用于确定电容器装置介电性能的设备的制作方法
【专利摘要】用于确定电容器装置的至少一个介电性能的设备(1)，包括：用于评估从所述电容器装置(21)分接的电信号的至少一个电测量量的评估电路(6)；与所述电容器装置(21)串联的参考电容器(22)；以及至少一个交变信号发生器(3)，用于分别向所述电容器装置(21)和参考电容器(22)施加两个反相的电交变电压；布置在所述至少一个交变信号发生器(3)与所述电容器装置(21)之间的电路径中的平衡装置(4)，并且借助于该平衡装置(4)可改变所述电交变信号的至少一个参数，从而使所述评估电路(6)的输出信号在所限定的恒定条件下呈现零值；以及控制工具(7)，向所述平衡装置(4)发出电控制信号，由所述控制工具(7)可控制所述至少一个参数的变化。该设备(1)由此可以一种简单、快速、低成本并且尤其是自动的方式来实现平衡。
【专利说明】用于确定电容器装置介电性能的设备
[0001] 本申请是中国专利申请号200980140636. 3的分案申请，申请日2009年10月12 日，发明名称为，用于确定电容器装置介电性能的设备和方法。
【背景技术】
[0002] 本发明属于电测量设备领域。它涉及进行移动长条形纺织品电容性测量的设备。 通过本发明可自动平衡所述设备。
[0003] 本发明优选用于对优选具有纺织结构的长条形物（例如粗梳条、粗纱、纱线或织 物）进行电容测试。这种检查的目的例如可以是检测杂质、识别单位长度的质量变化和/ 或测量测试对象的湿度。本发明例如可在生产过程中（联机）用于纺纱机和绕线机内的清 纱器中、或在实验室测试中（脱机）用于纱线测试设备中。
[0004] 现有技术
[0005] 已知有多种设备用于检查或测试长条形纺织品测试对象，例如粗梳条、粗纱、纱线 或织物。可将这些设备的应用划分为实验室测试（脱机）和在生产过程中的测试（联机） 两类。这些设备使用不同的已知的传感器原理。本发明尤其使用其中的电容测量原理，其 中，测量电容器通常被设计成平面式平板电容器，且包括用于测试对象的通孔。测量电容器 是LC振荡器的一部分，从而可在激发LC振荡器时向测量电容器施加电交变电压。该通孔 由此受到交变电场的作用。测试对象移动通过平板电容器，且受到交变场的作用。检测平 板电容器的电输出信号。在评估电路中由输出信号确定测试对象的介电性能。由介电性能 确定测试对象的诸如单位长度质量和/或材料成分的参数）的变化。例如在GB-638, 365A 中描述了电容式纱线或纱条传感器。
[0006] 为实现不受诸如空气温度或空气湿度的外部因素的影响的精确测量，通常采用 补偿法。为此，所述设备除实际的测量电容器外，还包括参考电容器。可通过增加与所 述两个测量电容器平板平行设置的第三电容器平板来形成该参考电容器，且可将三个电 容器平板一同切换到一个电容测量电路内。在EP-0'924'513A1、W0-2006/105676A1和 W0-2007/115416A1的说明书中给出测量电路以及适用于其输出信号的评估电路的实施例。
[0007] 当在无测试材料的情况下施加交变电压时，测量电路应给出数值为零的输出信 号。由于实际电构件存在各种缺陷，实际上无法将测量电路完全设计成对称式，以在无测试 材料的情况下获得零信号。为实现对称，需使每个测量电路单独达到平衡。在制造商的生 产过程中实现对称平衡，以及可在维护期间由技术服务人员实现对称平衡。为此，通常改变 与测量电路并联的至少一个微调电容器的电容。使用适当工具进行手动调节，例如螺丝刀。 或者使用已知的激光微调方法。但无论采用哪种方式，均需打开设备进行平衡。这种手动 平衡方式费力、耗时且昂贵。
[0008] DE-10' 2005' 006' 853中公开了一种具有传感器元件的测量系统，该测量系统包括 形成第一振荡电路的导体结构。第二振荡电路与第一振荡电路耦合且包括可变构件，使得 可调节第二振荡电路的共振频率。由于两个振荡电路形成耦合系统，因而可影响由第一振 荡电路确定的共振行为，且由此使该共振行为向期望值移动。结果，可因此补偿导体结构的 电容或电感构件的偏差，该偏差可可选地发生在传感器元件的制造或安装期间。
[0009] GB-963, 258 A给出具有测量电容器的电容式清纱器，纱线移动经过该测量电容 器。施加到测量电容器的电压被分接，且用于触发纱线切割。将可变电阻器切换成与测量 电容器串联，且由此形成的串联电路的端部与AC电压发生器连接。可通过改变电阻来设定 清纱器的灵敏度。
[0010] 在US-3, 768, 006 A中给出用于对在管道中流动的油/水乳状液的含水量进行电 容测量的设备和方法。由管道外壁构成测量电容器的外部接地电极，且设置在管道中央的 元件构成内部电极。具有已知电容的参考电容器与测量电容器串联。AC电压发生器产生施 加到两个电容器的交变电压。测量参考电容器的电压，并将该电压作为对含水量的量度。通 过控制电路使填充有测量对象的测量电容器上的电压保持恒定，且该控制电路控制AC电 压发生器的输出振幅。
[0011] US-3, 684, 953 A涉及用于定量确定介电测试对象的性能（尤其是相对湿度）的一 种设备和方法。将测试对象插入测量电容器。对测量电容器施加电交变信号，该电交变信 号由与放大器串联的振荡器产生。解调从测量电容器分接的信号，并将该信号与同样被解 调且施加到测量电容器上的交变信号作比较，即形成这两个信号的商。由上述比较得到测 试对象的湿度。为保持解调器的动态范围，由测量电容器的解调输出信号来控制放大器的 放大率。通过与测量电容器并联的可变平衡电容器来实现无测试对象时的零平衡。
[0012] 由US-4, 843, 879 A已知一种用于对纺织线进行电容式质量控制的设备。该设备 包括具有测量电容器和参考电容器的双电容器装置。该双电容器装置被内置在电路中。该 电路包括一振荡器，该振荡器用于向双电容器装置的两个外部电容器电极施加两个反相的 交变电压。在振荡器与各个电极之间的每个支路中布置有信号放大器和平衡电容器。平衡 电容器用于将双电容器装置的输出信号平衡到无任何测试对象时的零值。
【发明内容】
[0013] 因此，本发明的一目的是提供无上述缺点的进行移动长条形纺织品电容性测量的 设备的平衡方法。该设备将能够以简单、快速、低成本且尤其是自动的方式来实现平衡。
[0014] 这些目的和其他目的由根据本发明的方法来实现。
[0015] 本发明基于以下想法，即在交变信号发生器与包括电容器装置的测量电路之间的 电路径中提供平衡装置，该平衡装置可由电控制信号控制，以平衡所述设备的输出信号。用 这种外部平衡装置平衡所述设备，而无需干预电容器装置本身。这使得有可能实现设备的 自动平衡。
[0016] 在本说明书中，可将术语"电容器装置"理解为具有两个体部的装置，该两个体部 可以非相似的方式由交变信号发生器的电交变信号充电，且由至少一种电介质相互隔开。 在一优选实施方式中，电容器装置与具有两个相互分开的平板的电容器有关，除去了在这 两个平板之间的空气，且将待测的移动长条形纺织品测试对象插在这两个平板之间。在本 说明书中，可将术语"电交变信号"理解为具有至少一个时变的、优选为周期性分量（AC分 量）的电压或电流信号，且可在其上另外叠加基本上随时间恒定的分量（DC偏移分量）。
[0017] 用于确定电容器装置的至少一个介电性能的设备包括至少一个用于向电容器装 置施加电交变信号的交变信号发生器。它还包括用于评估从电容器装置分接的电信号的至 少一个电测量量的评估电路。所述设备还包括设置在至少一个交变信号发生器与电容器装 置之间的电路径中的平衡装置；借助于该平衡装置可改变电交变信号的至少一个参数，从 而使评估电路的输出信号在所限定的恒定条件下呈现一特定的优选为零的数值。可采用控 制工具来向平衡装置发出电控制信号，借助于该控制工具可控制至少一个参数的变化。
[0018] 在一优选实施方式中，所述设备包括反馈装置，且电容器装置或评估电路的输出 信号借助于该反馈装置作用于控制工具。优选地将电容器装置从交变信号发生器去耦，从 而使它不对所施加的交变信号的基本频率和信号形状产生相关的影响。
[0019] 为实现平衡装置，提出了各种示例性的变体，不完全的列表如下：
[0020] ?平衡装置包括多个可被个别地或成组地起动或停用的电阻器。
[0021] ?平衡装置包括用于对电交变信号进行调幅的调制器。
[0022] ?平衡装置包括用于放大电交变信号的具有可变或可编程放大率的放大器。
[0023] ?平衡装置包括数字电位计或电可调电阻器。
[0024] ?平衡装置包括可变电容二极管。
[0025] 设备优选地包括与电容器装置串联的参考电容器。可设置至少一个交变信号发生 器，以向电容器装置或参考电容器施加两个反相的电交变电压。平衡装置可布置在交变信 号发生器与电容器装置之间的电路径中、和/或在所述至少一个交变信号发生器与参考电 容器之间的电路径中。
[0026] 设备用于对移动的诸如粗梳条、粗纱、纱线或织物的长条形纺织品测试对象进行 电容检查，且移动的测试对象可影响电容器装置。
[0027] 本发明所述的一种通过电容器装置进行移动长条形纺织品电容性测量的设备的 平衡方法，包括：至少一个用于向所述电容器装置施加电交变信号的交变信号发生器；用 于评估从所述电容器装置分接的电信号的至少一个电测量量的评估电路；以及布置在所述 至少一个交变信号发生器与包含所述电容器装置的测量电路之间的电路径中的平衡装置， 并且借助于该平衡装置可改变所述电交变信号的至少一个参数，从而使所述评估电路的输 出信号在所限定的恒定条件下呈现一特定的数值，优选为零；和可采用控制工具来向所述 平衡装置发出电控制信号，由所述控制工具可控制所述至少一个参数的变化，其中，所述没 有测试对象的电容器装置基本上不随时间而变化，由至少一个交变信号发生器产生电交变 信号，并将所述电交变信号施加到所述电容器装置；从所述电容器装置分接电输出信号，用 评估电路对从所述电容器装置分接的电信号的至少一个电测量量进行评估；在所述至少一 个交变信号发生器与所述测量电路之间的电路径中所述电交变信号的至少一个参数被平 衡装置改变，从而使所述评估电路的输出信号在所限定的恒定条件下呈现一特定的数值； 由所述控制工具通过电控制信号控制所述至少一个参数的变化，所述电控制信号受所述输 出信号的影响。
[0028] 本发明的直接优点如下：
[0029] ?第一，无需在测量电路中进行平衡。测量电路是电容式设备的最灵敏的部分，因 此对干扰和非线性格外灵敏。通过在测量电路外布置平衡装置，使本发明避免在测量电路 中的这种干扰。
[0030] ?第二，根据本发明的平衡可具有任何精确度。例如，可使用数字电位计，且可使用 具有任意尺寸分辨率的接口控制该数字电位计的电阻。
[0031] ?第三，本发明能够显著改进所有电容式传感器的信噪比，其中，迄今在这些电容 式传感器中的平衡均是通过在测量电路中的可调电容器实现的。这是因为测量电路中的可 调元件将会对测量电路产生永久性的影响。
[0032] 本发明可用于平衡所述设备。由于本发明，可使所述设备以一种简单、快速而又低 成本的方式实现平衡。无需再为平衡测量电路而打开设备。可随时进行平衡。可由设备本 身自动完成平衡，而无需操作员的任何干预。由此可随时实现平衡。可在每次使用测量电 路进行测量前、在每第10次测量前、或自动在输出信号的长期性能发生相关变化后或自动 在环境条件发生较大变化后实现平衡。这可提高测量的精确度、可靠性和再现性，且大体上 改善测量结果。
【专利附图】
【附图说明】
[0033] 参照示意图，以下对本发明作更详细的说明。
[0034] 图1是设备的方框图。
[0035] 图2-9是设备的不同实施方式的电路图。
【具体实施方式】
[0036] 图1根据简单的方框图说明本发明。设备1用于测量可被插在测量电路2中的电 容器21。诸如交变电压的电交变信号被施加到测量电路2。交变信号发生器3用于产生交 变信号。可在滤波器和/或放大级5中过滤和/或放大由交变信号发生器3产生的交变信 号。也优选地以某种方式用滤波器和/或放大级5将待测电容器21从交变信号发生器3去 耦，从而使待测电容器21不影响由交变信号发生器3产生的交变信号的参数，例如交变信 号的频率、相位和/或振幅。为简单起见，在以下图中不再显示滤波器和/或放大级5。测 量电路2优选地设置有连接在其下游并且评估测量电路2的输出信号的评估电路6。可布 置计算机作为评估电路6。评估电路6在输出线61上输出一输出信号，该输出信号作为对 待测电容器21的量度。可理解的是，可在设备1中提供另外的级。尤其有利或必要在测量 电路2与评估电路6之间布置放大器和/或混合器，为图示简单起见，未在附图中示出这些 放大器和混合器。
[0037] 根据本发明，用于平衡设备1的平衡装置4布置在交变信号发生器3与测量电路2 之间的电路径中，借助于该平衡装置4可改变电交变信号的诸如振幅的至少一个参数。在 对设备1进行平衡的期间，应确保待测电容器21和存在于设备1中的可选其它电容器不随 时间发生变化。应采用诸如温度和空气湿度的时间恒定环境条件，或应补偿各自的变化。如 果待测电容器21被布置为用于容纳测试对象的电容器（如将在下图中示出），则在电容器 中不应存在测试对象，或测试对象的电容不应随时间发生变化。向待测电容器21施加电交 变信号，以平衡设备1。平衡装置4以某种方式改变电交变信号的至少一个参数，从而使设 备1在输出线61上的输出信号呈现一特定的优选为零的数值。为此，例如可在生产之后或 在设备1的维护期间，由人手动设定平衡装置4。或者可自动设定平衡装置4。可在特别提 供的控制单元7或评估单元6中实现自动设定。图1示出从输出线61到平衡装置4的反 馈，该反馈向平衡装置4输送取决于评估单元6或测量电路1的控制信号。可通过平衡装 置4的自动设定来自动平衡设备1。由此形成闭合的反馈控制回路，其中，输出信号是要被 控制到零给定值的控制量，控制单元7被用作控制器，且控制信号是起动值。或者，可在评 估单元6的上游而非下游分接控制量。
[0038] 在图2中示出设备1的第一实施方式。设备1用于测量诸如纱线的测试对象9的 电容。为此，将测试对象9插入诸如平面式平板电容器的测量电容器21。测量电容器21与 串联的参考电容器22以及可能的另外构件（未示出）一同构成电容测量电路2。如图1所 示，评估单元6可在下游与测量电路2连接，为图示清晰起见，未在图2中以及以下图中示 出所述评估电路。
[0039] 交变信号发生器3例如可以是合成器，优选地是直接数字合成器（direct digital synthesizer, DDS)。合成器3可由数字接口 33触发。合成器3优选地包括两个输出端31 和32,用于两个基本上相同但相互相移180°的电交变信号。本领域技术人员也知道适用 于向测量电路2施加电交变信号的其它交变信号发生器，这些交变信号发生器例如从下 列器件：RC振荡器、LC振荡器、石英振荡器、具有陶瓷谐振器的振荡器、具有SAW分量（表 面声波，surface acoustic wave, SAW)的振荡器、具有逻辑单元的振荡器、合成器、锁相环 (phase-locked loop, PLL)、脉冲宽度调制器（pulse-width modulator, PWM)、触发电路。
[0040] 在图2的实施方式中，平衡装置4包括多个电阻器421，这些电阻器421相互并联， 且可由诸如高频晶体管的开关422个别地或成组地起动和停用。由此得到可变总电阻，电 压经由该总电阻从而下降，且该总电阻还取决于由合成器发出的电流。电阻器421仅可被 附连于所述两个合成器输出端的一个，或如图1中的实施方式所不，附连于合成器输出端 31和32。可由各自的数字接口 7来控制开关422。
[0041] 为自动平衡设备1，可在测量电路2的输出信号与触发开关422的数字接口 7之间 提供反馈。为平衡设备，在优选的应用中没有测试对象9插入测量电容器，且注意应尽可能 使诸如空气湿度和温度的环境条件不随时间而变化。借助于合成器3向测量电路2施加电 交变信号，且由数字接口 7以某种方式控制开关422的位置，以使测量电路2的输出信号为 零。如果情形如此，则设备1被平衡，且开关422的位置被储存和保持，以用于对测试对象 9的实际测量中。由此，数字接口 7对应于图1的控制单元7,且在闭合反馈控制回路中作 为控制器。
[0042] 在设备1的所有实施方式中都存在反馈和反馈控制的可能性，但为图示简单起 见，不再在以下图中示出。由于相同的原因，也不在图2-9中示出可选的滤波器和/或放大 级5(参见图1)。
[0043] 图3示出设备1的第二实施方式。在这种情况下，平衡装置4布置为电阻性导体。 这种电阻性导体基本上包括多个串联的电阻器431，这些电阻器431经由另外的电阻器433 可由开关432个别地或成组地起动或停用。可由适当的开关位置对设备1实现平衡，这些 开关位置就其自身而言可由数字接口 7控制。
[0044] 在根据图4的设备1的第三实施方式中，使用具有两个任意位宽输出端的差分数 模转换器441。由适当的数字接口 7控制数模转换器441。该数模转换器441产生与测量 电路2的失谐或平衡成比例的电压。用该电压在模拟混合器或乘法器442中对合成器3的 交变电压进行调制，并将这样调制的信号施加到测量电路2上。由此，可任意设定由合成器 3产生的交变电压的振幅，直到设备1被平衡为止。图4所示的两个电阻器443用于将由合 成器3提供的交变电流转换成交变电压。当合成器3已被布置为交变电压源时，这两个电 阻器443可省略。可使用两个单极数模转换器代替差分数模转换器441。
[0045] 如图5所示的设备1的第四实施方式根据电压控制放大器的原理而工作。其包括 两个用于合成器3的两个输出信号的电压控制可变放大器452 (可变增益放大器，variable gain amplifiers, VGA)。例如由数模转换器451控制可变增益放大器452的增益，而数模转 换器451就其本身而言由数字接口 7控制。可通过为合成器3的两个输出信号设定适当的 增益来平衡设备1。
[0046] 图6所示的设备1的第五实施方式与图5的实施方式类似地工作。使用具有可编 程增益的放大器462 (可编程增益放大器，programmable gain amplifiers, PGA)代替模拟 控制可变增益放大器452。由适当的数字接口 7触发放大器462。在该实施方式中可省略 数模转换器451。
[0047] 根据图7的本发明所述设备1的第六实施方式使用数字电位计或电可调电阻器 471。这些数字电位计或电可调电阻器471可经由一或两个数字接口 7触发，从而改变它们 的电阻，以使由合成器3产生的交变电流产生有目的的电压降。如果合成器3被布置为交 变电压源，则设备1可可选地被布线成分压器。
[0048] 数字电位计或电可调电阻器481也用于如图8所示的设备1的第七实施方式中， 即例如在每种情况下用于放大器482的负反馈中，且该放大器482将由合成器3产生的交 变信号在合成器3与测量电路2之间进行放大。
[0049] 在图7和8所示的实施方式中，可使用模拟电位计代替数字电位计481。操作员可 使用模拟电位计手动平衡设备1。
[0050] 在根据图9的设备1的第八实施方式中，使用可变电容二极管492构成电容分压 器。例如由具有两个输出端的差分数模转换器491供应用于控制可变电容二极管492的电 压，且该差分数模转换器491就其本身而言可由数字接口 7控制。可使用两个单极数模转 换器代替差分数模转换器491。
[0051] 可理解的是，本发明并不局限于以上所讨论的实施方式。根据对本发明的认识，本 领域技术人员将能够得到也属于本发明主题的另外的变体。这种变体例如可以是如以上所 讨论的实施方式的组合。本领域技术人员了解许多可用作设备1的平衡装置4的电构件。
[0052] 附图标记列表
[0053] 1 设备
[0054] 2 测量电路
[0055] 21 待测电容，测量电容器
[0056] 22 参考电容器
[0057] 3 交变信号发生器
[0058] 31、32交变信号发生器的输出端
[0059] 33 用于触发交变信号发生器的数字接口
[0060] 4 平衡装置
[0061] 411 数模转换器
[0062] 421 电阻器
[0063] 422 开关
[0064] 431、433 电阻器
[0065] 432 开关
[0066] 441 数模转换器
[0067] 442 乘法器
[0068] 451 数模转换器
[0069] 452 可变放大器
[0070] 462 具有可变放大率的放大器
[0071] 471 数字电位计或电可调电阻器
[0072] 481 数字电位计或电可调电阻器
[0073] 482 放大器
[0074] 491 数模转换器
[0075] 492 可变电容二极管
[0076] 5 滤波器和/或放大级
[0077] 6 评估电路
[0078] 7 控制单元
[0079] 9 测试对象
【权利要求】
1. 一种用于确定电容器装置（21)的至少一个介电性能的设备（1)，包括： 用于评估从所述电容器装置（21)分接的电信号的至少一个电测量量的评估电路（6); 与所述电容器装置（21)串联的参考电容器（22);以及 至少一个交变信号发生器（3)，用于分别向所述电容器装置（21)和参考电容器（22)施 加两个反相的电交变电压； 其特征在于： 布置在所述至少一个交变信号发生器（3)与所述电容器装置（21)之间的电路径中的 平衡装置（4)，并且借助于该平衡装置（4)可改变所述电交变信号的至少一个参数，从而使 所述评估电路￠)的输出信号在所限定的恒定条件下呈现零值；以及 控制工具（7)，向所述平衡装置（4)发出电控制信号，由所述控制工具（7)可控制所述 至少一个参数的变化。
2. 根据权利要求1所述的设备（1)，其中，所述设备（1)包括反馈装置，且所述电容器 装置（21)或所述评估电路（6)的输出信号通过所述反馈装置作用于所述控制工具（7)上。
3. 根据权利要求1所述的设备（1)，其中，将所述电容器装置（21)从所述交变信号发 生器（3)去耦，从而使所述电容器装置（21)不对所施加的交变信号的基本频率和信号形状 广生相关的影响。
4. 根据权利要求1所述的设备（1)，其中，所述平衡装置（4)包括多个可被个别地或成 组地起动和停用的电阻器（421、431、433)。
5. 根据权利要求1所述的设备（1)，其中，所述平衡装置（4)包括用于对所述电交变信 号进行调幅的调制器（442)。
6. 根据权利要求1所述的设备（1)，其中，所述平衡装置（4)包括用于放大所述电交变 信号的具有可变或可编程增益的放大器（452、462)。
7. 根据权利要求1所述的设备（1)，其中，所述平衡装置（4)包括数字电位计或电可调 电阻器（471、481)。
8. 根据权利要求1所述的设备（1)，其中，所述平衡装置（4)包括可变电容二极管 (492)。
9. 根据权利要求1所述的设备（1)，其中，所述平衡装置（4)布置在所述交变信号发生 器（3)与所述电容器装置（21)之间的所述电路径中、和/或在所述至少一个交变信号发生 器（3)与所述参考电容器（22)之间的所述电路径中。
10. 根据权利要求1-9之一所述的设备（1)使用于对诸如粗梳条、粗纱、纱线或织物的 移动的长条形纺织品测试对象（9)进行电容检查，其中，所述移动的测试对象（9)影响所述 电容装置（21)。
【文档编号】B65H63/00GK104089991SQ201410344294
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2009年10月12日 优先权日:2008年10月16日
【发明者】瑞托·格里克 申请人:乌斯特技术股份公司