一种位移传感器、位移检测方法及位移检测系统与流程

1.本技术涉及传感器技术领域，尤其涉及一种位移传感器、位移检测方法及位移检测系统。


背景技术：

2.对于需要小范围探测位移的场景，比如相机镜头防抖、产线对准定位等场景，需要探测物体位移，以确保物体的位置适当。
3.现有技术中，通常通过位移传感器来探测物体的位移。但位移传感器通常为包括lc谐振器的传感器或光学位移传感器等，位移传感器的结构复杂，制备难度较大。


技术实现要素：

4.本技术实施例提供了一种位移传感器、位移检测方法及位移检测系统，用以简化位移传感器的结构以及制备难度。
5.本技术实施例提供的一种位移传感器，位移传感器包括：第一基板，位于第一基板一侧的谐振器，以及位于第一基板背离谐振器一侧的电磁场生成部件；
6.谐振器包括至少两个同心导体环；导体环具有一个开口；
7.谐振器用于承载待测物体且与待测物体的位置相对固定，并在平行于第一基板所在平面的表面滑动。
8.在一些实施例中，电磁场生成部包括共面波导。
9.在一些实施例中，共面波导包括：中心导体带，以及两个导体面；两个导体面在第一方向上分别位于中心导体带两侧，导体面与中心导体带之间具有间隙；中心导体带沿第二方向延伸，第一方向与第二方向交叉。
10.在一些实施例中，至少两个导体环的开口之间的连线与第二方向平行、且穿过导体环的中心。
11.在一些实施例中，不同导体环的开口位于导体环的中心的不同侧。
12.在一些实施例中，在第二方向上，最外侧的导体环的外径小于或等于中心导体带的长度。
13.在一些实施例中，在第一方向上，最内层导体环的内径大于中心导体带的宽度。
14.在一些实施例中，在第一方向上，最外层导体环的内径等于中心导体带的宽度，导体环的宽度等于导体面与中心导体带之间的距离。
15.在一些实施例中，导体环围成的图案的形状为圆形。
16.在一些实施例中，导体环围成的图案的形状为多边形。
17.在一些实施例中，导体环围成的图案的形状为正方形。
18.在一些实施例中，还包括：与中心导体带电连接的第一信号线，与导体面电连接的地电位线，以及与导体环电连接的第二信号线。
19.本技术实施例提供的一种位移传感器的位移检测方法，方法包括：
20.控制位移传感器中的谐振器与电磁场生成部件之间产生电磁谐振，并确定谐振器的初始位置坐标；其中，谐振器的位置坐标对应的坐标系所在平面与位移传感器的第一基板所在平面平行；
21.当谐振器承载待测物体移动后，确定谐振器的谐振频率以及正向传输系数的绝对值；
22.根据谐振频率、正向传输系数的绝对值以及预设的谐振频率、正向传输系数的绝对值以及谐振器位置坐标之间的关系，确定谐振器的当前位置坐标；
23.根据谐振器的当前位置坐标以及初始位置坐标，确定谐振器的位移量。
24.在一些实施例中，确定谐振器的初始位置坐标，具体包括：
25.确定谐振器在初始位置的谐振频率和正向传输系数的绝对值；
26.根据谐振器在初始位置的谐振频率和正向传输系数的绝对值以及预设的谐振频率、正向传输系数的绝对值以及谐振器位置坐标之间的关系，确定初始位置坐标。
27.本技术实施例提供的一种位移检测系统，包括本技术实施例提供的位移传感器，以及探测器件；探测器件用于确定开口谐振器的谐振频率以及正向传输系数的绝对值。
28.在一些实施例中，还包括：驱动模块，用于控制位移传感器中的谐振器与电磁场生成部件之间产生电磁谐振；还用于根据探测器件检测的谐振频率、正向传输系数的绝对值以及预设的谐振频率、正向传输系数的绝对值以及谐振器位置坐标之间的关系，确定谐振器的当前位置坐标，根据当前位置坐标以及初始位置坐标，确定谐振器的位移量。
29.本技术实施例提供的位移传感器、位移检测方法及位移检测系统，谐振器包括至少两个同心导体环，且导体环具有一个开口，即谐振器为开口谐振环。电磁场生成部件用于产生交变电磁场，与开口谐振环产生电磁谐振。当谐振器承载待测物体并移动，电磁谐振的谐振频率以及正向传输系数的绝对值(s21值)均会发生变化。从而可以通过探测谐振频率以及s21值实现对谐振器的位移的探测。即本技术通过结构简单的器件便可以实现对待测物体的位移探测，简化了位移传感器的结构以及制备难度。
附图说明
30.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
31.图1为本技术实施例提供的一种位移传感器的结构示意图；
32.图2为本技术实施例提供的沿图1中aa’的截面图；
33.图3为本技术实施例提供的图1所示的位移传感器的仿真结果图；
34.图4为本技术实施例提供的另一种位移传感器的结构示意图；
35.图5为本技术实施例提供的图4所示的位移传感器的仿真结果图；
36.图6为本技术实施例提供的又一种位移传感器的结构示意图；
37.图7为本技术实施例提供的图6所示的位移传感器的仿真结果图；
38.图8为本技术实施例提供的又一种位移传感器的结构示意图；
39.图9为本技术实施例提供的图8所示的位移传感器的仿真结果图；
40.图10为本技术实施例提供的又一种位移传感器的结构示意图；
41.图11为本技术实施例提供的图10所示的位移传感器的仿真结果图；
42.图12为本技术实施例提供的又一种位移传感器的结构示意图；
43.图13为本技术实施例提供的图12所示的位移传感器的仿真结果图；
44.图14为本技术实施例提供的一种位移检测方法的流程示意图。
具体实施方式
45.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例的附图，对本技术实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。并且在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于所描述的本技术的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
46.除非另外定义，本技术使用的技术术语或者科学术语应当为本技术所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本技术中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
47.需要注意的是，附图中各图形的尺寸和形状不反映真实比例，目的只是示意说明本技术内容。并且自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。
48.本技术实施例提供了一种位移传感器，如图1、图2所示，位移传感器包括：第一基板1，位于第一基板1一侧的谐振器2，以及位于第一基板1背离谐振器2一侧的电磁场生成部件3；
49.谐振器2包括至少两个同心导体环4；导体环4具有一个开口5；
50.谐振器2用于承载待测物体6且与待测物体的位置相对固定，并在平行于第一基板1所在平面的表面滑动。
51.本技术实施例提供的位移传感器中，谐振器包括至少两个同心导体环，且导体环具有一个开口，即谐振器为开口谐振环(split-ring resonator，srr)。电磁场生成部件用于产生交变电磁场，与srr产生电磁谐振。当谐振器承载待测物体并移动，电磁谐振的谐振频率以及正向传输系数的绝对值(s21值)均会发生变化。从而可以通过探测谐振频率以及s21值实现对谐振器的位移的探测。即本技术通过结构简单的器件便可以实现对待测物体的位移探测，简化了位移传感器的结构以及制备难度。
52.需要说明的是，图1中箭头上半部分代表srr位于初始位置的示意图，箭头下半部分代表srr发生位移后的示意图。图2为沿图1中aa’的截面图。图2中还示意出了待测物体6。待测物体6置于谐振器2背离第一基板1的一侧。
53.需要说明的是，可以是待测物体与谐振器之间不固定连接。或者，也可以是，待测物体与谐振器之间固定连接，此种情况，对于不同待测物体的位移检测，需要随待测物体更换srr。
54.在具体实施时，可以是如图2所示，谐振器2与第一基板1直接接触。或者谐振器可以与第一基板之间具有一定的距离。例如，谐振器与第一基板之间还可以设置其他膜层。
55.本技术实施例提供的位移传感器可以应用于需要小范围探测位移的场景，比如相机镜头防抖、产线对准定位等。例如，用户手持相机摄像时，用户手抖导致摄像有重影模糊。如果要避免抖动，就需要镜头位置相对恒定，想要确定镜头相对于机身位置，便可以将镜头作为待测物体利用位移传感器确定镜头的位移信息。或者，在产线传送物料，例如，将玻璃片从上一工序传送到当前工序，需要将玻璃片放置到设备固定位置进行工序处理。物料传送过程中不可避免会有抖动等情况，可以将物料作为待测物体，在对物料进行处理之前，利用位移传感器确定物料由于抖动产生的位移并根据位移对物料的位置进行微调，确保位置适当。
56.在一些实施例中，如图1、图2所示，电磁场生成部件3包括共面波导7(coplanar waveguide，cpw)。
57.在一些实施例中，如图1、图2所示，共面波导7包括：中心导体带8，以及两个导体面9；两个导体面9在第一方向y上分别位于中心导体带8两侧，导体面9与中心导体带8之间具有间隙；中心导体带8沿第二方向x延伸，第一方向y与第二方向x交叉。如图1所示，第一方向y与第二方向x垂直。
58.需要说明的是，cpw产生的磁场在srr的上下两半方向相反，分别可在srr中产生感应电流。当srr的中心与中心导体带的中心重合时，穿过srr的磁场刚好相互抵消，电磁波可以传播。当srr从中心导体带的中心向cpw边缘移动时，穿过srr磁场有一个方向的净值，在srr中产生感应电流，从而对电磁波传播产生阻碍，形成谐振频点。随着srr位移的变化，电磁谐振的谐振频率和s21值均有变化。通过探测谐振频率和s21值，可以实现对srr的位移探测。
59.在具体实施时，当启动本技术实施例提供的位移传感器，需要使得导体面接地，并向中心导体带以及谐振器提供信号。
60.在一些实施例中，传感器件还包括：与中心导体带电连接的第一信号线，与导体面电连接的地电位线，以及与导体环电连接的第二信号线。即导体面接地、通过第一信号线向中心导体带提供第一信号、通过第二信号线向谐振器提供第二信号，以使cpw与谐振器产生电磁谐振。
61.在一些实施例中，如图1所示，至少两个导体环4的开口5之间的连线与第二方向x平行、且穿过导体环4的中心。
62.需要说明的是，可以认为当导体环的中心与中心导体带的中心重合时，谐振器位于初始位置。如图1所示，中心导体带的中心为b点，如图1中箭头上半部分所示，该状态下导体环未发生移动，导体环的中心也位于b点。而如图1中箭头下半部分所示，srr发生移动后，导体环的中心与b点不再重合。
63.在一些实施例中，如图1所示，谐振器2包括两个导体环4；两个导体环4的开口5之间的连线与第二方向x平行、且穿过导体环4的中心。
64.在一些实施例中，如图1所示，不同导体环4的开口5位于导体环4的中心的不同侧。如图1所示，当谐振器2包括两个导体环4时，两个导体环4的开口5分别位于导体环4的中心的两侧。即两个导体环的开口相互反向放置。
65.在一些实施例中，如图1所示，不同导体环4的开口5在第一方向y的宽度h1相等。
66.在一些实施例中，如图1所示，导体环4以及开口5所在区域的轮廓的形状与导体环4以及开口5所在区域围成的图案的形状相似，且导体环4以及开口5所在区域的轮廓的图案的中心与导体环4以及开口5所在区域围成的图案的中心重合；不同导体环4的宽度h2相等。即导体环为宽度均匀的环形。
67.需要说明的是，图1所示的位移传感器的仿真结果如图3所示，其中，不同曲线代表的srr的位移不同，横坐标代表谐振频率，纵坐标代表s21值，不同的m对应的坐标代表srr发生位移后的位置坐标。根据仿真结果可以看出，图1所示的位移传感器，随着位移的变化，谐振频率与s21值均发生变化。即本技术实施例提供的位移传感器，通过探测谐振频率和s21值，可以实现对srr的位移探测，进而可以实现对srr承载的待测物体的位移的探测。
68.在一些实施例中，在第二方向上，最外层的导体环的外径小于或等于中心导体带的长度。
69.图1中，以在第二方向x上最外层的导体环4的外径h5小于中心导体带8的长度h6为例进行举例说明。
70.在一些实施例中，如图1所示，在第一方向y上，最内层导体环4的内径h4大于中心导体带的宽度h3。
71.或者，在一些实施例中，如图4所示，在第一方向y上，最外层导体环4的内径h7等于中心导体带的宽度h3，导体环4的宽度h2等于导体面9与中心导体带8之间的距离。
72.需要说明的是，图4所示的位移传感器的仿真结果如图5所示。图1、图4所示的位移传感器，cpw各部分的尺寸相同，srr的形状相同，但srr的尺寸不同。根据仿真结果可以看出，图1、图4所示的位移传感器，随着位移的变化，谐振频率与s21值均发生变化。即改变srr尺寸，仍可以实现对位移的探测。从而可以通过减小srr尺寸，来降低位移传感器的制作成本。
73.在具体实施时，可以根据实际需要选择合适的srr尺寸。例如可以根据待测物体的尺寸、移动空间的尺寸选择合适的srr尺寸。
74.在一些实施例中，如图1、图4所示，导体环4及开口5所在区域围成的图案的形状为多边形。
75.在一些实施例中，如图1、图4所示，导体环4及开口5所在区域围成的图案的形状为正方形。
76.本技术实施例提供的位移传感器，导体环及开口所在区域围成的图案的形状为正方形，即srr的图案简单，容易制备，可以降低位移传感器的制备难度。
77.或者，在一些实施例中，如图6所示，导体环4及开口5所在区域围成的图案的形状为长方形。图6所示的位移传感器的仿真结果如图7所示，图7所示的位移传感器，随着位移的变化，谐振频率与s21值均发生变化。也就是说，改变srr的形状，仍可以实现对位移的探测。
78.图1、图4、图6以导体环4及开口5所在区域围成的图案的形状为四边形为例进行举例说明，当然，在具体实施时，导体环4及开口5所在区域围成的图案的形状为更多边的多边形。
79.在一些实施例中，如图8所示，导体环4及开口5所在区域围成的图案的形状为六边
形。图8所示的位移传感器的仿真结果如图9所示，图9所示的位移传感器，随着位移的变化，谐振频率与s21值均发生变化。也就是说，改变srr的形状为六边形，仍可以实现对位移的探测。
80.或者，在一些实施例中，如图10所示，导体环4及开口5所在区域围成的图案的形状为八边形。图10所示的位移传感器的仿真结果如图11所示，图11所示的位移传感器，随着位移的变化，谐振频率与s21值均发生变化。也就是说，改变srr的形状为八边形，仍可以实现对位移的探测。
81.或者，在一些实施例中，如图12所示，导体环4及开口5所在区域围成的图案的形状为圆形。图12所示的位移传感器的仿真结果如图13所示，图13所示的位移传感器，随着位移的变化，谐振频率与s21值均发生变化。也就是说，改变srr的形状为圆形，仍可以实现对位移的探测。
82.当然，在具体实施时，导体环以及开口所在区域围成的图案也可以为其他形状。只要能满足当谐振器承载待测物体移动时，电磁谐振的谐振频率以及s21值均会发生变化即可。
83.在具体实施时，导体环以及开口所在区域围成的图案的形状也可以根据待测物体的形状或者谐振器移动空间进行具体设置。
84.需要说明的是，图8、图10、图12以在第一方向y上最外层导体环的内径等于中心导体带的宽度为例进行举例说明。当然，在满足随着位移的变化谐振频率与s21值均发生变化的情况下，也可以改变srr的尺寸。
85.基于同一发明构思，本技术实施例还提供了一种位移传感器的位移检测方法，如图14所示，包括：
86.s101、控制位移传感器中的谐振器与电磁场生成部件之间产生电磁谐振，并确定谐振器的初始位置坐标；其中，谐振器的位置坐标对应的坐标系所在平面与位移传感器的第一基板所在平面平行；
87.s102、当谐振器承载待测物体移动后，确定谐振器的谐振频率以及正向传输系数的绝对值；
88.s103、根据谐振频率、正向传输系数的绝对值以及预设的谐振频率、正向传输系数的绝对值以及谐振器位置坐标之间的关系，确定谐振器的当前位置坐标；
89.s104、根据谐振器的当前位置坐标以及初始位置坐标，确定谐振器的位移量。
90.本技术实施例提供的位移传感器的位移检测方法，当谐振器承载待测物体移动后，通过确定谐振器的谐振频率以及正向传输系数的绝对值，根据谐振频率、正向传输系数的绝对值以及预设的谐振频率、正向传输系数以及谐振器位置坐标之间的关系，确定谐振器的当前位置坐标，以实现对谐振器的位移的检测。检测方法简单，便于操作。
91.对于待测物体与谐振器不固定连接的情况，在一些实施例中，控制位移传感器中的谐振器与电磁场生成部件之间产生电磁谐振，并确定谐振器的初始位置坐标之后，还包括：
92.将待测物体置于谐振器背离第一基板一侧。
93.在具体实施时，可以对位移传感器进行仿真或对位移传感器进行测试，得到该位移传感器对应的谐振频率、s21值以及谐振器位置坐标之间的关系，作为预设的谐振频率、
s21值以及谐振器位置坐标之间的关系。
94.在具体实施时，例如，以中心导体带的中心b点作为谐振器的位置坐标对应的坐标系的原点。即可以以b点为原点构建谐振频率、s21值以及谐振器位置坐标之间的关系。
95.在具体实施时可以构建谐振频率、s21值以及谐振器位置坐标之间的平面坐标图，以谐振频率和s21值分别为坐标轴，平面坐标图上的点对应于srr的位置坐标。通过测量srr发生位移后的谐振频率和s21值，将其于平面坐标图进行对照，获得对应的位置坐标，根据当前位置坐标与初始位置坐标，即可获得srr的位移大小。例如，当谐振器的中心与b点重合时，认为谐振器处于初始位置，初始位置的位置坐标为(0,0)，此时谐振器的位移为零。当srr发生移动后，测得的谐振频率为a1、正向传输系数为b1时，平面坐标图上对应的srr位置坐标为(x1,y1)。便可以根据(x1,y1)与初始位置的位置坐标为(0,0)确定srr的位移，进而确定待测物体的位移。此种情况，只需要记录初始位置的位置坐标为(0,0)而无需对srr位于初始位置时的谐振频率及s21值进行检测。
96.或者，在具体实施时，srr的初始位置的位置可能不在(0,0)。为了提高位移检测的准确度，在一些实施例中，确定谐振器的初始位置坐标，具体包括：
97.确定谐振器在初始位置的谐振频率和正向传输系数的绝对值；
98.根据谐振器在初始位置的谐振频率和正向传输系数的绝对值以及预设的谐振频率、正向传输系数的绝对值以及谐振器位置坐标之间的关系，确定初始位置坐标。
99.基于同一发明构思，本技术实施例还提供了一种位移检测系统，包括本技术实施例提供的上述位移传感器，以及探测器件；探测器件用于确定开口谐振器的谐振频率以及正向传输系数的绝对值。
100.在具体实施时，探测器件可以是无线探测器件。或者，探测器件也可以与srr电连接。
101.在一些实施例中，探测器件为矢量网格分析仪。
102.在一些实施例中，还包括：驱动模块，用于控制位移传感器中的谐振器与电磁场生成部件之间产生电磁谐振；还用于根据探测器件检测的谐振频率、正向传输系数、以及预设的谐振频率、正向传输系数以及谐振器位置坐标之间的关系，确定谐振器的当前位置坐标，根据当前位置坐标以及初始位置坐标，确定谐振器的位移量。
103.在一些实施例中，驱动模块还用于存储预设的谐振频率、正向传输系数的绝对值以及谐振器位置坐标之间的关系。
104.综上所述，本技术实施例提供的位移传感器、位移检测方法及位移检测系统，谐振器包括至少两个同心导体环，且导体环具有一个开口，即谐振器为开口谐振环。电磁场生成部件用于产生交变电磁场，与开口谐振环产生电磁谐振。当谐振器承载待测物体并移动，电磁谐振的谐振频率以及正向传输系数的绝对值(s21值)均会发生变化。从而可以通过探测谐振频率以及s21值实现对谐振器的位移的探测。即本技术通过结构简单的器件便可以实现对待测物体的位移探测，简化了位移传感器的结构以及制备难度。
105.尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
106.显然，本领域的技术人员可以对本技术进行各种改动和变型而不脱离本技术的精
神和范围。这样，倘若本技术的这些修改和变型属于本技术权利要求及其等同技术的范围之内，则本技术也意图包含这些改动和变型在内。