[发明专利]金属微距测量传感器、测量系统及测量方法

说明书

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。

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：