本發(fā)明屬于電容傳感，尤其涉及一種多自由度電容傳感系統(tǒng)通道間信號(hào)傳輸時(shí)延的測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

1、電容傳感在航空航天領(lǐng)域有著大量且廣泛的應(yīng)用，在慣性傳感器中借助多自由度電容傳感系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試質(zhì)量與電極籠之間的相對(duì)位置和姿態(tài)的精確測(cè)量，多自由度電容傳感系統(tǒng)的測(cè)量精度直接關(guān)乎慣性傳感器的性能能否達(dá)到指標(biāo)要求。多自由度電容傳感系統(tǒng)的通道間的延遲時(shí)間差，指的是同一信號(hào)同相加載至不同的采集通道后，各通道采集的數(shù)據(jù)序列的初始點(diǎn)在信號(hào)波形上所體現(xiàn)出的時(shí)間差。其產(chǎn)生的主要原因包括：（1）電容傳感線路的長(zhǎng)度不一致，導(dǎo)致信號(hào)源抵達(dá)各個(gè)采集通道的時(shí)間存在差異；（2）在使用同一個(gè)時(shí)鐘源來(lái)控制數(shù)據(jù)采集時(shí)，由于存在線路延遲，致使時(shí)鐘信號(hào)到達(dá)各個(gè)采集通道會(huì)存在時(shí)間差。多自由度電容傳感系統(tǒng)的通道間的延遲時(shí)間差屬于必須精確知曉的一項(xiàng)指標(biāo)，而在慣性傳感器中，要精確測(cè)量測(cè)試質(zhì)量的位置和姿態(tài)，對(duì)于多自由度電容傳感系統(tǒng)的通道間延遲時(shí)間差的評(píng)價(jià)要求就更為嚴(yán)格和迫切。故而，開(kāi)發(fā)出一種針對(duì)多自由度電容傳感系統(tǒng)的通道間信號(hào)傳輸時(shí)延的測(cè)量方法，已成為亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。目前相關(guān)領(lǐng)域中，為了減少通道間的延遲時(shí)間差，通常對(duì)采集通道進(jìn)行同步操作，而并沒(méi)有明確的測(cè)量通道間延遲時(shí)間差的方法。而如果采集通道間的時(shí)延過(guò)大的話，那么，多自由度電容傳感系統(tǒng)測(cè)量的測(cè)試質(zhì)量的位置和姿態(tài)就會(huì)失真，直接影響后續(xù)控制回路的控制精度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明創(chuàng)造旨在提供一種多自由度電容傳感系統(tǒng)通道間信號(hào)傳輸時(shí)延的測(cè)量方法，以解決上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的問(wèn)題，本發(fā)明簡(jiǎn)單方便快捷，同時(shí)具有一定的通用性，可廣泛應(yīng)用于航天領(lǐng)域的電容傳感中。

2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明創(chuàng)造的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：

3、一種多自由度電容傳感測(cè)試裝置，包括位移系統(tǒng)、置于位移系統(tǒng)上的敏感系統(tǒng)、與敏感系統(tǒng)相連的多自由度電容傳感系統(tǒng)、以及與多自由度電容傳感系統(tǒng)相連的上位機(jī)，其中，

4、位移系統(tǒng)帶動(dòng)敏感系統(tǒng)位移，多自由度電容傳感系統(tǒng)采集敏感系統(tǒng)的各電極板的電容傳感電壓信號(hào)，上位機(jī)根據(jù)各電極板的電容傳感電壓信號(hào)，計(jì)算獲得除多自由度電容傳感系統(tǒng)的第一通道之外的各通道相對(duì)于第一通道的電壓差。

5、進(jìn)一步的，敏感系統(tǒng)包括懸掛平臺(tái)、測(cè)試質(zhì)量和電極籠，懸掛平臺(tái)將測(cè)試質(zhì)量懸掛于電極籠內(nèi)，且電極籠的中心點(diǎn)與測(cè)試質(zhì)量的中心點(diǎn)重合，電極籠的各表面與測(cè)試質(zhì)量的各表面相對(duì)放置，電極籠的各相對(duì)表面上均對(duì)稱布置有兩個(gè)電極板。

6、進(jìn)一步的，位移系統(tǒng)包括微位移平臺(tái)和控制器，控制器與微位移平臺(tái)相連，控制器控制微位移平臺(tái)位移，微位移平臺(tái)帶動(dòng)電極籠相對(duì)于測(cè)試質(zhì)量進(jìn)行位移操作。

7、進(jìn)一步的，多自由度電容傳感系統(tǒng)包括電容傳感電壓采集電路和fpga電路，電容傳感電壓采集電路和fpga電路相連，電容傳感電壓采集電路設(shè)有與微位移平臺(tái)的自由度數(shù)量相同的采集通道，所述電容傳感電壓采集電路的各采集通道與位于所述微位移平臺(tái)的各自由度上的電極板對(duì)應(yīng)連接，且所述電容傳感電壓采集電路的各采集通道對(duì)應(yīng)采集各自由度上的電極板的電容傳感電壓信號(hào)，并將采集獲得的各電極板的電容傳感電壓信號(hào)均發(fā)送至fpga電路，fpga電路將各電極板的電容傳感電壓信號(hào)打包并發(fā)送至上位機(jī)。

8、進(jìn)一步的，電極籠和測(cè)試質(zhì)量的形狀相同，均為正六面體。

9、進(jìn)一步的，上位機(jī)包括計(jì)算機(jī)。

10、一種多自由度電容傳感系統(tǒng)通道間信號(hào)傳輸時(shí)延的測(cè)量方法，利用多自由度電容傳感測(cè)試裝置實(shí)現(xiàn)，具體包括如下步驟：

11、s1：控制器控制微位移平臺(tái)位移，使微位移平臺(tái)帶動(dòng)電極籠相對(duì)于測(cè)試質(zhì)量移動(dòng)；

12、s2：電容傳感電壓采集電路的各采集通道對(duì)應(yīng)采集各自由度上的電極板的電容傳感電壓信號(hào)，并將采集獲得的各電極板的電容傳感電壓信號(hào)均發(fā)送至fpga電路；

13、s3：fpga電路將各電極板的電容傳感電壓信號(hào)打包并發(fā)送至上位機(jī)，上位機(jī)根據(jù)各采集通道采集的電容傳感電壓信號(hào)，計(jì)算獲得除多自由度電容傳感系統(tǒng)的第一通道之外的各通道相對(duì)于第一通道的電壓差。

14、進(jìn)一步的，在步驟s1中，電極籠相對(duì)于測(cè)試質(zhì)量的移動(dòng)距離的計(jì)算公式為：

15、；

16、其中，為距離，為微位移平臺(tái)的移動(dòng)幅度，f為微位移平臺(tái)的移動(dòng)頻率，為微位移平臺(tái)的移動(dòng)時(shí)間。

17、進(jìn)一步的，在步驟s3中，上位機(jī)根據(jù)各采集通道采集的電容傳感電壓信號(hào)，計(jì)算獲得除多自由度電容傳感系統(tǒng)的第一通道之外的各通道相對(duì)于第一通道的電壓差具體包括如下步驟：

18、s31：上位機(jī)對(duì)數(shù)字帶通濾波器的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，并利用設(shè)置好的數(shù)字帶通濾波器對(duì)各采集通道的電容傳感電壓信號(hào)進(jìn)行帶通濾波處理；

19、s32：對(duì)濾波處理后的各采集通道的電容傳感電壓信號(hào)進(jìn)行去平均操作；

20、s33：通過(guò)下式對(duì)第一通道的電容傳感電壓信號(hào)進(jìn)行希爾伯特變換：

21、；

22、其中，為希爾伯特變換函數(shù)，為第一通道的電容傳感電壓信號(hào)，為經(jīng)過(guò)希爾伯特變換后的第一通道的電容傳感電壓信號(hào)，為積分變量，為微位移平臺(tái)的移動(dòng)時(shí)間；

23、s34：通過(guò)下式計(jì)算第一通道的瞬時(shí)相位：

24、；

25、其中，為第一通道的瞬時(shí)相位；

26、s35：用第二通道替換第一通道，重復(fù)步驟s33~步驟s34，計(jì)算第二通道的瞬時(shí)相位，并通過(guò)下式獲得第一通道與第二通道之間的相位差：

27、；

28、s36：通過(guò)下式計(jì)算第二通道相對(duì)于第一通道的時(shí)間差：

29、；

30、s37：用下一通道替換當(dāng)前通道，重復(fù)步驟s35~s36，計(jì)算獲得除第一通道之外的各通道相對(duì)于第一通道的電壓差。

31、進(jìn)一步的，在步驟s31中，數(shù)字帶通濾波器的中心頻率值與微位移平臺(tái)的移動(dòng)頻率值相等。

32、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明創(chuàng)造能夠取得如下有益效果：

33、（1）本發(fā)明創(chuàng)造所述的多自由度電容傳感系統(tǒng)通道間信號(hào)傳輸時(shí)延的測(cè)量方法，采用希爾伯特變換的方法，能夠準(zhǔn)確快速便捷的計(jì)算出采集系統(tǒng)的通道間的延遲時(shí)間差；且具有極高的擴(kuò)展性，不局限于六個(gè)通道的電容傳感采集系統(tǒng)的延遲時(shí)間差計(jì)算，可擴(kuò)展至更多通道；本發(fā)明能夠過(guò)濾掉外界干擾對(duì)延遲時(shí)間差的計(jì)算，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

34、（2）本發(fā)明創(chuàng)造所述的多自由度電容傳感系統(tǒng)通道間信號(hào)傳輸時(shí)延的測(cè)量方法，能夠評(píng)估多自由度電容傳感系統(tǒng)的同步性，填補(bǔ)了當(dāng)前關(guān)于電容傳感采集系統(tǒng)的延遲時(shí)間差計(jì)算的技術(shù)空白。

技術(shù)特征：

1.一種多自由度電容傳感測(cè)試裝置，其特征在于：包括位移系統(tǒng)、置于所述位移系統(tǒng)上的敏感系統(tǒng)、與所述敏感系統(tǒng)相連的多自由度電容傳感系統(tǒng)、以及與所述多自由度電容傳感系統(tǒng)相連的上位機(jī)，其中，

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多自由度電容傳感測(cè)試裝置，其特征在于：所述敏感系統(tǒng)包括懸掛平臺(tái)、測(cè)試質(zhì)量和電極籠，所述懸掛平臺(tái)將所述測(cè)試質(zhì)量懸掛于所述電極籠內(nèi)，且所述電極籠的中心點(diǎn)與所述測(cè)試質(zhì)量的中心點(diǎn)重合，所述電極籠的各表面與所述測(cè)試質(zhì)量的各表面相對(duì)放置，所述電極籠的各相對(duì)表面上均對(duì)稱布置有兩個(gè)電極板。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多自由度電容傳感測(cè)試裝置，其特征在于：所述位移系統(tǒng)包括微位移平臺(tái)和控制器，所述控制器與所述微位移平臺(tái)相連，所述控制器控制所述微位移平臺(tái)位移，所述微位移平臺(tái)帶動(dòng)所述電極籠相對(duì)于所述測(cè)試質(zhì)量進(jìn)行位移操作。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多自由度電容傳感測(cè)試裝置，其特征在于：所述多自由度電容傳感系統(tǒng)包括電容傳感電壓采集電路和fpga電路，所述電容傳感電壓采集電路和所述fpga電路相連，所述電容傳感電壓采集電路設(shè)有與所述微位移平臺(tái)的自由度數(shù)量相同的采集通道，所述電容傳感電壓采集電路的各采集通道與位于所述微位移平臺(tái)的各自由度上的電極板對(duì)應(yīng)連接，且所述電容傳感電壓采集電路的各采集通道對(duì)應(yīng)采集各自由度上的電極板的電容傳感電壓信號(hào)，并將采集獲得的各電極板的電容傳感電壓信號(hào)均發(fā)送至所述fpga電路，所述fpga電路將各電極板的電容傳感電壓信號(hào)打包并發(fā)送至所述上位機(jī)。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的多自由度電容傳感測(cè)試裝置，其特征在于：所述電極籠和所述測(cè)試質(zhì)量的形狀相同，均為正六面體。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多自由度電容傳感測(cè)試裝置，其特征在于：所述上位機(jī)包括計(jì)算機(jī)。

7.一種多自由度電容傳感系統(tǒng)通道間信號(hào)傳輸時(shí)延的測(cè)量方法，利用權(quán)利要求6所述的多自由度電容傳感測(cè)試裝置實(shí)現(xiàn)，其特征在于：具體包括如下步驟：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的多自由度電容傳感系統(tǒng)通道間信號(hào)傳輸時(shí)延的測(cè)量方法，其特征在于：在所述步驟s1中，所述電極籠相對(duì)于所述測(cè)試質(zhì)量的移動(dòng)距離的計(jì)算公式為：

9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的多自由度電容傳感系統(tǒng)通道間信號(hào)傳輸時(shí)延的測(cè)量方法，其特征在于：在所述步驟s3中，所述上位機(jī)根據(jù)各采集通道采集的電容傳感電壓信號(hào)，計(jì)算獲得除所述多自由度電容傳感系統(tǒng)的第一通道之外的各通道相對(duì)于第一通道的電壓差具體包括如下步驟：

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的多自由度電容傳感系統(tǒng)通道間信號(hào)傳輸時(shí)延的測(cè)量方法，其特征在于：在步驟s31中，所述數(shù)字帶通濾波器的中心頻率值與所述微位移平臺(tái)的移動(dòng)頻率值相等。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于電容傳感技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種多自由度電容傳感系統(tǒng)通道間信號(hào)傳輸時(shí)延的測(cè)量方法。包括：S1：控制器控制微位移平臺(tái)位移，使微位移平臺(tái)帶動(dòng)電極籠相對(duì)于測(cè)試質(zhì)量移動(dòng)；S2：電容傳感電壓采集電路的各采集通道對(duì)應(yīng)采集各自由度上的電極板的電容傳感電壓信號(hào)，并將采集獲得的各電極板的電容傳感電壓信號(hào)均發(fā)送至FPGA電路；S3：FPGA電路將各電極板的電容傳感電壓信號(hào)打包并發(fā)送至上位機(jī)，上位機(jī)根據(jù)各通道采集的電容傳感電壓信號(hào)，計(jì)算獲得除第一通道之外的各通道相對(duì)于第一通道的電壓差。本發(fā)明能夠過(guò)濾掉外界干擾對(duì)延遲時(shí)間差的計(jì)算，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

技術(shù)研發(fā)人員：薛科,于濤,汪龍祺,王智,隋延林,陳泳錕,陳禹竺,劉鑫,龍翃宇
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/10