一种低噪声调零电路、调零方法及电容式位移传感器与流程

本发明涉及电容位移传感器信号处理，尤其是涉及一种低噪声调零电路、调零方法及电容式位移传感器。

背景技术：

1、电容位移传感器具有测量精度高、非接触测量、动态响应快等优点，被广泛应用于先进制程半导体设备、精密机床主轴振动检测、超精密加工及计量等精密测量场景。电容位移传感器通过检测探头与目标靶面之间形成电容的大小，得到两者之间的距离信息。

2、电容位移传感器工作时必须施加交流激励信号，探头对交流激励信号进行调制，将探头与目标靶面之间的位移信息转化为交流电压信号as，该交流电压信号经整流滤波后转化为直流模拟电压ds，随后由模数转换器（adc）读取直流模拟电压ds的大小，最终由微控制器（mcu）解算得到位移，如图1所示。

3、上述测量原理决定了：探头与靶面之间的位移越大，传感器输出的交流电压信号as的幅值越大。而as的噪声主要来源于信号源，且信号源的信噪比基本恒定，这意味着输出信号幅值越大、其携带的绝对噪声也越大，即位移越大，传感器的噪声越大。因此，传感器在小位移处具有较高分辨率，而在大位移处分辨率明显下降。

4、在大多数测量场景中，使用者主要关注的是目标靶面相对于探头的相对位移信息，而非绝对位移，由此产生了调零的需求。目前主流的调零方案是：模拟信号不作调零处理，直接使用adc将模拟电压转化为数字信号，再由mcu在数字域对数字信号进行减法归零输出。

5、虽然上述现有方案能够实现调零功能，但存在以下缺陷：

6、1、大位移处噪声大、分辨率低的问题无法解决。电容位移传感器输出的电压值与位移成正比，同时其噪声也随位移值增大而增大，导致大位移处分辨率下降。现有的数字域调零方法仅能使大位移处的数字输出归零，却无法降低随位移增大而增大的噪声，即无法使大位移处的噪声水平与小位移处保持一致。

7、2、有效调零范围受限，且调零位置偏置。电容位移传感器的量程有限，探头距离靶面的距离与输出的模拟电压近似成正比。由于现有方案在模拟域并不对基底信号进行抵消，当探头处于较大位移位置时进行测量，受限于运算放大器所能处理的信号幅值上限，探头输出的大幅值基底信号容易使前置放大电路接近或进入饱和，此时探头往往只能向减小位移的方向移动，难以实现调零位置两侧对称的相对位移测量。

8、因此，如何在抑制大位移处的噪声的同时，实现相对位移调零功能、扩大调零位置两侧的有效相对位移测量范围，是本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供了一种低噪声调零电路、调零方法及电容式位移传感器，通过抵消大基底信号及相关噪声，扩大了调零位置两侧对称的有效相对位移测量范围，改善了大位移处的噪声一致性和测量分辨率。

2、上述目标可以通过如下方案实现：

3、一种低噪声调零电路，包括信号源，用于产生交流激励信号；探头，与所述信号源连接，用于接收所述交流激励信号并进行调制操作，生成初始位移电压信号；数模转换器，与所述信号源连接，用于获取所述交流激励信号，并对所述交流激励信号进行数模转换分压操作，生成补偿电压信号，其中所述补偿电压信号与所述初始位移电压信号相位相反，且所述补偿电压信号的幅值及所携带的激励噪声均为所述交流激励信号的相应比例缩放，与所述初始位移电压信号中的激励噪声同源；加法器，分别与所述探头和所述数模转换器连接，用于将所述初始位移电压信号与所述补偿电压信号进行反相叠加处理，以抵消所述初始位移电压信号中与绝对位移对应的基底信号分量及携带的激励噪声，生成保留相对位移变化量的合成电压信号；前置放大电路，与所述加法器连接，用于对所述合成电压信号进行放大处理，生成放大合成信号；整流滤波电路，与所述前置放大电路连接，用于对所述放大合成信号进行整流滤波处理，生成直流模拟电压信号；模数转换器，与所述整流滤波电路连接，用于对所述直流模拟电压信号进行模数转换操作，生成数字位移信号；微控制器，分别与所述模数转换器和所述数模转换器连接，用于利用所述数字位移信号生成反馈调节指令，并将所述反馈调节指令发送至所述数模转换器以更新所述补偿电压信号，从而完成调零控制。

4、可选地，所述数模转换器为乘法型数模转换器，所述乘法型数模转换器的参考信号输入端接收所述交流激励信号，数字控制端接收所述微控制器输出的分压控制参数；或者所述数模转换器与反相放大电路组合，将所述数模转换器输出的同相缩放信号转换为与所述初始位移电压信号相位相反的补偿电压信号；所述数模转换器包括电压输出型数模转换器、数字电位器、可编程增益放大器或开关电阻阵列中的任意一种。

5、可选地，所述整流滤波电路为与所述交流激励信号同频同相的相敏整流电路，或者为同步检波器、锁相放大器或数字解调电路；所述微控制器包括数字信号处理器或现场可编程门阵列。

6、可选地，所述微控制器用于判断所述数字位移信号是否处于预设的目标中间位置区间并据此生成所述反馈调节指令，所述目标中间位置区间设置于所述模数转换器输入范围的中间位置，使得所述数字位移信号在调零完成后位于所述目标中间位置区间，并在所述目标中间位置区间两侧保留对称的有效相对位移测量范围；所述微控制器还用于在调零完成后锁定所述数模转换器的输出状态以固定所述补偿电压信号。

7、基于相同的发明构思，本发明还提供了一种低噪声调零方法，采用如上所述的调零电路，所述方法包括：获取交流激励信号，并利用所述交流激励信号进行调制操作，生成初始位移电压信号；获取所述交流激励信号，并对所述交流激励信号进行数模转换分压操作，生成补偿电压信号，其中所述补偿电压信号与所述初始位移电压信号相位相反，且所述补偿电压信号的幅值及所携带的激励噪声均为所述交流激励信号的相应比例缩放，与所述初始位移电压信号中的激励噪声同源；将所述初始位移电压信号与所述补偿电压信号进行反相叠加处理，以抵消所述初始位移电压信号中与绝对位移对应的基底信号分量及携带的激励噪声，生成保留相对位移变化量的合成电压信号；对所述合成电压信号进行信号调理操作，生成直流模拟电压信号；对所述直流模拟电压信号进行模数转换操作，生成数字位移信号；利用所述数字位移信号生成反馈调节指令，并根据所述反馈调节指令更新所述补偿电压信号，从而完成调零控制。

8、可选地，所述获取所述交流激励信号，并对所述交流激励信号进行数模转换分压操作，生成补偿电压信号，包括：将所述交流激励信号接入数模转换器的参考输入端，使所述数模转换器的输出同时包含所述交流激励信号的有效成分及对应同源激励噪声；利用所述反馈调节指令或预设的分压参数调节数模转换的分压比例，生成分压控制参数；利用所述分压控制参数对所述交流激励信号进行幅度缩放处理，并经反相处理生成与所述初始位移电压信号相位相反的补偿电压信号；其中，所述补偿电压信号的幅值及携带的激励噪声均为所述交流激励信号的相应比例缩放。

9、可选地，所述将所述初始位移电压信号与所述补偿电压信号进行叠加处理，生成合成电压信号，包括：提取所述初始位移电压信号中的基底信号分量以及所述补偿电压信号中的补偿信号分量，其中所述基底信号分量与所述补偿信号分量包含同源的激励噪声；将所述初始位移电压信号与所述补偿电压信号进行反相相加，使所述基底信号分量与所述补偿信号分量相互抵消，且所述基底信号分量与所述补偿信号分量所携带的同源激励噪声相互抵消，生成保留相对位移变化量对应载波分量及残余噪声的降噪合成信号作为合成电压信号。

10、可选地，所述利用所述数字位移信号生成反馈调节指令，并根据所述反馈调节指令更新所述补偿电压信号，包括：判断所述数字位移信号是否处于预设的目标中间位置区间，生成位置判断结果，所述目标中间位置区间设置于所述模数转换器输入范围的中间位置，并以所述目标中间位置区间的中心值为基准在两侧保留对称的相对位移测量范围；根据所述位置判断结果生成反馈调节指令；将所述反馈调节指令发送至数模转换器以更新所述补偿电压信号的幅值，使得所述数字位移信号位于所述目标中间位置区间，从而在调零位置两侧形成对称的有效相对位移测量区间。

11、可选地，所述将所述反馈调节指令发送至数模转换器以更新所述补偿电压信号的幅值，使得所述数字位移信号位于所述目标中间位置区间，之后还包括：锁定所述数模转换器的输出状态以固定所述补偿电压信号；以处于所述目标中间位置区间的所述数字位移信号作为调零基准，分别获取所述探头向远离目标靶面方向和向靠近目标靶面方向移动产生的相对位移变化量，对所述目标中间位置区间两侧对称的相对位移变化量进行测量，生成带有方向信息的相对位移测量结果。

12、基于相同的发明构思，本发明还提供了一种电容式位移传感器，采用如上所述的调零方法，包括目标靶面以及低噪声调零电路；所述目标靶面采用导电材料；所述低噪声调零电路包括信号源、探头、数模转换器、加法器、前置放大电路、整流滤波电路、模数转换器和微控制器；所述探头包括相互绝缘的测量电极和屏蔽电极，所述测量电极与所述目标靶面之间形成电容，所述屏蔽电极用于限制边缘电场扩散，使电容变化主要由所述探头与所述目标靶面之间的距离变化引起。

13、与现有技术相比，本发明具有如下优点：

14、1、本发明利用数模转换器以同一交流激励信号为参考，产生与初始位移电压信号反相的补偿电压信号，在前置放大及整流滤波之前将二者反相叠加，从而在模拟域抵消与绝对位移对应的大基底信号分量，使调零后的信号回到后级电路的中间工作范围；即使探头位于较大量程位置也不易使前置放大电路饱和，扩大了调零位置两侧对称的有效相对位移测量范围；

15、2、本发明补偿电压信号由交流激励信号经可控比例缩放而来，其幅值及所携带的激励噪声与初始位移电压信号中的基底信号分量同源，不引入额外噪声；二者反相叠加时，大基底信号所携带的相关激励噪声随之被抵消，合成信号仅保留相对位移变化量对应的载波分量及残余噪声，从而改善全量程范围内噪声水平的一致性和大位移处的测量分辨率；

16、3、本发明通过微控制器闭环调整数模转换器输入码实现自动调零，并在调零后锁定输出以固定基准，可对探头双向移动的相对位移进行带方向信息的测量；且不限于电容位移传感器，数模转换器与整流滤波电路均可采用多种等效形式实现，便于工程应用。