專利名稱：電容檢測電路及電容式壓力變送器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及工業(yè)控制領(lǐng)域，尤其涉及一種應(yīng)用于工業(yè)過程控制的電容式壓力變送器，特別是有關(guān)于壓力變送器前端測量電路的改進。
背景技術(shù)：
電容式壓力變送器在工業(yè)過程控制中有著廣泛的應(yīng)用。對于電容式壓力變送器，其前端電路即為電容檢測電路。電容檢測的基本電路有兩類其一是把電容作為一個阻抗元件，按照電阻-電壓轉(zhuǎn)換的方式進行變換，但其中電源必須采用交流電源；其二是充分利用電容的充放電特性進行變換。
目前，在電容式壓力變送器中大多采用電容-電壓轉(zhuǎn)換的方法來設(shè)置電容檢測電路，因此需要設(shè)計振蕩電路以提供交流電源。然而，該頻率一般為幾千赫茲，并且，頻率過高會使寄生電容的影響過大，過低則不利于比較各容抗間的差別。因此，采用電容-電壓轉(zhuǎn)換原理設(shè)計的電容檢測電路具有電路復(fù)雜、龐大的特點，對電容式壓力變送器的小型化十分不利，同時也給電路的溫漂補償、非線性補償帶來了很大的不便。
在公告號為CN 1188678C的中國專利中公開了一種直接數(shù)字化的壓力變送器及其測量方法，它采用電容式壓力傳感器和CB555多諧振蕩器完成將外界壓力變化信號轉(zhuǎn)換為電容變化值，并將電容變化值轉(zhuǎn)換為振蕩頻率信號，以便后續(xù)的單片機進行計算和轉(zhuǎn)換。本專利利用了電容充放電特性進行電容測量。但是，由于本專利采用兩個CB555多諧振蕩器分別對兩邊電容進行采樣，因此造成結(jié)構(gòu)上復(fù)雜的后果，從而提高成本。另外，兩個CB555多諧振蕩器存在個體差異，由此影響了測量精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種電容檢測電路及電容式壓力變送器，以解決現(xiàn)有技術(shù)中由于現(xiàn)有的電容式壓力變送器中采用兩個CB555多諧振蕩器來進行前端電容測量，由此造成成本高且測量精度受影響的技術(shù)問題。
為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種電容檢測電路，包括電容式壓力傳感器、多路開關(guān)和電容頻率轉(zhuǎn)換電路，其中電容式壓力傳感器，用于將外界壓力變化信號轉(zhuǎn)換為電容變化值；多路開關(guān)其輸入端連接電容式壓力傳感器，其輸出端連接電容頻率轉(zhuǎn)換電路，用于對電容式壓力傳感器的兩側(cè)電容進行切換；電容頻率轉(zhuǎn)換電路其為一自激振蕩電路，用于對多路開關(guān)輸出的被測電容信號轉(zhuǎn)換成頻率信號。
所述被測電容與滯回比較器相連，以構(gòu)成自激振蕩電路，所述振蕩頻率的大小體現(xiàn)被測電容的大小。本發(fā)明還可以通過運放構(gòu)建自激振蕩電路，所述被測電容的變化轉(zhuǎn)換成頻率變化輸出。
本發(fā)明還提供了一種電容式壓力變送器，包括電容檢測電路、單片機、存儲器、輸入設(shè)備和顯示單元，其中電容檢測電路包括電容式壓力傳感器用于將外界壓力變化信號轉(zhuǎn)換為電容變化值；多路開關(guān)其輸入端連接電容式壓力傳感器，其輸出端連接電容頻率轉(zhuǎn)換電路，用于對電容式壓力傳感器的兩側(cè)電容進行切換；電容頻率轉(zhuǎn)換電路其為一自激振蕩電路，用于對多路開關(guān)輸出的被測電容信號轉(zhuǎn)換成頻率信號；單片機用于多路開關(guān)的控制以及接收電容頻率轉(zhuǎn)換電路送出的頻率信號，并對其進行計算和轉(zhuǎn)換；存儲器用于存儲單片機產(chǎn)生的計算結(jié)果數(shù)據(jù)；輸入設(shè)備用于調(diào)整量程和輸入測量參數(shù)；顯示單元用于輸出測量結(jié)果及所述參數(shù)設(shè)置的顯示。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點采用多路開關(guān)，用同一個方波自激振蕩器進行分時采樣，充分利用了電容的充放電特性，將電容的變化體現(xiàn)在電路振蕩頻率的變化上，無需另外設(shè)計振蕩電路，無需交流電源，只需直流電源，從而簡化了測量電路，也避免了交流干擾的引入。另外，本發(fā)明還可以提高比較器部分運放的速度和減小積分環(huán)節(jié)中電阻的大小都可以進一步提高測量電路的測量精度。該電路的原理也決定了比較容易實現(xiàn)非線性及溫漂等的補償。


圖1是本發(fā)明的電容檢測電路的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明電容頻率轉(zhuǎn)換電路的一個實施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明圖2電容頻率轉(zhuǎn)換電路的一個應(yīng)用例結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明電容式壓力變送器的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖，具體說明本發(fā)明。
本發(fā)明的核心在于壓力變送器的前端檢測電路通過多路開關(guān)切換，再利用自激振蕩器對兩側(cè)電容的分時采樣，得到頻率值，由此保證兩側(cè)的轉(zhuǎn)換使用相同的振蕩電路，進而簡化了電路，從而避免了因采用兩個CB555組成的壓力測量多諧振蕩電路的個體差異而影響測量精度的問題。
請參見圖1，為本發(fā)明電容檢測電路的原理框圖，包括電容式壓力傳感器11、多路開關(guān)12、及電容頻率轉(zhuǎn)換電路13三個部分。其中，電容式壓力傳感器11包括高壓側(cè)測壓電容C1和低壓側(cè)測壓電容C2。利用多路開關(guān)12進行切換及以及利用電容頻率轉(zhuǎn)換電路13實現(xiàn)分時采樣，并將采樣值C經(jīng)過轉(zhuǎn)換成頻率信號。其中
電容式壓力傳感器11，用于將外界壓力變化信號轉(zhuǎn)換為電容變化值；多路開關(guān)12其輸入端連接電容式壓力傳感器11，其輸出端連接電容頻率轉(zhuǎn)換電路13，用于對電容式壓力傳感器的兩側(cè)電容進行切換。其多路開關(guān)12的切換可以由單片機控制，也可以由特定的定時裝置來控制。
電容頻率轉(zhuǎn)換電路13其為一自激振蕩電路，用于對多路開關(guān)輸出的被側(cè)電容信號轉(zhuǎn)換成頻率信號。電容頻率轉(zhuǎn)換電路13可以通過被測電容與滯回比較器相連來構(gòu)成自激振蕩電路，所述振蕩頻率的大小體現(xiàn)被測電容的大小。本發(fā)明正是由于電容的大小決定了充放電時間的大小，進而決定了比較器輸出波形的頻率大小，由此電容檢測電路輸出波形的頻率體現(xiàn)了被測電容的大小，后續(xù)電路只需對該頻率值進行采樣即可獲得其頻率值。本發(fā)明還可以通過運放來構(gòu)建自激振蕩電路，所述被測電容的變化轉(zhuǎn)換成頻率變化輸出。
圖2是圖1中的第三個部分即電容頻率轉(zhuǎn)換電路13部分的采用運放來構(gòu)建自激振蕩電路的一個實施例的詳細闡述。
如圖2所示，它包括運放1，被測電容2，積分電阻R，分壓電阻R1，電阻R2，反饋電阻R3。運放1輸出電壓經(jīng)RC電路(變化電容2、電阻R)積分后送入運放1的反相輸入端；運放1輸出電壓經(jīng)反饋電阻R3進入同相端，同時VCC經(jīng)R1也加到同相輸入端。
運放1的輸出Vout高電平為VCC，低電平為0。則運放1翻轉(zhuǎn)時的輸入端比較電壓為u1=R2R2+R1//R3VCC,]]>u2=R3//R2R3//R2+R1VCC.]]>由電容的充放電規(guī)律uc(t)＝uc(∞)+[uc(O)-uc(∞)]e-t/τ可知
R2R2+R1//R3VCC=VCC+(R3//R2R3//R2+R1VCC-VCC)e-T/2RC]]>由此得到T=2RCln(R3+R2R3)]]>輸出的振蕩頻率f為1/T。在R2、R3、R一定時，頻率由電容C決定。圖3為圖2的電容頻率轉(zhuǎn)換電路的一個應(yīng)用例結(jié)構(gòu)示意圖。假設(shè)取R1＝R2＝R3。則比較電壓為u1=23VCC,u2=13VCC]]>當(dāng)輸出電壓為VCC時，V+=23VCC,]]>V-從 至 充電，充電時間τ＝RC；當(dāng)V-超過 時，輸出電壓翻轉(zhuǎn)至GND，V+=13VCC,]]>V- 至 放電。
由此可知，T＝2RC·ln2所以f=12RCln2.]]>由上可知該測量電路的測量精度由運放的速度和積分電阻大小決定。根據(jù)對某種膜盒的測量，其電容變化范圍為150pf-400pf，當(dāng)R＝100k時，假設(shè)充電時間與放電時間相等時，經(jīng)過計算頻率輸出范圍為3.6×10E7～9.6×10E7。如果后面的測量精度可達到1Hz的精度，則可分辨至4.17E-6pf。
另外，根據(jù)上式可得，該轉(zhuǎn)換頻率值僅與R和C有關(guān)系，其中R選用100K，是很常見的精密電阻，實現(xiàn)起來成本較低。而C值只與膜盒有關(guān)。另外，該溫漂值與也僅與R和C有關(guān)，R的溫漂可以通過選用低溫漂的精密電阻實現(xiàn)，而膜盒的溫漂還可以通過軟件補償實現(xiàn)。
上述公開的電容檢測電路可應(yīng)用于很多電容式壓力變送器。以下就以一個電容式壓力變送器為例，來說明采用上述電容檢測電路的電容式壓力變送器。請參閱圖4，其為本發(fā)明的一種電容式壓力變送器的結(jié)構(gòu)示意圖。它包括電容檢測電路20、單片機21、存儲器22、輸入設(shè)備23和顯示單元24，其中電容檢測電路20采用圖1公開的電容檢測電路，可以將被測電容與滯回比較器相連，以構(gòu)成自激振蕩電路，所述振蕩頻率的大小體現(xiàn)被測電容的大小。另外，也可以通過運放構(gòu)建自激振蕩電路，所述被測電容的變化轉(zhuǎn)換成頻率變化輸出，比如采用如圖2或圖3所公開的電容頻率轉(zhuǎn)換電路。
單片機21用于接收電容頻率轉(zhuǎn)換電路21送出的頻率信號，并對其進行計算和轉(zhuǎn)換。單片機可以采用89C51，對電容頻率轉(zhuǎn)換電路21送出的不同頻率方波利用89C51中的T0計數(shù)器進行計數(shù)，再利用89C51中T1作為定時器，進行計算和轉(zhuǎn)換。本發(fā)明的單片機21的型號并非局限于89C51，可以采用現(xiàn)有技術(shù)中的多種單片機，89C51僅為本發(fā)明電容式壓力變送器的舉例說明。
存儲器22用于存儲單片機21產(chǎn)生的計算結(jié)果數(shù)據(jù)。
輸入設(shè)備23用于調(diào)整量程和輸入測量參數(shù)。為了進一步提高測量精度，本發(fā)明還可以使用外部輸入設(shè)備(如鍵盤)來進行量程遷移，完成量程的設(shè)置與操作。
顯示單元24用于輸出測量結(jié)果及所述參數(shù)設(shè)置的顯示。顯示單元24一方面可用來顯示量程范圍、被測壓力參數(shù)，另一方面，當(dāng)系統(tǒng)工作在量程設(shè)置工作狀態(tài)時，可用來顯示壓力變送器的工作狀態(tài)和量程。
單片機的運行可以采用以下流程。
首先初始化系統(tǒng)，循環(huán)等待用戶通過鍵盤輸入信息；隨后根據(jù)接收到的信息判斷當(dāng)前操作是測量還是參數(shù)設(shè)定，如果是測量，則通過控制多路開關(guān)輪流對電容式壓力傳感器的兩側(cè)電容的電容值進行脈沖頻率測量，計算電容式壓力傳感器的兩側(cè)電容對應(yīng)的頻率后，進行插值計算，求得被測壓力值。其插值計算的過程是當(dāng)被測電容的脈沖上升沿來臨時，T0開始計數(shù)，同時T1定時開始。當(dāng)T1時間到來時，T0停止計數(shù)，然后讀取計數(shù)器記錄的時鐘脈沖，求得t時間內(nèi)所記錄的脈沖個數(shù)N，得到被測電容對應(yīng)的頻率，通過控制多路開關(guān)輪流切換將得到電容式壓力傳器的兩側(cè)電容對應(yīng)的頻率，再根據(jù)標(biāo)度變換公式求出壓力值，該壓力值可以通過顯示單元顯示出來。如果當(dāng)前用戶通過鍵盤輸入確定為參數(shù)設(shè)定操作，則先讀入給定的壓力值，然后進行脈沖頻率的測量，最后計算相應(yīng)壓力參數(shù)值，以便將其保存于存儲單元中。
以上公開的僅為本發(fā)明壓力變送器的一個實施例。事實上，壓力變送器可以根據(jù)電容檢測電路輸出的頻率信號，計算出對應(yīng)電容值，然后將計算出的C1電容值和C2電容值之間的差值，計算出差動電容的相對變化值，最后根據(jù)差動電容的相對變化值與被測差壓成線性關(guān)系統(tǒng)的特點，來得到壓力變送器的輸出值。
以上公開的僅為本發(fā)明幾個具體實施方式
，但本發(fā)明并非局限于此，任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員能思之的變化，都應(yīng)落在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種電容檢測電路，其特征在于，包括電容式壓力傳感器、多路開關(guān)和電容頻率轉(zhuǎn)換電路，其中電容式壓力傳感器用于將外界壓力變化信號轉(zhuǎn)換為電容變化值；多路開關(guān)其輸入端連接電容式壓力傳感器，其輸出端連接電容頻率轉(zhuǎn)換電路，用于對兩側(cè)電容進行切換；電容頻率轉(zhuǎn)換電路其為一自激振蕩電路，用于對多路開關(guān)輸出的被測電容信號轉(zhuǎn)換成頻率信號。
2.如權(quán)利要求1所述的電容檢測電路，其特征在于，所述被測電容與滯回比較器相連，以構(gòu)成自激振蕩電路，所述振蕩頻率的大小體現(xiàn)被測電容的大小。
3.如權(quán)利要求1所述的電容檢測電路，其特征在于，通過運放構(gòu)建自激振蕩電路，所述被測電容的變化轉(zhuǎn)換成頻率變化輸出。
4.如權(quán)利要求3所述的電容檢測電路，其特征在于，所述電容頻率轉(zhuǎn)換電路包括運放、積分電阻R、分壓電阻R1、電阻R2、電阻R3，運放的輸出電壓經(jīng)RC電路積分后送入運放的反相輸入端，其反相輸入端還連接被測電容，運放輸出電壓經(jīng)反饋電阻R3進入同相端，電源VCC作為參考電壓經(jīng)R1也加到運放同相輸入端。
5.如權(quán)利要求4所述的電容檢測電路，其特征在于，所述運放輸入的周期T=2RCln(R3+R2R3),]]>振蕩頻率f為1/T。在R2、R3、R的阻值確定時，頻率由電容C決定。
6.如權(quán)利要求4所述的電容檢測電路，其特征在于，所述電阻為精密電阻。
7.一種電容式壓力變送器，包括電容檢測電路、單片機、存儲器、輸入設(shè)備和顯示單元，其中電容檢測電路包括電容式壓力傳感器用于將外界壓力變化信號轉(zhuǎn)換為電容變化值；多路開關(guān)其輸入端連接電容式壓力傳感器，其輸出端連接電容頻率轉(zhuǎn)換電路，用于對電容式壓力傳感器的兩側(cè)電容進行切換；電容頻率轉(zhuǎn)換電路其為一自激振蕩電路，用于對多路開關(guān)輸出的被測電容信號轉(zhuǎn)換成頻率信號；單片機用于對多路開關(guān)的控制以及接收電容頻率轉(zhuǎn)換電路送出的頻率信號，并對其進行計算和轉(zhuǎn)換；存儲器用于存儲單片機產(chǎn)生的計算結(jié)果數(shù)據(jù)；輸入設(shè)備用于調(diào)整量程和輸入測量參數(shù)；顯示單元用于輸出測量結(jié)果及所述參數(shù)設(shè)置的顯示。
8.如權(quán)利要求7所述的電容式壓力變送器，其特征在于，所述被測電容與滯回比較器相連，以構(gòu)成自激振蕩電路，所述振蕩頻率的大小體現(xiàn)被測電容的大小。
9.如權(quán)利要求7所述的電容式壓力變送器，其特征在于，通過運放構(gòu)建自激振蕩電路，所述被測電容的變化轉(zhuǎn)換成頻率變化輸出。
10.如權(quán)利要求9所述的電容式壓力變送器，其特征在于，所述電容頻率轉(zhuǎn)換電路包括運放、積分電阻R、分壓電阻R1、電阻R2、電阻R3，運放的輸出電壓經(jīng)RC電路積分后送入運放的反相輸入端，其反相輸入端還連接被測電容，運放輸出電壓經(jīng)反饋電阻R3進入同相端，電源VCC作為參考電壓經(jīng)R1也加到運放同相輸入端。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種電容檢測電路，它包括電容式壓力傳感器、多路開關(guān)和電容頻率轉(zhuǎn)換電路。其中，電容式壓力傳感器用于將外界壓力變化信號轉(zhuǎn)換為電容變化值；多路開關(guān)用于對兩側(cè)電容進行切換；電容頻率轉(zhuǎn)換電路其為一自激振蕩電路，用于對多路開關(guān)輸出的被測電容信號轉(zhuǎn)換成頻率信號。本發(fā)明采用多路開關(guān)，用同一個方波自激振蕩器進行分時采樣，充分利用了電容的充放電特性，將電容的變化體現(xiàn)在電路振蕩頻率的變化上，無需另外設(shè)計振蕩電路，無需交流電源，只需直流電源，從而簡化了測量電路，也避免了交流干擾的引入。本發(fā)明還保護一種采用上述電容檢測電路的電容式壓力變送器。
文檔編號G01L9/12GK1687730SQ20051007713
公開日2005年10月26日 申請日期2005年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月14日
發(fā)明者丁云, 吳忠, 陳健 申請人:浙江中控技術(shù)股份有限公司