与y=f(x)的偏差最小，近似曲线在点pi处的偏差δi= φ(xi)-y，i=1,2,...,m。

常见的曲线拟合方法:

1.使偏差绝对值之和最小

2.使偏差绝对值最大的最小

3.使偏差平方和最小

按偏差平方和最小的原则选取拟合曲线，并且采取二项式方程为拟合曲线的方法,称为最小二乘法。

推导过程：

1. 设拟合多项式为：

2. 各点到这条曲线的距离之和，即偏差平方和如下：

3. 为了求得符合条件的a值，对等式右边求ai偏导数，因而我们得到了：

4. 将等式左边进行一下化简，然后应该可以得到下面的等式：

5. 把这些等式表示成矩阵的形式，就可以得到下面的矩阵：

6. 将这个范德蒙得矩阵化简后可得到:

7. 也就是说X*A=Y，那么A = (X'*X)-1*X'*Y，便得到了系数矩阵A，同时，我们也就得到了拟合曲线。

我们把学习到的曲线，用函数拟合，得到该测距传感器的振荡信号频率值与距离的对应关系,实际工作时，只需根据振荡信号的频率值，即可计算出目标距离，然后把该距离值，通过SPI接口，输出给主控设备。

采用以上思路实现的金属微距测量传感器，成本低廉，测量和计算时间较短，精度不受工作环境的影响，非常适用于金属加工、金属零配件装配等行业。

上述实施例仅例示性说明本专利申请的原理及其功效，而非用于限制本专利申请。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本专利申请的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本专利申请所揭示的精神与技术思想下所完成的一切灯效修饰或改变，仍应由本专利请的权利要求所涵盖。

Claims (6)

1.金属微距测量传感器，其特征在于：包括谐振电路、开关放大电路、运放电路，所述开关放大电路输入端与谐振电路连接、输出端接开关放大电路；谐振电路采用电感L1、电阻R2和被检测的电容C1构成的RLC谐振电路；开关放大电路中采用NPN沟道的三极管Q1，三极管Q1的集电极接RLC谐振电路中电感L1和电阻R2的连接公共端、基极接上拉电阻R1，被测电容C1的变化引起集电极电势的变化，控制三极管Q1的开关；运放电路采用反向运放电路，三极管Q1的集电极端经过电容C3后接运放电路的运放器U1的反向输入端，对检测信号进行放大。

2.根据权利要求1所述的金属微距测量传感器，其特征在于：谐振电路中，电容C1负极接地、正极接电感L1,电感L1的另一端接电阻R2,电阻R2的另一端引电源；电容C1的极板为金属极板。

3.根据权利要求1所述的金属微距测量传感器，其特征在于：开关放大电路中，三极管Q1的基极还接由电阻R5、电容C7并联构成的RC滤波电路，三极管Q1的发射极接下拉电阻R7，发射极与集电极之间接电容C6，电容C8并联在电阻R7两端也构成了RC滤波电路。

4.根据权利要求1所述的金属微距测量传感器，其特征在于：运放电路中，运放器的正向输入端IN+接电容C3、输出端与反向输入端IN-接电阻R6，电阻R6与反向输入端IN-公共端接下拉电阻R8，电阻R6与运放器U1公共端接电容C4，电容C4的另一端接电阻R3，R3的另一端接下拉电阻R4以及电容C5。

5.一种采用上述传感器的测量系统，其特征在于：包括上述的传感器，还包括FPGA和主控设备，FPGA输入端接传感器，对传感器测量的电容C1变化值进行计算，计算后输出给主控设备。

6.一种测量方法，其特征在于：在FPGA每个时钟周期内，传感器测量到M个信号值点，M个信号值点为pi(xi,yi)，其中i=1,2,…,m；在X个时钟周期数，用于计算电容基板间距L；采用最小二乘法度M个信号构成的曲线进行曲线拟合，选取M个信号的曲线y=f(x)的近似曲线y= φ(x)，近似曲线在点pi处的偏差δi= φ(xi)-y，i=1,2,...,m； S1. 设拟合多项式为：

S2.各点到这条曲线的距离之和，即偏差平方和如下：

S3. 为了求得符合条件的a值，对等式右边求ai偏导数，因而我们得到了：

.......

S4. 将等式左边进行一下化简，然后应该可以得到下面的等式：

.......

S5. 把这些等式表示成矩阵的形式，就可以得到下面的矩阵：

S6. 将这个范德蒙得矩阵化简后可得到:

S7. 也就是说X*A=Y，那么A = (X'*X)-1*X'*Y，便得到了系数矩阵A，同时，我们也就得到了拟合曲线。