專(zhuān)利名稱(chēng)：電容測(cè)量范圍的信號(hào)處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明介紹用于測(cè)量電信號(hào)的幅度關(guān)系的方法，所述電信號(hào)由它 們之間具有固定時(shí)間移置、但一個(gè)或數(shù)個(gè)分量信號(hào)具有不同振幅的數(shù) 個(gè)相同頻率的信號(hào)構(gòu)成。
背景技術(shù)：
本發(fā)明主要適用于由瑞典專(zhuān)利7714010-1中和該專(zhuān)利的應(yīng)用(瑞典 專(zhuān)利9202005-6， 8604337-9和0003110-4)中介紹的電容測(cè)量系統(tǒng)類(lèi)型 中的信號(hào)處理。
本發(fā)明意圖獲得比迄今為止使用過(guò)的信號(hào)處理單元給出更高精 度、更高分辨率、更快速地更新和更低噪聲電平的簡(jiǎn)單的信號(hào)處理單 元。
在瑞典專(zhuān)利7714010-1中介紹了希望本發(fā)明應(yīng)該應(yīng)用于其上的電 容測(cè)量裝置類(lèi)型。在瑞典專(zhuān)利9202005-6、 8604337-9和0003110-4中 介紹了基于瑞典專(zhuān)利7714010-1的多種應(yīng)用。
上述列出的專(zhuān)利介紹了一種基于提供至少三個(gè)電極的第一傳感器 部件來(lái)測(cè)量線(xiàn)性尺寸或角度的系統(tǒng)，三個(gè)電極被供給在時(shí)間上具有固 定相對(duì)移置的電子脈沖，其中來(lái)自位于第二傳感器部件上的傳感器電 極的輸出信號(hào)，此后被稱(chēng)為"合成信號(hào)"的時(shí)間移置取決于與上述測(cè)量 電極相連的電容的大小，而該時(shí)間移置用于檢測(cè)兩個(gè)傳感器部件的位 置，即，它們的相對(duì)位置。
瑞典專(zhuān)利7714010-1介紹了一種信號(hào)處理方法，其中通過(guò)二進(jìn)制計(jì) 數(shù)器的時(shí)間測(cè)量從檢測(cè)電極的載有信息的合成信號(hào)中提取位置的值， 二進(jìn)制計(jì)數(shù)器與測(cè)量信號(hào)同步起作用。這通過(guò)允許合成信號(hào)的零(圖 la中的最低信號(hào))對(duì)鎖定電路(locking circuit)進(jìn)行控制而獲得，鎖 定電路保持二進(jìn)制計(jì)數(shù)器為零時(shí)的條件。
不過(guò)，具有正弦波形形式(例如圖la中示出的那些)、具有足夠好正弦波形形式、以及所需的振幅精度和頻率穩(wěn)定度的信號(hào)難以產(chǎn)生， 而且更重要的是，產(chǎn)生它們很昂貴。
因此，在一種優(yōu)選設(shè)計(jì)中對(duì)輸入信號(hào)使用方波脈沖(圖lb中的R、 S和T)而不是正弦波。由具有不同時(shí)間移置和振幅的方波信號(hào)構(gòu)成合 成信號(hào)將作為其結(jié)果，而且它將采用如在圖lb中最下面示出的階梯外 觀(guān)。不過(guò)，當(dāng)檢測(cè)電極的位置改變時(shí)，在這種情況下合成信號(hào)的零不 隨著電容改變而類(lèi)似地改變它們通過(guò)四分之一機(jī)械周期階梯狀移置。 為了獲得更精確的位置值，必須使用先進(jìn)的帶通濾波器將方波脈沖的 全部諧波從合成信號(hào)中過(guò)濾除。濾波操作之后僅保留輸入頻率中正弦
形狀的基波，并因此形成如圖la中所示的正弦形狀的合成信號(hào)。隨后
執(zhí)行使用小心定義的標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)，以補(bǔ)償帶通濾波器性質(zhì)上的 缺點(diǎn)。
當(dāng)方波信號(hào)被用作如上所述電容測(cè)量系統(tǒng)的輸入時(shí)，是合成信號(hào) 的振幅合成構(gòu)成其位置信息。根據(jù)上述現(xiàn)有技術(shù)，必須將合成信號(hào)的 位置信息從振幅域轉(zhuǎn)換到時(shí)間域。這通過(guò)濾波的幫助從合成信號(hào)中去 掉所有諧波而發(fā)生。不過(guò)，存在與此相關(guān)的幾個(gè)缺點(diǎn)。
需要先進(jìn)和昂貴的帶通濾波器來(lái)濾除所有諧波。此外，難以制造 確實(shí)具有相同性質(zhì)的濾波器，并且出于這個(gè)原因?yàn)V波器通常不能相互 調(diào)換。這意味著如果有調(diào)換濾波器單元的必要就必須要再次校準(zhǔn)測(cè)量 系統(tǒng)。
使用波形的零的方法還對(duì)合成信號(hào)中的偏移敏感，這是因?yàn)橄鄬?duì) 于零級(jí)電勢(shì)的零的位置受到合成信號(hào)中出現(xiàn)的任何不對(duì)稱(chēng)的影響。
另外，利用波形的零的方法還對(duì)來(lái)自例如信號(hào)處理單元的電路的 串音敏感，串音可能給出經(jīng)過(guò)濾波的合成信號(hào)中的瞬時(shí)升高。如果這 些串音的時(shí)間位置靠近于合成信號(hào)的零電勢(shì)，就可能在零的分析中產(chǎn) 生誤差。
所介紹系統(tǒng)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于合成信號(hào)的頻率不是恒定的作為 多普勒效應(yīng)的結(jié)果，它隨著兩個(gè)傳感器部件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度而改 變。
出于這個(gè)原因，僅當(dāng)兩個(gè)電軸承(bearing)部件固定時(shí)，合成信 號(hào)和參考信號(hào)才具有相同的頻率。頻率中的變化意味著當(dāng)在運(yùn)動(dòng)期間進(jìn)行測(cè)量時(shí)，取決于運(yùn)動(dòng)的方 向和速度，合成信號(hào)的零的周期"t，皿"比參考頻率的周期更大或更小。 由于計(jì)數(shù)器頻率受到參考信號(hào)的頻率和周期"t"的恒定控制，所以讀出 要么太低要么太高的計(jì)數(shù)器值。
合成信號(hào)的頻率隨速度而變化的第二影響在于不能將帶通濾波器 設(shè)計(jì)成對(duì)于參考信號(hào)的基頻的限制如所需的那樣尖銳一由于頻率變化 導(dǎo)致必須接受一定的帶寬。這意味著濾波不能產(chǎn)生對(duì)于避免誤差的位 置檢測(cè)所需的合成信號(hào)的良好正弦波形。
需要參考信號(hào)基頻的一個(gè)完整的周期，以產(chǎn)生一個(gè)測(cè)量值，這是 因?yàn)橥ㄟ^(guò)參考信號(hào)的基頻確定更新的頻率(每秒鐘新測(cè)量的數(shù)量)。
通過(guò)為了執(zhí)行時(shí)間確定而使用的信號(hào)的頻率確定測(cè)量的分辨率。
如果需要增加測(cè)量精度(resoltkm)，就有必要減小參考信號(hào)的基頻或 增大要用于執(zhí)行時(shí)間測(cè)量的信號(hào)的頻率。
由帶通濾波器的相位和參考信號(hào)的基頻確定時(shí)間延遲的幅度。通 過(guò)取決于系統(tǒng)中噪聲狀況的濾波的度數(shù)(degree)確定帶通濾波器的相 位。為了減小時(shí)間延遲，可以減小濾波的度數(shù)或通過(guò)增大要用于執(zhí)行 時(shí)間測(cè)量的信號(hào)的頻率來(lái)增加測(cè)量精度，或兩者。
上述提出的論點(diǎn)已清楚地說(shuō)明難以在獲得高精度測(cè)量和高頻率更 新的同時(shí)獲得小的時(shí)間延遲。
現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)總結(jié)為
-需要先進(jìn)而昂貴的帶通濾波器來(lái)濾除合成信號(hào)中的諧波。 -難以制造相同的濾波器。 -系統(tǒng)對(duì)影響合成信號(hào)的零檢測(cè)的偏移敏感。 -系統(tǒng)對(duì)影響合成信號(hào)的零檢測(cè)的串音敏感。
-由于影響合成信號(hào)的零檢測(cè)的多普勒效應(yīng)，不可能如所需的那樣 濾波。
-難以在獲得高測(cè)量精度和高頻率更新的同時(shí)獲得小的時(shí)間延遲。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是獲得一種新方法，利用其可消除上述 現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)。本發(fā)明的一個(gè)特征是在合成信號(hào)的振幅域(圖4中的Vo)中，而 不是如上所述的其時(shí)域中進(jìn)行工作，這使得不必在振幅域和時(shí)域之間 轉(zhuǎn)換，并且以這種方式避免合成信號(hào)的位置信息的質(zhì)量變差。
由于在這種情況下時(shí)間計(jì)數(shù)器必須對(duì)每個(gè)新測(cè)量值執(zhí)行完全循環(huán) 的事實(shí)，所以傳統(tǒng)系統(tǒng)的更新速率的限制也得以避免。還可以將根據(jù)
本發(fā)明的信號(hào)處理單元設(shè)計(jì)成在實(shí)際A/D轉(zhuǎn)換時(shí)使A/D轉(zhuǎn)換器與電容 傳感器單元和與信號(hào)處理的其它電路電絕緣。這保證了低噪聲電平和 對(duì)于外部電子干擾相當(dāng)不敏感。
本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于電子構(gòu)造明顯更簡(jiǎn)單更廉價(jià)。因此，不 需要帶通濾波器。還可以省略二進(jìn)制計(jì)數(shù)器和鎖定電路以及與它們有 關(guān)的存儲(chǔ)器電路。它們被相對(duì)便宜的信號(hào)處理器代替。省略帶通濾波 器的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)在于不可能象已經(jīng)敘述的那樣制造具有完全相同性 質(zhì)的這種濾波器。因此，不可能在服務(wù)期間調(diào)換這些濾波器，而這曾 經(jīng)意味著改變?yōu)V波器時(shí)必須重新調(diào)節(jié)測(cè)量系統(tǒng)。對(duì)比之下，根據(jù)本發(fā) 明設(shè)計(jì)的所有單元獲得相同的性質(zhì)并全部可調(diào)換。
總之，這意味著本發(fā)明提供更快速、更精確和更廉價(jià)的信號(hào)處理 系統(tǒng)，具有信號(hào)處理電路的完全可調(diào)換性。
現(xiàn)將本發(fā)明介紹為一種適用于電極系統(tǒng)的非限制性?xún)?yōu)選設(shè)計(jì)，在 電極系統(tǒng)中施加到發(fā)送器(transmitter)電極的輸入信號(hào)由四個(gè)對(duì)稱(chēng)方 波信號(hào)構(gòu)成，通過(guò)四分之一周期的時(shí)間移置這四個(gè)對(duì)稱(chēng)方波信號(hào)可相 互移置，而脈沖長(zhǎng)度、脈沖之間的間隔和振幅是相等的，并且以發(fā)送 器(transmitter)電極和接收器電極之間的電容根據(jù)位置(x)的正弦波 函數(shù)而變化的方式設(shè)計(jì)電極。


現(xiàn)將借助于附圖更詳細(xì)地介紹本發(fā)明，其中
圖la和lb示出主要基于上述瑞典專(zhuān)利7714010-1的現(xiàn)有測(cè)量系統(tǒng) 的圖。
圖2a示出可以應(yīng)用本發(fā)明于其屮的電極安排的例子。 圖2b示出傳感器中機(jī)械運(yùn)動(dòng)和龜容之間的關(guān)系。 圖3示出時(shí)間上移置的用R、 S、 T和U表示的四個(gè)測(cè)量信號(hào)的例子，其中S相對(duì)于R在時(shí)間上移置四分之一個(gè)周期，T相對(duì)于R在時(shí) 間上移置二分之一個(gè)周期，而U相對(duì)于R在時(shí)間上移置四分之三個(gè)周 期。執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的振幅測(cè)量處的時(shí)刻T,、 T2、 丁3和丁4也在圖中原 理性地示出。
圖4示出電容測(cè)量系統(tǒng)的電參數(shù)的示意圖。
圖5示出包含關(guān)于電極系統(tǒng)相對(duì)位置的信息的、具有振幅上的不 同的典型合成信號(hào)。
圖6示意性示出使用本發(fā)明的信號(hào)處理單元的功能。 圖7示出怎樣由覆蓋四分之一個(gè)L的長(zhǎng)度的多個(gè)數(shù)值分離的階梯 (step)建立機(jī)械周期的長(zhǎng)度L。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明意圖由已知類(lèi)型的電容傳感器的輸出信號(hào)獲得數(shù)字位置信息。
簡(jiǎn)單地說(shuō)，這種傳感器行使如下的功能
當(dāng)圖2a中的電極21向右移動(dòng)時(shí)，它將與電極R的上升度數(shù)重疊， 其中重疊面積(area)的大小是電極21的位置(x)的函數(shù)，電極R 在圖2b中用連續(xù)的線(xiàn)R示出。因此，電極21和在這種情況下是R的 相互作用的電極之間的電容與重疊的面積直接成比例。
在此之后電極21將按順序與電極S、 T和U相繼重疊，其中重疊 面積的尺寸是圖2b中的函數(shù)S、 T和U。
由于傳感器包括發(fā)送器電極R、 S、 T和U的數(shù)個(gè)周期，如圖中用 虛線(xiàn)表示的那樣，所以表面相互作用線(xiàn)沿著全部希望的測(cè)量區(qū)域形成 連續(xù)的函數(shù)，如圖2b中所示。
將交替的輸入電壓施加到每個(gè)發(fā)送器電極R、 S、 T和U，對(duì)于每 個(gè)發(fā)送器電極而言其交替電壓具有相位(時(shí)間移置)。
位置(x)處的縱線(xiàn)與曲線(xiàn)R、 S、 T和U的交叉點(diǎn)(圖2b)示出 由電極21獲得的相應(yīng)輸入信號(hào)的預(yù)期振幅貢獻(xiàn)。
我們現(xiàn)在更詳細(xì)地示出合成信號(hào)的外觀(guān)與接收器電極21 (圖2a) 和發(fā)送器電極R、 S、 T、 U之間相對(duì)位置之間的理論關(guān)系。
此后信號(hào)R、 S、 T、 U將被表示為v^ v2、 V3和V4，以有助于陳述，相應(yīng)于電極(R、 S、 T禾卩U)與接收器電極21的交叉點(diǎn)的電容函
數(shù)表示為C!(X)、 C2(X)、 C3(X)和C4(X)。
圖4原理性地并以簡(jiǎn)化方式示出用于電容傳感器的電路圖，如由 瑞典專(zhuān)利7714010-1詳細(xì)說(shuō)明的那樣，表示當(dāng)前己知的技術(shù)。
在圖中將電容傳感器中的電極表示為電容器(condenser)。每個(gè)電 容器的電容C"x)、 C2(x)、 C"x)和C"x)是可變的，并因此它作為位置 (x)的函數(shù)而變化，如圖2b中所示出的那樣。這可以表達(dá)為
<formula>formula see original document page 9</formula>
這里L(fēng)是相應(yīng)于電容函數(shù)(見(jiàn)圖2b)的一個(gè)周期的機(jī)械長(zhǎng)度。
激勵(lì)電容的輸入信號(hào)Vl、 V2、 V3和V4可以是例如頻率為fQ、振幅
為"并且相對(duì)于彼此具有90度相位移置的周期性方波(圖3)。圖3 還示出合成信號(hào)v。(x,t)，正如它可以在圖2b中在某些隨機(jī)選擇的值(x) 處所呈現(xiàn)的那樣。
可以將輸入電壓寫(xiě)為<formula>formula see original document page 9</formula>
利用電容器Cl將合成信號(hào)v。(x,t)加載到地。來(lái)自傳感器的輸出信 號(hào)是傳感器的機(jī)械位置(x)和時(shí)間"t"的函數(shù)，而該信號(hào)在圖5中更詳 細(xì)地示出。正如該圖清楚說(shuō)明的那樣，為每個(gè)單獨(dú)的發(fā)射器電極識(shí)別 振幅分量是容易的。
來(lái)自傳感器的輸出信號(hào)可以數(shù)學(xué)地寫(xiě)為<formula>formula see original document page 9</formula>
正如圖5中清楚表現(xiàn)的那樣，來(lái)自傳感器的輸出信號(hào)包括四個(gè)不
同的DC電平V。,、 V。2、 V。3和V。4。這四個(gè)DC電平的幅度是傳感器中 機(jī)械位置(X)(圖2b)的函數(shù)，并可以寫(xiě)為<formula>formula see original document page 9</formula><formula>formula see original document page 10</formula>
我們可以在四個(gè)DC電平的表達(dá)式中看出V()1/V()3和V。2/V。4對(duì)分別構(gòu)
成傳感器中機(jī)械位置(x)的cosine函數(shù)和sine函數(shù)。這種關(guān)系被用在 本發(fā)明的優(yōu)選設(shè)計(jì)中。
上述介紹和圖3清楚地說(shuō)明信號(hào)的總和產(chǎn)生具有四個(gè)電平的合成
信號(hào)(圖5)，其兩個(gè)電平V。3和V(h是電平V(u和v。2 (相對(duì)于合成信號(hào)
的平均值)的翻轉(zhuǎn)。
本發(fā)明基于來(lái)自傳感器的輸出信號(hào)(Vq)中四個(gè)振幅電平(Vl、 v2、
V3和V4)的測(cè)量，正如我們已經(jīng)在上面示出的那樣，其電平是彼此相 對(duì)移動(dòng)的兩個(gè)電極系統(tǒng)的相對(duì)位置(x)的函數(shù)。
在輸入信號(hào)的周期"t-l/fo"中均勻分布的四個(gè)不同的固定時(shí)刻Tj、 T2、 T3和T4處執(zhí)行測(cè)量(圖3)。
正如我們已經(jīng)在前面示出的那樣，V。,/V()3和V。2/V。4對(duì)分別構(gòu)成傳感
器中機(jī)械位置(x)的cosine函數(shù)和sine函數(shù)。
每對(duì)V(M/V。3和V。2/V。4的兩個(gè)分量幅度是彼此相對(duì)于合成信號(hào)的平
均值的鏡像圖象，該平均值通常與零電勢(shì)一致。
通過(guò)數(shù)字化vQ1和V。3之間、以及VQ2和v。4之間的差別，可以不依
賴(lài)于傳感器的輸出信號(hào)中存在的任何零偏移而得到結(jié)果。 數(shù)字化的值用于傳感器的機(jī)械位置的數(shù)字計(jì)算。
圖6示出電子系統(tǒng)的原理圖。
來(lái)自傳感器的輸出信號(hào)vo在運(yùn)算放大器"InAmp"中被放大并借助 于同步濾波器在時(shí)刻^、 T2、 T3和T4被濾波，至存儲(chǔ)電容器Qo Cs、 Ct和Qj，在這里值以電勢(shì)的形式被存儲(chǔ)。
同步濾波器包含電阻(R)、模擬1至4多路轉(zhuǎn)換器(圖6中的1: 4)及其控制電路、和電容器CR、 Cs、 Ct和Qj。
同步濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行控制，以使DC電平Vw (在時(shí)刻Ti附近)
被濾波并(被采樣)存儲(chǔ)在電容器CR中、電平VQ2 (在時(shí)刻T2附近) 被濾波并(被采樣)存儲(chǔ)在電容器Cs中、電平V(B (在時(shí)刻T3附近) 被濾波并(被采樣)存儲(chǔ)在電容器CT中、電平V。4 (在時(shí)刻T4附近)
被濾波并(被采樣)存儲(chǔ)在電容器Cu中。在DC電平在存儲(chǔ)電容器中(在時(shí)刻Ti、 T2、 T3和T4附近)的每 次濾波和(采樣)存儲(chǔ)操作之后，v(),禾Q v。3之間的差異(在第一 A/D 轉(zhuǎn)換器，ADC1中、在時(shí)刻T,和T3附近)被數(shù)字化，同樣v。2和V(h 之間的差異(在第二A/D轉(zhuǎn)換器，ADC2中、在時(shí)刻T2和T4附近)也 被數(shù)字化。<formula>formula see original document page 11</formula>
另外，以A/D轉(zhuǎn)換期間存儲(chǔ)電容器以及ADC1和ADC2與輸入級(jí) 電絕緣的方式對(duì)濾波、(采樣)存儲(chǔ)和A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行控制，這是因?yàn)槟?擬1至4多路轉(zhuǎn)換器(圖6中的1: 4)在A/D轉(zhuǎn)換期間不被連接。
以這種方式可獲得對(duì)干擾的高度不敏感和數(shù)字化測(cè)量值中的低噪 聲電平。
然后可以借助X和Y值計(jì)算傳感器的機(jī)械位置(x)。這可以根據(jù) X的絕對(duì)值是否大于或小于Y的絕對(duì)值，通過(guò)例如對(duì)X/Y或?qū)/X應(yīng) 用arctan函數(shù)來(lái)執(zhí)行。
被計(jì)算的位置可以表達(dá)為
〖丫
- tan
義
〖—
;r + 4a tan
8tt人
每次一個(gè)新的測(cè)量值 、v(u、 v02、 v03 和vQ4)存儲(chǔ)在Cr、 Cs、 Ct和 Cu中時(shí)執(zhí)行位置的新計(jì)算。對(duì)輸入信號(hào)頻率的每個(gè)周期"t-l/f。"的位置 的四個(gè)計(jì)算以這種方式(圖3)獲得，這意味著測(cè)量系統(tǒng)的更新頻率四 倍于在前系統(tǒng)的頻率。
以這種方式計(jì)算的(x)值覆蓋了覆蓋四分之一機(jī)械周期L的面積。 因此，用一個(gè)機(jī)械周期L獲得四次這種位置值，幅度從0到L/4(圖7)。
根據(jù)X的絕對(duì)幅度是否大于或小于Y的絕對(duì)幅度，通過(guò)檢查X或 Y是否為正或負(fù)，可以確定已經(jīng)進(jìn)行的是周期L的哪個(gè)象限的測(cè)量(圖 7中的函數(shù)P)。根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)將以這種方式在一個(gè)完整機(jī)械周期L 內(nèi)測(cè)量絕對(duì)值。
ii<formula>formula see original document page 12</formula>
一旦已經(jīng)確定(P)的值，就可以根據(jù)下列表達(dá)式獲得機(jī)械周期L
中的絕對(duì)位置
x = xc + i^， 尸=
在圖6中示出由于明顯原因借助于兩個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器ADC1和ADC2 的A/D轉(zhuǎn)換。
實(shí)際上，只使用iA/D轉(zhuǎn)換器是有利的，不僅在于獲得有利的 成本而且避免了由兩個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器"ADC1"和"ADC2"的性質(zhì)之間的任
何差異可能產(chǎn)生的誤差。這可以通過(guò)使用交替將V(u/V。3和V02/V。4對(duì)連
接到A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端的另一個(gè)多路轉(zhuǎn)換器而成為可行。
上述給出的介紹僅僅是根據(jù)本發(fā)明信號(hào)處理安排的適當(dāng)設(shè)計(jì)的例子。
可以用多種不同方式設(shè)計(jì)用于測(cè)量所述類(lèi)型的長(zhǎng)度和角度的電容 系統(tǒng)。例如可以將電極的幾何形狀設(shè)計(jì)成這種方式，即，正如在優(yōu)選 設(shè)計(jì)中的那樣電容成為運(yùn)動(dòng)的線(xiàn)性函數(shù)、或sine函數(shù)，或運(yùn)動(dòng)的其它 三角函數(shù)。
本領(lǐng)域技術(shù)人員還將實(shí)現(xiàn)本發(fā)明應(yīng)用于使用自由選定數(shù)量的輸入 信號(hào)n，這里11>2。還將實(shí)現(xiàn)本發(fā)明用于不同于sine形式的電容和位置 之間的其它關(guān)系，只要該關(guān)系可以用數(shù)學(xué)表達(dá)式來(lái)描述。還可以使用 不同于上述優(yōu)選設(shè)計(jì)中使用的用于脈沖寬度的其它關(guān)系。
還將最終實(shí)現(xiàn)利用適當(dāng)修改根據(jù)本發(fā)明的信號(hào)處理還將利用sine 形式的輸入信號(hào)起作用。
權(quán)利要求
1. 一種用于電容測(cè)量范圍的信號(hào)處理方法，意圖用于長(zhǎng)度或角度的測(cè)量，包括能夠相對(duì)于彼此移動(dòng)的兩部件，其設(shè)有一起形成電容器的電極，電容器的幅度是可變的并取決于如由能夠相對(duì)于彼此移動(dòng)的兩部件之間的正弦關(guān)系(xc)詳細(xì)說(shuō)明的相對(duì)位置，其中第一部件具有在一個(gè)測(cè)量周期上均勻分布的n個(gè)電極而第二部件具有每測(cè)量周期一個(gè)電極，并且第一部件中的電極被給予n個(gè)交替的電壓，其中所述交替電壓相對(duì)于彼此的時(shí)間移置為id="icf0001" file="S2006800380911C00011.gif" wi="5" he="8" top= "92" left = "103" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="no"/>這里t0是所述交替電壓的周期的長(zhǎng)度，其中第二移動(dòng)部件的電極以電容方式獲得由一個(gè)或數(shù)個(gè)所述交替電壓構(gòu)成的信號(hào)，并且這里合成信號(hào)的振幅合成取決于兩部件之間的相對(duì)位置(x)，其特征在于，對(duì)于n個(gè)采樣的每一個(gè)，對(duì)所述振幅合成的全部n個(gè)信號(hào)貢獻(xiàn)被分別測(cè)量和存儲(chǔ)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述振幅合成的測(cè) 量通過(guò)通常被稱(chēng)為"采樣-保持"的方法利用n個(gè)時(shí)刻處的采樣被執(zhí)行，T 相對(duì)于輸入信號(hào)是固定的并在一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)均勻分布。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，采樣被執(zhí)行成與輸 入信號(hào)同步。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1至3所述的方法，其特征在于，所述振幅值的 "采樣-保持"過(guò)程在基頻(fQ)的每個(gè)周期內(nèi)被相繼執(zhí)行并且為n個(gè)采 樣的每一個(gè)分別存儲(chǔ)值。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1至4所述的方法，其特征在于，以電勢(shì)形式存 儲(chǔ)在存儲(chǔ)電容器中的振幅值根據(jù)已知A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)被數(shù)字化。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1至5所述的方法，其特征在于，采樣和A/D轉(zhuǎn) 換被相繼執(zhí)行并且在A/D轉(zhuǎn)換期間A/D轉(zhuǎn)換器與傳感器信號(hào)電絕緣。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1至6所述的方法，其特征在于，輸入相位的數(shù)量n:4。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1至7所述的方法，其特征在于，A/D轉(zhuǎn)換以對(duì) 并以微分方式被執(zhí)行，其中來(lái)自采樣記數(shù)1和3的振幅值形成一對(duì)而 來(lái)自采樣記數(shù)2和4的振幅值形成第二對(duì)。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1至8所述的方法，其特征在于，通過(guò)以下算法獲得相對(duì)位置(Xc):<formula>formula see original document page 3</formula>
10、 根據(jù)權(quán)利要求1至9所述的方法，其特征在于，相對(duì)位置(Xc) 的數(shù)字化和計(jì)算每信號(hào)周期被執(zhí)行n次，其中用于計(jì)算的振幅值通過(guò) 用于每次計(jì)算的一個(gè)采樣步驟被接連更新。
11、 根據(jù)權(quán)利要求1至10所述的方法，其特征在于，A/D轉(zhuǎn)換利 用兩個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器執(zhí)行，其中一個(gè)數(shù)字化振幅值1和3，而另一個(gè)數(shù) 字化振幅值2和4。
12、 根據(jù)權(quán)利要求l至ll所述的方法，其特征在于，A/D轉(zhuǎn)換利 用一個(gè)多路A/D轉(zhuǎn)換器執(zhí)行。
全文摘要
一種用于電容測(cè)量范圍的信號(hào)處理方法，意圖用于長(zhǎng)度或角度的測(cè)量，包括能夠相對(duì)于彼此移動(dòng)的兩部件，其設(shè)有一起形成電容器的電極，電容器的幅度是可變的并取決于如由能夠相對(duì)于彼此移動(dòng)的兩部件之間的正弦關(guān)系(x_c)詳細(xì)說(shuō)明的相對(duì)位置，其中第一部件具有在一個(gè)測(cè)量周期上均勻分布的n個(gè)電極而第二部件具有每測(cè)量周期一個(gè)電極，并且第一部件中的電極被給予n個(gè)交替的電壓，其中所述交替電壓相對(duì)于彼此的時(shí)間移置為(圖I)，這里t₀是所述交替電壓的n個(gè)周期的長(zhǎng)度，其中第二移動(dòng)部件的電極以電容方式獲得由一個(gè)或數(shù)個(gè)所述交替電壓構(gòu)成的信號(hào)，并且這里合成信號(hào)的振幅合成取決于兩部件之間的相對(duì)位置(x)。對(duì)于n個(gè)采樣的每一個(gè)，對(duì)所述振幅合成的全部n個(gè)信號(hào)貢獻(xiàn)被分別測(cè)量和存儲(chǔ)。
文檔編號(hào)G01D5/241GK101287964SQ200680038091
公開(kāi)日2008年10月15日 申請(qǐng)日期2006年10月3日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月14日
發(fā)明者C-E·格斯塔埃松, S·T·彼得森, S·約翰森 申請(qǐng)人:六邊形度量衡股份公司