本發(fā)明涉及電子距離測量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種電容式距離測量方法、裝置及其定標方法。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有技術(shù)中，用于距離測量的傳感裝置有很多種，例如激光測距、紅外光測距、無線電測距、超聲波測距、圖像識別測距、以及電容傳感器測距等。其中，有的可以達到較高的測量精度，但因裝置復雜龐大，而無法應用于近距離的測量；有的，例如基于圖像識別的測距裝置不僅具有同樣的問題，且其超聲測距受環(huán)境影響很大，難以滿足毫米量級的測量精度要求；有的，例如電容傳感器產(chǎn)品基本上都是針對開關(guān)應用場景的，其測量精度非常有限，因此無法用于精確地測量距離，且其支持的探頭數(shù)量少，因為其在進行探頭擴展時探頭之間相互干擾嚴重，導致測量精度嚴重下降，所以也無法根據(jù)需求進行探頭數(shù)量的擴展。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的之一至少在于，針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種測量精度高，測量范圍大，抗干擾能力強的電容式距離測量方法、裝置及其定標方法，且該裝置結(jié)構(gòu)簡單，體積小，易于擴展。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種電容式距離測量裝置，包括：探頭，激勵單元，電容電壓轉(zhuǎn)換單元，對數(shù)放大處理單元，數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換單元，以及控制單元；其中，

探頭用于與被測件之間形成電容；激勵單元與探頭連接，用于對探頭施加第一激勵信號；電容電壓轉(zhuǎn)換單元與探頭連接，用于獲取所形成的電容對應的第一電壓信號；對數(shù)放大處理單元與電容電壓轉(zhuǎn)換單元連接，用于對第一電壓信號進行對數(shù)放大處理，獲取第二電壓信號；數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換單元與對數(shù)放大處理單元連接，用于將第二電壓信號轉(zhuǎn)換為第三電壓信號；

控制單元與激勵單元、對數(shù)放大處理單元、以及數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換單元連接，用于確定激勵單元施加第一激勵信號的時間，確定對數(shù)放大處理單元進行對數(shù)放大處理的時間，以及將第三電壓信號轉(zhuǎn)換為距離值。

優(yōu)選地，上述裝置還包括設置在所述探頭背面的屏蔽層，與激勵單元連接；

激勵單元還用于對探頭施加第二激勵信號；其中，第二激勵信號與第一激勵信號的幅度和相位相同。

優(yōu)選地，上述裝置還包括與控制單元連接的顯示單元，用于顯示所述距離值；或者，

所述裝置還包括與控制單元連接的通信單元，用于將所述距離值發(fā)送給上位裝置。

優(yōu)選地，上述激勵單元通過采樣電阻與探頭連接；所述電容電壓轉(zhuǎn)換單元通過跨接于所述采樣電阻的儀表放大器獲取第一電壓信號。

優(yōu)選地，上述對數(shù)放大處理單元包括：峰值保持模塊、電平調(diào)整模塊、對數(shù)放大模塊、和放大及范圍調(diào)整模塊；其中，

峰值保持模塊用于對第一電壓信號的正向峰值進行跟蹤并保持；電平調(diào)整模塊用于將第一電壓信號調(diào)整到對數(shù)放大模塊的輸入范圍內(nèi)；對數(shù)放大模塊用于對第一電壓信號進行對數(shù)放大，獲取第二電壓信號；放大及范圍調(diào)整模塊用于將第二電壓信號調(diào)整到數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換單元的輸入范圍內(nèi)。

優(yōu)選地，上述峰值保持模塊包括：運算放大器、二極管、儲能電容、放電開關(guān)以及限流電阻；其中，

第一電壓信號流入輸入運算放大器同相輸入端，經(jīng)運算放大器的輸出端和二極管后至峰值保持模塊輸出端；

放電開關(guān)一端接地，一端連接運算放大器反向輸入端，且與儲能電容并聯(lián)連接；運算放大器輸出端、二極管、限流電阻、以及運算放大器反向輸入端形成反饋環(huán)路；

控制單元用于通過開關(guān)信號控制放電開關(guān)，使儲能電容放電，或者充電。

優(yōu)選地，上述探頭的數(shù)量大于或等于一；

當所述探頭的數(shù)量大于一時，探頭排列為陣列形式。

一種電容式距離測量方法，包括：

控制單元確定激勵單元施加第一激勵信號的時間；

激勵單元對探頭施加第一激勵信號；

電容電壓轉(zhuǎn)換單元獲取探頭與被測件之間形成的電容對應的第一電壓信號；

控制單元確定對數(shù)放大處理單元進行對數(shù)放大處理的時間；

對數(shù)放大處理單元對第一電壓信號進行對數(shù)放大處理，獲取第二電壓信號；

數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換單元將第二電壓信號轉(zhuǎn)換為第三電壓信號；

控制單元將第三電壓信號轉(zhuǎn)換為距離值。

優(yōu)選地，上述對數(shù)放大處理單元對第一電壓信號進行對數(shù)放大處理，獲取第二電壓信號包括：

峰值保持模塊對第一電壓信號的正向峰值進行跟蹤并保持；電平調(diào)整模塊將第一電壓信號調(diào)整到對數(shù)放大模塊的輸入范圍內(nèi)；對數(shù)放大模塊對第一電壓信號進行對數(shù)放大，獲取第二電壓信號；放大及范圍調(diào)整模塊將第二電壓信號調(diào)整到數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換單元的輸入范圍內(nèi)。

一種用于上述的裝置的定標方法，包括：把探頭固定在定標測試臺上；調(diào)整電路參數(shù)，使第三電壓信號電壓值變化范圍與預設的測量范圍相匹配；調(diào)整探頭與被測件之間的定標距離，從定標測試臺讀取定標距離，并獲取對應的第三電壓信號電壓值；對定標距離與第三電壓信號電壓值進行數(shù)據(jù)擬合，獲取定標距離與第三電壓信號電壓值的擬合關(guān)系式；調(diào)整探頭與被測件之間的定標距離，對擬合關(guān)系式進行驗證；當誤差值滿足精度要求時驗證通過，完成定標；當誤差值不滿足精度要求時，再次調(diào)整探頭與被測件之間的定標距離，獲取對應的第三電壓信號電壓值，以及定標距離與第三電壓信號電壓值的擬合關(guān)系式。

綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明至少具有以下有益效果：

1、通過電容電壓轉(zhuǎn)換裝置將電容隨距離變化的關(guān)系轉(zhuǎn)換成電壓隨距離變化的關(guān)系，減少了計算量，降低了距離測量對復雜器件的依賴，簡化了距離測量裝置結(jié)構(gòu)，減小了體積；

2、控制單元使激勵單元施加到探頭和屏蔽層上的激勵信號具有相同的幅度和相同的相位，這樣探頭與屏蔽層始終保持相同的電平，從而消除了探頭背面雜散電容對測量精度的影響，提高了距離測量的精度和抗干擾能力；

3、當探頭的數(shù)量大于一時，控制單元使各個探頭的激勵信號以及對數(shù)放大處理同步，在多探頭陣列式測量時不僅能夠克服探頭之間的相互干擾，還能夠進一步擴大測量范圍；

4、通過引入對數(shù)放大，使得距離和電壓的變化量分布更均勻，當測量距離增大到一定范圍時，提高了對應的電壓變化量，從而提高了測量精度，而且增大了距離測量的測量動態(tài)范圍，減小了噪聲系數(shù)；相應地，可以通過設置相對較小的測量精度來進一步擴大距離測量的測量動態(tài)范圍；

5、通過峰值保持模塊對電壓信號的正向峰值進行跟蹤并保持，降低了對數(shù)據(jù)采樣的絕對時間精度要求，減小了電路寄生參數(shù)和時鐘抖動等因素對測量精度的影響，進一步提高了距離測量裝置的測量精度；控制單元通過開關(guān)信號使信號采集和峰值保持相對同步，減少了裝置內(nèi)信號的相互干擾，降低了峰值保持電路漏電流對測量精度的影響，進一步提高了測量精度；

6、根據(jù)電容電壓轉(zhuǎn)換之后的電壓與定標距離進行標定，減少的電容量的直接計算等步驟，簡化了定標過程；通過對各測量通道進行定標，克服了電路元件離散性及分布參數(shù)的差異，從進一步提高了本發(fā)明上述實施例中的距離測量裝置的距離測量精度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例一公開的電容式距離測量裝置的結(jié)構(gòu)原理示意圖；

圖2是本發(fā)明實施例二公開的電容式距離測量裝置的結(jié)構(gòu)原理示意圖；

圖3是本發(fā)明實施例三公開的電容式距離測量裝置中激勵采樣電路示意圖；

圖4是本發(fā)明實施例四公開的電容式距離測量裝置中對數(shù)放大處理單元的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明實施例四公開的電容式距離測量裝置中對數(shù)放大前及對數(shù)放大后電壓隨距離的變化示意圖；

圖6是本發(fā)明實施例五公開的電容式距離測量裝置中峰值保持模塊的電路結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7是本發(fā)明實施例六公開的電容式距離測量方法的流程圖；

圖8是本發(fā)明實施例七公開的用于電容式距離測量裝置的定標方法的流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明，以使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

實施例一

本發(fā)明一實施例公開的電容式距離測量裝置包括：探頭，激勵單元，電容電壓轉(zhuǎn)換單元，對數(shù)放大處理單元，數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換單元，以及控制單元。

如圖1所示，探頭與被測件之間形成電容Cs，當被測件與探頭之間的相對距離變動時，電容Cs的電容量隨之改變，距離越大電容越小，通過測量電容量的大小即可測量出被測件與探頭之間的相對距離。

其中，激勵單元與探頭連接，用于對探頭施加第一激勵信號；具體地，激勵單元可以包括數(shù)模轉(zhuǎn)換器(Digital-To-Analog Converter，DAC)，用于產(chǎn)生諸如移相正弦波信號、三角波信號等激勵信號。

電容電壓轉(zhuǎn)換單元與探頭連接，用于獲取所形成的電容對應的第一電壓信號；對數(shù)放大處理單元與電容電壓轉(zhuǎn)換單元連接，用于對第一電壓信號進行對數(shù)放大處理，獲取第二電壓信號；

數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換單元與對數(shù)放大處理單元連接，用于將第二電壓信號轉(zhuǎn)換為第三電壓信號；具體地，數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換單元可以包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog-To-Digital Converter，ADC)，用于將模擬型號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

控制單元與激勵單元、對數(shù)放大處理單元、以及數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換單元連接，用于確定激勵單元施加第一激勵信號的時間，確定對數(shù)放大處理單元進行對數(shù)放大處理的時間，以及將第三電壓信號轉(zhuǎn)換為距離值。具體地，控制單元可以包括現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)和微控制器(Microcontroller Unit，MCU)等，通過距離與電壓的擬合關(guān)系式將將第三電壓信號轉(zhuǎn)換為距離值。

通過上述裝置，測量距離可以達到25厘米以上，并且在測量距離小于14厘米時測量誤差小于等于1毫米。而且，還可以在降低部分測量精度的情況下進一步提高測量距離。

實施例二

如圖2所示，本發(fā)明一優(yōu)選實施例公開的電容式距離測量裝置在前述裝置的基礎(chǔ)上，進一步包括設置在探頭背面的屏蔽層，與激勵單元連接，探頭與屏蔽層之間的介質(zhì)可以為絕緣隔離材料或其他填充材料；

相應地，激勵單元還用于對探頭施加第二激勵信號；其中，第二激勵信號與第一激勵信號的幅度和相位相同?？刂茊卧€可以用于確定激勵單元施加第一激勵信號的相位、幅度等。

在優(yōu)選的實施例中，上述裝置還可以包括與控制單元連接的顯示單元，用于顯示所述距離值，例如液晶顯示屏等電子顯示設備直接顯示所測量的距離值。在其他優(yōu)選的實施例中，所述裝置也可以包括與控制單元連接的通信單元，用于將所述距離值發(fā)送給上位裝置，即本裝置可以置入其他裝置內(nèi)部，將測量的距離值作為參數(shù)發(fā)送給其他裝置進行進一步的處理。

上述實施例中，控制單元使激勵單元施加到探頭和屏蔽層上的激勵信號具有相同的幅度和相同的相位，這樣探頭與屏蔽層始終保持相同的電平，從而消除了探頭背面雜散電容對測量精度的影響，提高了距離測量的精度和抗干擾能力。

在進一步優(yōu)選的實施例中，探頭的數(shù)量可以大于或等于一；當所述探頭的數(shù)量大于一時，探頭排列為陣列形式。探頭背面設置有屏蔽層，控制單元使各個探頭的激勵信號以及對數(shù)放大處理同步，在多探頭陣列式測量時不僅能夠克服探頭之間的相互干擾，還能夠進一步擴大測量范圍。

實施例三

本發(fā)明一優(yōu)選實施例公開的電容式距離測量裝置在前述裝置的基礎(chǔ)上，進一步包括如圖3所示的激勵采樣電路。其中，激勵單元通過采樣電阻Rs與探頭(即電容Cs中探頭一側(cè))連接，對探頭施加激勵信號；電容電壓轉(zhuǎn)換單元通過跨接于采樣電阻Rs的儀表放大器(Instrumentation Amplifier，INA)，例如，精密低功耗儀表放大器，獲取第一電壓信號。

具體地，對平板式電容器電容量計算公式進行化簡，則電壓與距離之間的變化關(guān)系可以近似為V_s＝V₀+k/D，其中，Vs表示電阻Rs兩端的電壓，V0表示電容Cs的相對電壓，D表示探頭與被測件的距離，k為比例常數(shù)。

相比于現(xiàn)有技術(shù)中直接測量電容值再換算為距離值，本發(fā)明上述實施例中的裝置通過電容電壓轉(zhuǎn)換裝置將電容隨距離變化的關(guān)系轉(zhuǎn)換成電壓隨距離變化的關(guān)系。由于，電容量在測量中僅作為中間量出現(xiàn)，因此不需要計算電容的絕對大小，從而減少了計算量，降低了距離測量對復雜器件的依賴，簡化了距離測量裝置結(jié)構(gòu)，減小了裝置的體積。

實施例四

本發(fā)明一優(yōu)選實施例公開的電容式距離測量裝置在前述裝置的基礎(chǔ)上，包括如圖4所示的對數(shù)放大處理單元。

具體地，該對數(shù)放大處理單元包括：峰值保持模塊、電平調(diào)整模塊、對數(shù)放大模塊、和放大及范圍調(diào)整模塊；其中，峰值保持模塊用于對第一電壓信號的正向峰值進行跟蹤并保持；電平調(diào)整模塊用于將第一電壓信號調(diào)整到對數(shù)放大模塊的輸入范圍內(nèi)；對數(shù)放大模塊用于對第一電壓信號進行對數(shù)放大，獲取第二電壓信號；放大及范圍調(diào)整模塊用于將第二電壓信號調(diào)整到數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換單元的輸入范圍內(nèi)。

由關(guān)系式V_s＝V₀+k/D可知，電壓與距離之間近似成反比關(guān)系，即電壓值將隨距離的增大迅速地減小。通過對數(shù)放大模塊對第一電壓信號進行對數(shù)放大，對數(shù)放大前及對數(shù)放大后電壓隨距離的變化如圖5所示。當探頭與被測件之間的距離較大時，例如在距離范圍D1內(nèi)，對數(shù)放大前電壓變化量為V1，對數(shù)放大后電壓變化量為V2。可以看出，通過引入對數(shù)放大，使得距離和電壓的變化量分布更均勻，當測量距離增大到一定范圍時，提高了對應的電壓變化量，從而提高了測量精度，而且增大了距離測量的測量動態(tài)范圍，減小了噪聲系數(shù)；相應地，可以通過設置相對較小的測量精度來進一步擴大距離測量的測量動態(tài)范圍。

實施例五

本發(fā)明一優(yōu)選實施例公開的電容式距離測量裝置在前述裝置的基礎(chǔ)上，包括如圖6所示的峰值保持模塊。

其中，峰值保持模塊包括：運算放大器OP、二極管Dmk、儲能電容Cmk、放電開關(guān)Qmk以及限流電阻Rmk；其中，

第一電壓信號Vin流入輸入運算放大器同相輸入端，經(jīng)運算放大器OP的輸出端和二極管Dmk后至峰值保持模塊輸出端Vmko；

放電開關(guān)Qmk一端接地，一端連接運算放大器OP反向輸入端，且與儲能電容Cmk并聯(lián)連接；具體地，放電開關(guān)Qmk可以包括金屬氧化物半導體場效應晶體管(Metal-Oxide-SemiconductorField Effect Transistor，MOSFET)；

運算放大器OP輸出端、二極管Dmk、限流電阻Rmk、以及運算放大器OP反向輸入端形成反饋環(huán)路；

控制單元用于通過開關(guān)信號Vk控制放電開關(guān)Qmk，使儲能電容Cmk放電，或者充電。

上述峰值保持模塊對輸入的第一電壓信號的正向峰值進行跟蹤并保持，控制單元控制放電開關(guān)Qmk在數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換單元對信號采集完成后，對儲能電容Cmk進行放電，以為下一次采集做好準備。并且，控制單元通過調(diào)整激勵信號與開關(guān)信號Vk之間的相位關(guān)系，可以使峰值保持模塊輸出Vmko輸出零伏到正峰值之間的電壓。

通過上述峰值保持模塊對電壓信號的正向峰值進行跟蹤并保持，降低了對數(shù)據(jù)采樣的絕對時間精度要求，減小了電路寄生參數(shù)和時鐘抖動等因素對測量精度的影響，進一步提高了距離測量裝置的測量精度；控制單元通過開關(guān)信號使信號采集和峰值保持相對同步，減少了裝置內(nèi)信號的相互干擾，降低了峰值保持電路漏電流對測量精度的影響，進一步提高了測量精度。

實施例六

如圖7所示，本發(fā)明一優(yōu)選實施例公開的電容式距離測量方法包括以下步驟：

步驟701：控制單元確定激勵單元施加第一激勵信號的時間；

步驟702：激勵單元對探頭施加第一激勵信號；

步驟703：電容電壓轉(zhuǎn)換單元獲取探頭與被測件之間形成的電容對應的第一電壓信號；

步驟704：控制單元確定對數(shù)放大處理單元進行對數(shù)放大處理的時間；

具體地，控制單元可以確定對數(shù)放大處理單元中的峰值保持模塊對電壓信號的正向峰值進行跟蹤并保持的時間；

步驟705：對數(shù)放大處理單元對第一電壓信號進行對數(shù)放大處理，獲取第二電壓信號；

其中，本步驟具體可以包括：峰值保持模塊對第一電壓信號的正向峰值進行跟蹤并保持；電平調(diào)整模塊將第一電壓信號調(diào)整到對數(shù)放大模塊的輸入范圍內(nèi)；對數(shù)放大模塊對第一電壓信號進行對數(shù)放大，獲取第二電壓信號；放大及范圍調(diào)整模塊將第二電壓信號調(diào)整到數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換單元的輸入范圍內(nèi)。

步驟706：數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換單元將第二電壓信號轉(zhuǎn)換為第三電壓信號；

步驟707：控制單元將第三電壓信號轉(zhuǎn)換為距離值；其中，當探頭的數(shù)量大于一時，控制單元保持對各個探頭施加第一激勵信號的時間同步，以及進行對數(shù)放大處理的時間同步。

通過上述實施例中方法，能夠探測大于250mm的距離，且在小于140mm范圍內(nèi)實現(xiàn)優(yōu)于1mm的測量誤差。

實施例七

如圖8所示，本發(fā)明一優(yōu)選實施例公開了一種用于上述電容式距離測量裝置的定標方法，包括以下步驟：

步驟801：把探頭固定在定標測試臺上；

其中，固定探頭時探頭平面與被測件平面正對且平行，從而減小定標誤差；定標臺上有對應的刻度，可以直接讀取探頭與被測件之間的定標距離；

步驟802：調(diào)整電路參數(shù)，使第三電壓信號電壓值變化范圍與預設的測量范圍相匹配；

具體地，調(diào)整電路參數(shù)(例如，采樣電阻的阻值等)，在預設的測量范圍內(nèi)移動探頭，通過調(diào)整電路的增益值，使第三電壓信號電壓值變化范圍與距離測量范圍相匹配，例如，當探頭距離被測件最近時數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換單元輸出的第三電壓信號電壓值為最大，距離被測件最遠時數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換單元輸出的第三電壓信號電壓值為最小；

步驟803：調(diào)整探頭與被測件之間的定標距離，從定標測試臺讀取定標距離，并獲取對應的第三電壓信號電壓值；

具體地，隨機移動探頭，讀取探頭與被測件之間的定標距離D，獲取數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換單元輸出的對應第三電壓信號電壓值，例如ADC值；再次移動探頭，并記錄下相應的定標距離D距離及對應的ADC值，如此重復10次，獲取10對定標距離D和對應的ADC值；

步驟804：對定標距離與第三電壓信號電壓值進行數(shù)據(jù)擬合；

具體地，對步驟803獲取的10個定標距離D以及對應的10個ADC值進行數(shù)據(jù)擬合，獲取定標距離D與ADC值之間的擬合關(guān)系式；

步驟805：調(diào)整探頭與被測件之間的定標距離，對擬合關(guān)系式進行驗證；

隨機移動探頭，讀取并記錄下探頭與被測件之間的定標距離D，使用步驟804得到的擬合關(guān)系式對獲取的ADC值進行計算，得到測量距離值Dc，計算得到測量誤差De＝Dc-D，例如，可以如此重復5次，即使用隨機的5個定標距離對擬合關(guān)系式進行驗證；

步驟806：判斷驗證結(jié)果是否通過；

用步驟805獲得的5個誤差值與測量精度要求進行對比，如都滿足精度要求則驗證通過，完成定標；如果誤差不能滿足精度要求，則返回步驟803再次調(diào)整探頭與被測件之間的定標距離，獲取對應的第三電壓信號電壓值；在優(yōu)選的實施例中，可以進一步增加步驟803中重復測量次數(shù)，以提高擬合精度。

一方面，根據(jù)電容電壓轉(zhuǎn)換之后的電壓與定標距離進行標定，減少的電容量的直接計算等步驟，簡化了定標過程；另一方面，通過對各測量通道進行定標，克服了電路元件離散性及分布參數(shù)的差異，從進一步提高了本發(fā)明上述實施例中的距離測量裝置的距離測量精度。

以上實施方式僅用于說明本發(fā)明的較佳實施例，而非對本發(fā)明的限制。相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的原則和范圍的情況下，做出的各種替換、變型以及改進均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。