專利名稱：一種數(shù)字激勵電容式傳感器測量儀的制作方法
專利說明
一、技術(shù)領(lǐng)域本實用新型涉及一種電容式傳感器測量儀，特別涉及一種數(shù)字激勵電容式傳感器測量儀。
二背景技術(shù)：
電容式傳感器構(gòu)成的測量儀表廣泛用于壓力、差壓、物位、位移等工業(yè)參數(shù)的測量。它是將非電量的物理量變化轉(zhuǎn)變成電容量的變化，通過激勵電路，將電容量變化轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)后續(xù)電路處理，用于顯示或控制被測參數(shù)。現(xiàn)有的電容傳感器測量儀表是將電容變化轉(zhuǎn)換成直流電壓信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送給單片機。通常將電容傳感器的電容量變化轉(zhuǎn)換成電壓的方式從原理上講有兩種。
一種是由振蕩電路產(chǎn)生一幅度、頻率穩(wěn)定的正弦波，利用電容對交流信號的阻抗為1/ωC，即阻抗隨電容量的變化而變化的原理，通過一RC串聯(lián)電路，在電阻兩端取得一與電容量變化成正比的交流電壓，再經(jīng)過整流、濾波，使其成為后續(xù)電路所需的直流電壓。這種激勵電路的缺點主要有兩點一是要求正弦波的頻率和幅度必須非常穩(wěn)定；二是必須使用二極管整流，將交流變成直流。要使正弦波的頻率和幅度非常穩(wěn)定，電路成本高，且無法根本解決電路的溫度、時間漂移問題。整流二極管的正向壓降隨溫度變化極為敏感，它直接與輸出信號電壓串聯(lián)，使得這種激勵電路的溫度特性極差，即便加入溫度補償電路，但由于元件參數(shù)的離散性，實際中很難得到好的效果。這是目前應(yīng)用最為普遍的激勵電路。
另外一種激勵電路是利用電容在充電時，電容兩端的電壓Uc＝It/C(I為充電電流；t為充電時間；C為電容容量)的原理，即當(dāng)電容充電時兩端的電壓與充電電流、時間成正比，與電容量成反比。如果保持充電電流和時間不變，電容兩端的電壓只與電容量有關(guān)，即Uc與電容量成反比。這種電路使用一脈沖方波控制對電容充、放電。由于充放電控制元件本身的通/斷電阻(模擬開關(guān))隨溫度有變化，穩(wěn)定充電電壓的穩(wěn)壓管也會有溫度、時間漂移現(xiàn)象，所以也不能從根本上解決激勵電路的溫度、時間漂移問題。
現(xiàn)在的測量儀表和控制設(shè)備大多都采用計算機(單片機)處理，所以必須將傳感器激勵電路輸出的模擬信號首先經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后才可送入計算機。
本實用新型的另一特點是時基芯片IC1、IC2為555時基芯片；高壓側(cè)電容HC和低壓側(cè)電容LC的公共引線接地；由傳感器電容決定輸出頻率的脈沖信號直接與單片機的計數(shù)輸入端相聯(lián)接；利用電容式傳感器的電容，作為決定脈沖發(fā)生器輸出頻率的RC定時電容，以此構(gòu)成的電容傳感器激勵電路。
由于本實用新型將電容傳感器的電容作為脈沖發(fā)生電路的定時電容，電阻為脈沖發(fā)生器的定時電阻，一起構(gòu)成RC定時電路，確定輸出脈沖的頻率。當(dāng)傳感器的電容發(fā)生變化時，線性地改變了脈沖發(fā)生電路的輸出頻率，實現(xiàn)了將傳感器的電容量變化直接轉(zhuǎn)換為輸出脈沖頻率的變化。本實用新型的信號產(chǎn)生與處理全部由數(shù)字電路構(gòu)成，其中沒有受溫度、濕度、電源電壓波動、時間等影響輸出的元件，因此從根本上消除了影響儀表輸出不穩(wěn)定的因素。
參見

圖1，圖中的IC1、IC2為555時基芯片(低功耗可選7555)。HC和LC分別是電容差壓傳感器的高壓側(cè)電容和低壓側(cè)電容。高壓側(cè)電容HC和低壓側(cè)電容LC通過傳感器2引出的3根線與555時基芯片IC1和IC2的P2端相連。高壓側(cè)電容HC和低壓側(cè)電容LC的公共引線為接地端，555時基芯片的P2端與P6端接通。電阻R1、R2(R3、R4)為脈沖發(fā)生器的定時電阻，與電容HC(LC)一起構(gòu)成RC定時電路，確定輸出脈沖的頻率。電阻R1、R2(R3、R4)串聯(lián)，兩端分別接555時基芯片的P4端和P2端，電阻R1、R2(R3、R4)中間點接555時基芯片的P7端，555時基芯片的P4與P8相連接工作電源1；555時基芯片的P1端接地；P3為輸出端接單片機的計數(shù)輸入端。
傳感器2的兩個電容(HC、LC)分別作為兩個555電路構(gòu)成的多諧振蕩器中的定時電容。當(dāng)電阻R1、R2(R3、R4)選定之后，555時基芯片輸出的脈沖頻率只與電容HC(LC)有關(guān)。555時基芯片輸出的頻率與定時電容C和電阻R1、R2的關(guān)系如下式所示
f＝1.43/[(R1+R2)C]當(dāng)傳感器2輸入的差壓變化時，如高壓側(cè)壓力大于低壓側(cè)壓力，則HC容量減小，LC容量增大。這時IC1輸出頻率f1增大，IC2輸出頻率f2降低；如果高壓側(cè)壓力低于低壓側(cè)壓力，則HC容量增大，LC容量減小，這時IC1輸出頻率f1降低，IC2輸出頻率f2增大。兩個振蕩器輸出頻率之差為Δf＝f1-f2，輸入的差壓為ΔP＝Ph-P1(高壓側(cè)壓力減低亞側(cè)壓力)，可見ΔP絕對值越大，Δf的絕對值越大。ΔP為正，Δf為正；ΔP為負(fù)，Δf為負(fù)。所以Δf既可反映差壓的大小，也可反映差壓的方向。
兩路脈沖信號直接輸入到單片機的定時/計數(shù)端(T0、T1)，單片機定時(采樣周期)讀入計數(shù)器的值，通過做減法，即可得到與被測值相對應(yīng)的數(shù)字量信號。需要電流信號輸出時，可通過D/A轉(zhuǎn)換電路和V/I轉(zhuǎn)換電路輸出標(biāo)準(zhǔn)電流信號。數(shù)字通信電路可采用常用的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)電路，實現(xiàn)數(shù)字信號的輸出和對儀表的調(diào)校、管理等。
對于智能型變送器的電子電路部分，采用現(xiàn)有的傳感器激勵電路則必須有A/D轉(zhuǎn)換電路。采用本實用新型，則可直接由單片機采樣，節(jié)約了昂貴的A/D芯片。單就傳感器激勵電路來說，本實用新型的材料成本也遠(yuǎn)較正弦波激勵電路低。單片機采樣兩路頻率信號作減法后得到測量信號，對于由環(huán)境、電源等原因引起的脈沖頻率變化，兩路相減后即可抵消，保證了儀表的溫度特性和長期穩(wěn)定性。
權(quán)利要求1.一種數(shù)字激勵電容式傳感器測量儀，包括工作電源[1]、傳感器[2]、時基芯片IC1和IC2，時基芯片IC1和IC2分別與工作電源[1]和傳感器[2]相聯(lián)接，其特征在于所說的傳感器[2]包括差動的高壓側(cè)電容HC和低壓側(cè)電容LC，高壓側(cè)電容HC和低壓側(cè)電容LC分別通過導(dǎo)線與時基芯片IC1和IC2的P2相聯(lián)接，時基芯片的P2與P6相聯(lián)通，在時基芯片IC1、IC2的P2、P4之間分別設(shè)置有串聯(lián)的定時電阻R1和R2、R3和R4，定時電阻R1和R2、R3和R4中間點接時基芯片IC1和IC2的P7，時基芯片IC1和IC2的P4和P8分別與工作電源[1]相聯(lián)接，時基芯片IC1和IC2的P1接地。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字激勵電容式傳感器測量儀，其特征在于所說的時基芯片IC1、IC2為555時基芯片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字激勵電容式傳感器測量儀，其特征在于所說的高壓側(cè)電容HC和低壓側(cè)電容LC的公共引線接地。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字激勵電容式傳感器測量儀，其特征在于由傳感器電容決定輸出頻率的脈沖信號直接與單片機[3]的計數(shù)輸入端相聯(lián)接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字激勵電容式傳感器測量儀，其特征在于利用電容式傳感器的電容，作為決定脈沖發(fā)生器輸出頻率的RC定時電容，構(gòu)成了電容傳感器激勵電路。
專利摘要本實用新型公開了一種數(shù)字激勵電容式傳感器測量儀，將電容傳感器的電容作為脈沖發(fā)生電路的定時電容，電阻為脈沖發(fā)生器的定時電阻，一起構(gòu)成RC定時電路，確定輸出脈沖的頻率。當(dāng)傳感器的電容發(fā)生變化時，線性地改變了脈沖發(fā)生電路的輸出頻率，實現(xiàn)了將傳感器的電容量變化直接轉(zhuǎn)換為輸出脈沖頻率的變化。本實用新型的信號產(chǎn)生與處理全部由數(shù)字電路構(gòu)成，其中沒有受溫度、濕度、電源電壓波動、時間等影響輸出的元件，因此從根本上消除了影響儀表輸出不穩(wěn)定的因素。
文檔編號G01D5/24GK2556595SQ0226195
公開日2003年6月18日 申請日期2002年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月15日
發(fā)明者鄭自修, 張化軍 申請人:西安華星電子有限公司