[发明专利]电容测量范围的信号处理方法

说明书

技术领域

本发明介绍用于测量电信号的幅度关系的方法，所述电信号由它们之间具有固定时间移置、但一个或数个分量信号具有不同振幅的数个相同频率的信号构成。

背景技术

本发明主要适用于由瑞典专利7714010-1中和该专利的应用(瑞典专利9202005-6，8604337-9和0003110-4)中介绍的电容测量系统类型中的信号处理。

本发明意图获得比迄今为止使用过的信号处理单元给出更高精度、更高分辨率、更快速地更新和更低噪声电平的简单的信号处理单元。

在瑞典专利7714010-1中介绍了希望本发明应该应用于其上的电容测量装置类型。在瑞典专利9202005-6、8604337-9和0003110-4中介绍了基于瑞典专利7714010-1的多种应用。

上述列出的专利介绍了一种基于提供至少三个电极的第一传感器部件来测量线性尺寸或角度的系统，三个电极被供给在时间上具有固定相对移置的电子脉冲，其中来自位于第二传感器部件上的传感器电极的输出信号，此后被称为“合成信号”的时间移置取决于与上述测量电极相连的电容的大小，而该时间移置用于检测两个传感器部件的位置，即，它们的相对位置。

瑞典专利7714010-1介绍了一种信号处理方法，其中通过二进制计数器的时间测量从检测电极的载有信息的合成信号中提取位置的值，二进制计数器与测量信号同步起作用。这通过允许合成信号的零(图1a中的最低信号)对锁定电路(locking circuit)进行控制而获得，锁定电路保持二进制计数器为零时的条件。

不过，具有正弦波形形式(例如图1a中示出的那些)、具有足够好正弦波形形式、以及所需的振幅精度和频率稳定度的信号难以产生，而且更重要的是，产生它们很昂贵。

因此，在一种优选设计中对输入信号使用方波脉冲(图1b中的R、S和T)而不是正弦波。由具有不同时间移置和振幅的方波信号构成合成信号将作为其结果，而且它将采用如在图1b中最下面示出的阶梯外观。不过，当检测电极的位置改变时，在这种情况下合成信号的零不随着电容改变而类似地改变：它们通过四分之一机械周期阶梯状移置。为了获得更精确的位置值，必须使用先进的带通滤波器将方波脉冲的全部谐波从合成信号中过滤除。滤波操作之后仅保留输入频率中正弦形状的基波，并因此形成如图1a中所示的正弦形状的合成信号。随后执行使用小心定义的标准校准测量系统，以补偿带通滤波器性质上的缺点。

当方波信号被用作如上所述电容测量系统的输入时，是合成信号的振幅合成构成其位置信息。根据上述现有技术，必须将合成信号的位置信息从振幅域转换到时间域。这通过滤波的帮助从合成信号中去掉所有谐波而发生。不过，存在与此相关的几个缺点。

需要先进和昂贵的带通滤波器来滤除所有谐波。此外，难以制造确实具有相同性质的滤波器，并且出于这个原因滤波器通常不能相互调换。这意味着如果有调换滤波器单元的必要就必须要再次校准测量系统。

使用波形的零的方法还对合成信号中的偏移敏感，这是因为相对于零级电势的零的位置受到合成信号中出现的任何不对称的影响。

另外，利用波形的零的方法还对来自例如信号处理单元的电路的串音敏感，串音可能给出经过滤波的合成信号中的瞬时升高。如果这些串音的时间位置靠近于合成信号的零电势，就可能在零的分析中产生误差。

所介绍系统的另一个优点在于合成信号的频率不是恒定的：作为多普勒效应的结果，它随着两个传感器部件之间的相对运动速度而改变。

出于这个原因，仅当两个电轴承(bearing)部件固定时，合成信号和参考信号才具有相同的频率。

频率中的变化意味着当在运动期间进行测量时，取决于运动的方向和速度，合成信号的零的周期“t_summa”比参考频率的周期更大或更小。由于计数器频率受到参考信号的频率和周期“t”的恒定控制，所以读出要么太低要么太高的计数器值。

合成信号的频率随速度而变化的第二影响在于不能将带通滤波器设计成对于参考信号的基频的限制如所需的那样尖锐-由于频率变化导致必须接受一定的带宽。这意味着滤波不能产生对于避免误差的位置检测所需的合成信号的良好正弦波形。

需要参考信号基频的一个完整的周期，以产生一个测量值，这是因为通过参考信号的基频确定更新的频率(每秒钟新测量的数量)。

通过为了执行时间确定而使用的信号的频率确定测量的分辨率。如果需要增加测量精度(resoltion)，就有必要减小参考信号的基频或增大要用于执行时间测量的信号的频率。