基于双调制法的双轴电容位移检测装置和方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010594023.5 (22)申请日 2020.06.24 (71)申请人 华中科技大学 地址 430074 湖北省武汉市洪山区珞喻路 1037号 (72)发明人 许强伟涂良成严世涛伍文杰 (74)专利代理机构 华中科技大学专利中心 42201 代理人 祝丹晴李智 (51)Int.Cl. G01B 7/02(2006.01) G01B 7/04(2006.01) (54)发明名称 一种基于双调制法的双轴电容位移检测装 置和方法 (57)摘要 本发明属于位移测量领域， 公开。

2、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。

3、化量， 提高电容位移检 测精度。 权利要求书2页 说明书6页 附图1页 CN 111811385 A 2020.10.23 CN 111811385 A 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， 。

4、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(。

5、1t)中， 正相载波+Vp1sin(1t)加载于所述正定极板上， 负相载波-Vp1sin(1t)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， 1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(1t)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。

6、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。

7、， 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(1t)， 其中Vp1为所述正负驱动载波的幅值， 1为所述正负驱动载波的频率； 进行所述同步解调时， 以Vp1sin(1t)为参考信号对所得的电压信号进行同步解调， 得 权利要求书 1/2 页 2 CN 111811385 A 2 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。 权利要求书 2/2 页 3 CN 111811385 A 3 一种基于双调。

8、制法的双轴电容位移检测装置和方法 技术领域 0001 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 0002 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 、 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 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。

9、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。 0003 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。 0004 变面积式电容位移检测主要检测动定极板间正对面积变。

10、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x， 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 0005 0006 与 0007 0008 此时差分电容的大小可以表示为： 0009 0010 其中 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： 说明书 1/6 页 4 CN 111811385 A 4 0011 0012 与参考信号VP1sin(1t)进行同步解调后所得的电压信号为： 0013 0014 变间距式电容位移检测主要。

11、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d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： 0015 0016当dd时， 0017 其中 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： 0018 0019 与参考信号VP2 sin(2t)进行同步解调后所得的电压信号为： 0020 0021 由电压输出公式Vo1和Vo2可以看出， 水平方向的位移变化量x和竖直方向的间距 变化量d都转化成为电压变化量， 但是这两种检测方式都只能检测。

12、其中一个变量， 即单一 方向的变量。 发明内容 0022 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。 0023 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； 0024 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； 0025 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。

13、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； 0026 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 说明书 2/6 页 5 CN 111811385 A 5 电容信号转化为电压信号； 0027 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。 0028 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。 0029 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。 0030 进。

14、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(1t)中， 正 相载波+Vp1sin(1t)加载于所述正定极板上， 负相载波-Vp1sin(1t)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， 1为所述正负驱动载波的频率。 0031 进一步地， 所述第一同步解调模块以Vp1sin(1t)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。 0032 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。 0033 进一步地， 所述第一同步解调模块和所述第。

15、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。 0034 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。 0035 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： 0036 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； 0037 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； 0038 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； 0039 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。

16、信号。 0040 进一步地， 所述正负驱动载波的形式为Vp1sin(1t)， 其中Vp1为所述正负驱动载 波的幅值， 1为所述正负驱动载波的频率； 0041 进行所述同步解调时， 以Vp1sin(1t)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。 0042 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(1t)的 基础上再加一路载波Vp2sin(2t)， 这样。

17、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 0043 图1是变面积式电容位移检测示意图； 说明书 3/6 页 6 CN 111811385 A 6 0044 图2是变间距式电容位移检测示意图； 0045 图3是本发明基于双调制法的双轴电容位移检测示意图； 0046 附。

18、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 0047 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。

19、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。 0048 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。 0049 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。 0050 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、 。

20、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。 0051 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。 0052 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。 0053 第一驱动电压模块3产生用于调制动极板相对于定极板。

21、水平方向位移变化量的正 负驱动载波+Vp1sin(1t)， 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， 1为所述正负驱动载波的频率。 0054 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(2t)， 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， 2为所述单路驱动载波的频率。 0055 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。 0056 第一同步解调模块6以VP1sin(1t)为参考信号， 对经过电荷放。

22、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。 0057 第二同步解调模块7以VP2sin(2t)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。 0058 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 说明书 4/6 页 7 CN 111811385 A 7 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。 0059 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R。

23、f。 0060 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。 0061 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。 0062 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(1t) 和Vp2sin(2t)， 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。

24、 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(1t)和Vp2sin(2t)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。 0063 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： 0064 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； 0065 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； 0066 将。

25、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； 0067 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。 0068 进一步地， 所述正负驱动载波的形式为Vp1sin(1t)， 其中Vp1为所述正负驱动载 波的幅值， 1为所述正负驱动载波的频率； 0069 进行所述同步解调时， 以Vp1sin(1t)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。 0070 下面简要介绍本发明的基本原理。 已有的变面积式电容位。

26、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 说明书 5/6 页 8 CN 111811385 A 8 0071 0072 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 0073 0074 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 0075 0076 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d。 在将电 压V1与V2相除后就可以得出动。

27、极板相对于定极板水平方向的位移变化量 0077 0078 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。 0079 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。 说明书 6/6 页 9 CN 111811385 A 9 图1 图2 图3 说明书附图 1/1 页 10 CN 111811385 A 10 。