微小位移与姿态的读取方法及存储介质

1.本技术属于电容传感技术领域，具体为一种微小位移与姿态的读取方法及存储介质。


背景技术：

2.电容传感在航天领域中得到越来越多的应用，比如惯性传感器和加速度计等。读取方法成为电容传感单机能否准确读取位移信息的关键技术。由电容传感单机读取的位移信息应用在控制回路中，要求读取的位移信息具有低时延和线性相位等特点。目前应用在航天领域中的电容传感单机在读取微小位移信息时，由于测量链路长等的因素，被测对象的微小位移经常被淹没在噪声中，极大地影响测量精度。利用电容传感技术准确读取微小位移，除了要求合理的机械结构和电路设计，需要开发出合理的、具有低时延和线性相位的微小位移与姿态的读取方法。因此，如何开发出合理的、具有低时延和线性相位的微小位移与姿态的读取方法，成为亟待解决的问题。


技术实现要素：

3.本说明书一个或多类实施例的目的是提供一种微小位移与姿态的读取方法，可以减小链路中噪声对微小位移与姿态的影响，获得低时延和线性相位的位移信息。
4.为解决上述技术问题，本说明书一个或多类实施例是这样实现的：
5.第一方面，提供了一种微小位移与姿态的读取方法，采用微小位移与姿态的测量系统执行以下步骤：获取电极板与测试质量块之间的当前差分电容；将所述当前差分电容转换为当前电压；基于位移到电压的增益系数和所述当前电压获得所述测试质量块的当前位移和当前姿态。
6.第二方面，提出了一种存储介质，用于计算机可读存储，所述存储介质存储有一个或者多类程序，所述一个或者多类程序可被一个或者多类处理器执行时，实现上述微小位移与姿态的读取方法。
7.由以上本说明书一个或多类实施例提供的技术方案可见，本发明实施例提供的微小位移与姿态的读取方法，采用微小位移与姿态的测量系统执行以下步骤：获取电极板与测试质量块之间的当前差分电容；将当前差分电容转换为当前电压；基于位移到电压的增益系数和当前电压获得测试质量块的当前位移和当前姿态。本发明提供的微小位移与姿态的读取方法能够减小链路中的噪声对微小位移与姿态的影响，同时具有低时延、线性相位等特点。本读取方法能够有效地提升微小位移和姿态的测量精度，可以达到纳米级的测量精度。
附图说明
8.为了更清楚地说明本说明书一个或多类实施例或现有技术中的技术方案，下面将对一个或多类实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下
面描述中的附图仅仅是本说明书中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
9.图1是根据本发明实施例提供微小位移与姿态的读取方法的流程示意图；
10.图2是根据本发明实施例提供的微小位移与姿态的读取方法采用的微小位移与姿态的测量系统示意图；
11.图3是根据本发明实施例提供的微小位移与姿态的读取方法中测试质量块的当前位移和当前姿态的测量原理示意图；
12.图4是根据本发明实施例提供的微小位移与姿态的读取方法中设计fir滤波器的设计工具示意图；
13.图5是根据本发明实施例提供的微小位移与姿态的读取方法中设计的fir滤波器频率响应一示意图；
14.图6是根据本发明实施例提供的微小位移与姿态的读取方法中设计的fir滤波器频率响应二示意图；
15.图7根据本发明实施例提供的微小位移与姿态的读取方法中标定位移到电压的增益系数示意图；
16.图8是本发明实施例提供的微小位移与姿态的读取方法中获得测试质量块的当前位移示意图；
17.图9是根据本发明实施例提供的微小位移与姿态的读取方法中获得测试质量块的当前姿态示意图。
具体实施方式
18.为了使本技术领域的人员更好地理解本说明书中的技术方案，下面将结合本说明书一个或多类实施例中的附图，对本说明书一个或多类实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的一个或多类实施例仅仅是本说明书一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书中的一个或多类实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本文件的保护范围。
19.本发明实施例提供的一种微小位移与姿态的读取方法，可以减小链路中噪声对微小位移与姿态的影响，获得低时延和线性相位的位移信息。下面将详细地描述本说明书提供的微小位移与姿态的读取方法及其各个步骤。
20.实施例一
21.参照图1所示，为本发明实施例提供的一种微小位移与姿态的读取方法，采用微小位移与姿态的测量系统读取微小位移与姿态。该微小位移与姿态的读取方法，包括以下步骤：
22.s10：获取电极板与测试质量块之间的当前差分电容；
23.采用微小位移与姿态的测量系统获取电极板与测试质量块之间的当前差分电容，基于当前差分电容等到对应的当前电压，由位移到电压的增益系数和当前电压获得测试质量块的当前位移和当前姿态。本发明能够减小链路中的噪声对微小位移与姿态的影响，同时具有低时延、线性相位等特点。
24.s20：将当前差分电容转换为当前电压；
25.将当前差分电容转换为当前电压的方式可以采用前端模拟电路将该当前差分电容转换为电压模拟信号，经过模数转换、过滤后得到当前电压。
26.s30：基于位移到电压的增益系数和当前电压获得测试质量块的当前位移和当前姿态。
27.最后再根据位移到电压的增益系数和当前电压获得测试质量块的当前位移和当前姿态。
28.以自由度x方向为例，测试质量块的当前位移和当前姿态与当前差分电容δc之间的关系为：
[0029][0030]
其中，c
l
和cr分别表示x方向上左侧电极板和右侧电极板的电容值，εr为相对真空的介电常数；ε0为真空中的介电常数；a为电极板的有效面积，d0为当测试质量块处于电极板的中心位置时，测试质量块与电极板之间的间隙距离，x为测试质量块的移动距离，当x＜＜du时，进行泰勒展开：
[0031][0032]
忽略高阶小量后，化简为：
[0033][0034]
测试质量块沿某自由度的位移为公式(4)，其中xr和x
l
为该自由度的左侧电极板和右侧极板测量的位移量。
[0035][0036]
当偏转角度θ趋近0时，测试质量块的姿态角度θ为：
[0037][0038]
其中l为相邻电极板的中心点之间的距离。
[0039]
基于电容传感的工作特点，本发明的目的是提供一种微小位移与姿态的读取方法，以解决当前读取方法噪声大、时延高、相位非线性等缺点，能够有效地减少噪声的干扰，提高位移读取的精度，同时能够有效减小时延的影响，避免了相位噪声，减小对位移数据后续使用的影响。
[0040]
可选地，本发明实施例提供的微小位移与姿态的读取方法，获取电极板与测试质量块之间的当前差分电容之前，还包括：搭建微小位移与姿态的测量系统；标定位移到电压
的增益系数。
[0041]
如图2所示，微小位移与姿态的测量系统包括敏感结构和电容传感电路模块，所述敏感结构包括测试质量块和电极板。电容传感电路模块包括前端模拟电路和数字信号处理电路。六足平台包括六自由度微位移移动平台和控制器。测试质量块固定在悬挂结构；电极板以绝缘方式固定在六自由度微位移移动平台上；控制器与微位移移动平台相连，用于控制六自由度微位移移动平台的移动；前端模拟电路的输入端连接到电极板，用于将由位移产生的当前差分电容信号转换为当前电压模拟信号a；数字信号处理电路基于电压模拟信号a输出离散电压信号b；然后再进行数字滤波处理，并将处理后的滤波电压信号d上传至上位机；上位机接收数字信号处理电路的滤波电压信号d进行处理后得到当前电压，最后基于当前电压对测试结构的位移和姿态进行实时显示。
[0042]
可选地，本发明实施例提供的微小位移与姿态的读取方法，搭建微小位移与姿态的测量系统，具体包括：将测试质量块和电极板分别设置至六自由度微位移移动平台上，其中电极板与六自由度微位移移动平台相互绝缘；设置电容表读取测试质量块和电极板之间的差分电容，电容表读取电极板与测试质量块之间的差分电容δc用于后续标定电容到电压的增益系数。将前端模拟电路的输入端连接电极板，获得差分电容对应的电压模拟信号；控制器控制六自由度微位移移动平台移动。如图2所示，测试质量块固定在悬挂结构上，电极板以绝缘方式固定在六自由度微位移移动平台上；控制器控制六自由度微位移移动平台移动；前端模拟电路的输入端连接电极板，用于将由六自由度微位移移动平台移动位移产生的差分电容信号转换为当前电压模拟信号a。
[0043]
可选地，本发明实施例提供的微小位移与姿态的读取方法，获取电极板与测试质量块之间的差分电容之前，还包括：同一自由度上的两侧至少设置两片电极板；调整测试质量块位于电极板的中心位置，并且测试质量块所在同一自由度上的平面与电极板平行，测试质量块可以是长方体，长方体具有的6个平面分别在x、y、z三个自由度上设置的电极板平行，电极板是一个平面薄片，保证六自由度微位移移动平台移动时与测试质量块之间没有相对移动。同一自由度上的两侧设置两片电极板的目的是为了获取测试质量块的当前姿态。
[0044]
可选地，本发明实施例提供的微小位移与姿态的读取方法，将差分电容转换为当前电压，具体包括：采用前端模拟电路获得当前差分电容对应的电压模拟信号；经过模数转换后得到离散电压信号；对离散电压信号进行滤波处理，得到滤波电压信号；基于正参考电压和负参考电压将滤波电压信号转换为当前电压。这里的正参考电压和负参考电压是模数转换芯片需要的参考电压，可以为
±
2.5v。
[0045]
前端模拟电路具有δ-ε模数转换器，实现前端模拟电路输出的电压模拟信号b，经过模数转换后输出离散电压信号c。
[0046]
采集到的离散电压信号c由数字信号处理电路进行滤波处理，由于要求获得的当前电压信号具备低时延和线性相位等特点，故采用fir滤波器。设置fir滤波器的参数，生成相对应的fir数字滤波器。由数字信号处理电路处理后的滤波电压信号d，上传至上位机，上位机根据公式(7)进行转换，得出当前电压v。其中v
ref+
和v
ref-为负参考电压和正参考电压，l为离散电压信号的长度。
[0047][0048]
可选地，本发明实施例提供的微小位移与姿态的读取方法，标定位移到电压的增益系数，具体包括：控制六自由度微位移移动平台等间隔移动多个位置点，并记录位置点对应的差分电容和电压信号；基于位置点、差分电容和电压信号分别获得位移到电容的增益系数，电容到电压的增益系数；基于位移到电容的增益系数和电容到电压的增益系数获得位移到电压的增益系数。
[0049]
控制器调整六自由度微位移移动平台，使测试质量块处于电极板的中心位置，并保证测试质量块所在平面与电极板保持平行。在六自由度微位移移动平台的移动范围内沿x方向，等间隔选取m个点，所取m值大于等于10。控制六自由度微位移移动平台沿x方向移动到第一个位移点x1处，通过电容表记录当前电容c
x1
，并记录当前前端模拟电路输出至上位机得到当前电压v
x1
。重复上述步骤，直到六自由度微位移移动平台移动到第m个位移处，记录电容cm，当前电压信号v
xm
。得到电容到电压的增益系数g
cv
，计算位移至电容增益g
xc
，得出位移到电压的增益系数g。
[0050]
g＝g
xc
·gcv
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0051]
可选地，本发明实施例提供的微小位移与姿态的读取方法，基于位移到电压的增益系数和当前电压获得测试质量块的当前位移和当前姿态，具体包括：根据位移到电压的增益系数和电极板对应的当前电压确定电极板的测量位移；基于同一自由度下电极板的测量位移确定测试质量块在该自由度下的当前位移和当前姿态。根据公式(8)计算电极板i的移动位移。
[0052]
xi＝vi/g
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0053]
最后根据公式(4)和公式(5)，计算质量块的当前位移和当前姿态。
[0054]
可选地，本发明实施例提供的微小位移与姿态的读取方法，基于位移到电压的增益系数和当前电压获得测试质量块的当前位移和当前姿态之后，还包括：采用上位机实时显示当前位移和当前姿态。
[0055]
可选地，本发明实施例提供的微小位移与姿态的读取方法，在获取电极板与测试质量块之间的差分电容之前，还包括：基于微小位移与姿态的测量系统的要求确定数字滤波器的设计参数，包括采样频率、通带与阻带截止频率、数字滤波器窗型、抽头数；基于设计参数设计fir滤波器。
[0056]
本发明实施例提供的微小位移与姿态的读取方法能够滤除测量链路中的高频噪声，同时采用的fir数字滤波器能够有效地降低信号处理而产生的时延。fir数字滤波器具有线性相位的特点，并且本发明实施例提供的微小位移与姿态的读取方法具有一定的通用性，可广泛应用于各类微小位移与姿态的读取。
[0057]
实施例
[0058]
本发明实施例提供的微小位移与姿态的读取方法中，六自由度微位移移动平台可以采用pi公司的h825型号；控制器可以采用pi公司的c-887型号；电容表可以采用ah2700电容电桥。
[0059]
由图3可知，当测试质量块处于电极板的中心位置时，根据同一自由度上两侧两片
电极板的读取数值，由公式(4)和公式(5)能够读取测试质量块在该自由度下的位移与姿态。
[0060]
由图4、图5和图6所示，通过使用matlab工具箱，根据微小位移与姿态的测量系统设计的采样频率、通带与阻带截止频率、数字滤波器窗型以及抽头数等信息设计数字滤波器。同时，设计的数字滤波器的幅度响应和相位响应如图5和图6所示。
[0061]
由图7至图9所示，表示了本发明实施例提供的微小位移和姿态的读取方法的增益标定结果、当前位移读取及当前姿态读取，可知读取精度已经达到纳米级位移测量。
[0062]
具体读取方法的流程以x方向为例，图3中的竖直中心线为x方向，包括以下步骤：
[0063]
步骤1：进行数字滤波器的设计，考虑到要求低时延和线性相位等特点，故采用fir滤波器。采用窗函数方法设计数字滤波器，窗函数采用blackman-harris窗，该窗幅值识别精度最高，其时域表达式如公式(9)所示。
[0064][0065]
设计数字滤波器参数包括采样频率fs＝10hz，通带截止频率ω
pass
＝0.5hz，阻带截止频率ω
stop
＝3hz，阶数为n＝8，通带最大允许衰减a
p
＝0.0017db及阻带最小允许衰减as＝74db。
[0066]
步骤2：根据设计的参数，使用matlab工具箱，生成数字滤波器。
[0067]
步骤3：标定由位移到电压的增益系数。通过控制器调整六自由度微位移移动平台，使测试质量块处于电极板的中心位置，并保证测试质量块所在平面与电极板保持平行。在六自由度微位移移动平台的移动范围内，等间隔选取m个点，所取m值为10，步长为0.1um。
[0068]
步骤4：控制六自由度微位移移动平台沿x方向移动到第一个位移点x1处，通过电容表记录当前电容c
x1
，并记录上位机输出的电压信号v
x1
。
[0069]
步骤5：重复步骤4，直到六自由度微位移移动平台移动到第m个位移处，记录电容cm，电压信号v
xm
。得到电容到电压的增益系数g
cv
，计算位移至电容增益g
xc
，根据公式(6)得出位移到电压的增益系数g＝1v/mm。
[0070]
步骤6：由数字信号处理电路处理后的滤波电压信号d，上传至上位机，上位机根据公式(7)进行转换，得出当前电压v。
[0071]
步骤7：根据公式(8)计算电极板i的位移。
[0072]
步骤8：根据公式(4)和公式(5)，计算测试质量块的当前位移和当前姿态，并实时显示在上位机。
[0073]
通过以上分析可以看出，本发明实施例提供的微小位移与姿态的读取方法，采用微小位移与姿态的测量系统，获取电极板与测试质量块之间的当前差分电容；将当前差分电容转换为当前电压；基于位移到电压的增益系数和当前电压获得测试质量块的当前位移和当前姿态。本发明提供的微小位移与姿态的读取方法能够减小链路中的噪声对微小位移与姿态的影响，同时具有低时延、线性相位等特点。本读取方法能够有效地提升微小位移和姿态的测量精度，可以达到纳米级的测量精度。
[0074]
实施例三
[0075]
本发明实施例提供一种存储介质，用于计算机可读存储，所述存储介质存储有一
个或者多类程序，所述一个或者多类程序可被一个或者多类处理器执行时，实现如根据上文所述的微小位移与姿态的读取方法。该微小位移与姿态的读取方法，包括以下步骤：
[0076]
s10：获取电极板与测试质量块之间的当前差分电容；
[0077]
采用微小位移与姿态的测量系统获取电极板与测试质量块之间的当前差分电容，基于当前差分电容等到对应的当前电压，由位移到电压的增益系数和当前电压获得测试质量块的当前位移和当前姿态。本发明能够减小链路中的噪声对微小位移与姿态的影响，同时具有低时延、线性相位等特点。
[0078]
s20：将当前差分电容转换为当前电压；
[0079]
将当前差分电容转换为当前电压的方式可以采用前端模拟电路将该当前差分电容转换为电压模拟信号，经过模数转换、过滤后得到当前电压。
[0080]
s30：基于位移到电压的增益系数和当前电压获得测试质量块的当前位移和当前姿态。
[0081]
最后再根据位移到电压的增益系数和当前电压获得测试质量块的当前位移和当前姿态。
[0082]
通过以上分析可以看出，本发明实施例提供的微小位移与姿态的读取方法，采用微小位移与姿态的测量系统获取电极板与测试质量块之间的当前差分电容；将当前差分电容转换为当前电压；基于位移到电压的增益系数和当前电压获得测试质量块的当前位移和当前姿态。本发明提供的微小位移与姿态的读取方法能够减小链路中的噪声对微小位移与姿态的影响，同时具有低时延、线性相位等特点。本读取方法能够有效地提升微小位移和姿态的测量精度，可以达到纳米级的测量精度。
[0083]
总之，以上所述仅为本说明书的较佳实施例而已，并非用于限定本说明书的保护范围。凡在本说明书的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书的保护范围之内。
[0084]
上述一个或多类实施例阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。一种典型的实现设备为计算机。具体的，计算机例如可以为个人计算机、膝上型计算机、蜂窝电话、相机电话、智能电话、个人数字助理、媒体播放器、导航设备、电子邮件设备、游戏控制台、平板计算机、可穿戴设备或者这些设备中的任何设备的组合。
[0085]
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0086]
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
[0087]
上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来
执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

技术特征：
1.一种微小位移与姿态的读取方法，其特征在于，采用微小位移与姿态的测量系统执行以下步骤：获取电极板与测试质量块之间的当前差分电容；将所述当前差分电容转换为当前电压；基于位移到电压的增益系数和所述当前电压获得所述测试质量块的当前位移和当前姿态。2.根据权利要求1所述的微小位移与姿态的读取方法，其特征在于，基于获取电极板与测试质量块之间的当前差分电容之前，所述方法，还包括：搭建所述微小位移与姿态的测量系统；标定所述位移到电压的增益系数。3.根据权利要求2所述的微小位移与姿态的读取方法，其特征在于，搭建所述微小位移与姿态的测量系统，具体包括：将测试质量块和电极板分别设置至所述六自由度微位移移动平台上，其中所述电极板与所述六自由度微位移移动平台相互绝缘；设置电容表读取所述测试质量块和所述电极板之间的差分电容；将前端模拟电路的输入端连接所述电极板，获得所述差分电容对应的电压模拟信号；控制器控制六自由度微位移移动平台移动。4.根据权利要求3所述的微小位移与姿态的读取方法，其特征在于，获取电极板与测试质量块之间的差分电容之前，所述方法，还包括：同一自由度上的两侧至少设置两片所述电极板；调整所述测试质量块位于所述电极板的中心位置，并且所述测试质量块所在所述同一自由度上的平面与所述电极板平行。5.根据权利要求3所述的微小位移与姿态的读取方法，其特征在于，将所述差分电容转换为当前电压，具体包括：采用前端模拟电路获得所述当前差分电容对应的电压模拟信号；经过模数转换后得到离散电压信号；对所述离散电压信号进行滤波处理，得到滤波电压数字信号；基于正参考电压和负参考电压将所述滤波电压信号转换为所述当前电压。6.根据权利要求2所述的微小位移与姿态的读取方法，其特征在于，标定所述位移到电压的增益系数，具体包括：控制所述六自由度微位移移动平台等间隔移动多个位置点，并记录所述位置点对应的差分电容和电压信号；基于所述位置点、所述差分电容和所述电压信号分别获得位移到电容的增益系数，电容到电压的增益系数；基于所述位移到电容的增益系数和所述电容到电压的增益系数获得所述位移到电压的增益系数。7.根据权利要求1至6中任一项所述的微小位移与姿态的读取方法，其特征在于，基于位移到电压的增益系数和所述当前电压获得所述测试质量块的当前位移和当前姿态，具体包括：
根据位移到电压的增益系数和所述电极板对应的当前电压确定所述电极板的测量位移；基于同一自由度下所述电极板的测量位移确定所述测试质量块在该自由度下的当前位移和当前姿态。8.根据权利要求7所述的微小位移与姿态的读取方法，其特征在于，基于位移到电压的增益系数和所述当前电压获得所述测试质量块的当前位移和当前姿态之后，所述方法，还包括：采用上位机实时显示所述当前位移和当前姿态。9.根据权利要求7所述的微小位移与姿态的读取系方法，其特征在于，获取电极板与测试质量块之间的差分电容之前，所述方法，还包括：确定数字滤波器的设计参数，包括采样频率、通带与阻带截止频率、数字滤波器窗型、抽头数；基于所述设计参数设计fir滤波器。10.一种存储介质，其特征在于，用于计算机可读存储，所述存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行时，实现如根据权利要求1至9中任一项所述的微小位移与姿态的读取方法。

技术总结
本申请涉及电容传感技术领域，具体为一种微小位移与姿态的读取方法及存储介质。该微小位移与姿态的读取方法采用微小位移与姿态的测量系统执行以下步骤：获取电极板与测试质量块之间的当前差分电容；将所述当前差分电容转换为当前电压；基于位移到电压的增益系数和所述当前电压获得所述测试质量块的当前位移和当前姿态，可以减小链路中噪声对微小位移与姿态的影响，获得低时延和线性相位的位移信息。获得低时延和线性相位的位移信息。获得低时延和线性相位的位移信息。


技术研发人员：薛科 于涛 汪龙祺 王智 隋延林 陈泳锟 陈禹竺 刘鑫
受保护的技术使用者：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
技术研发日：2023.06.21
技术公布日：2023/9/16