專利名稱：一種電容檢測(cè)電路及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種電子電路，特別適用于工程上使用的電容式傳感器中，通過檢測(cè)其電容來測(cè)量其他物理量。
非電量電測(cè)中，以電容為敏感元件的電容式傳感器的電容檢測(cè)，大多要求將被測(cè)電容器的兩端浮地接入測(cè)量電路。但工程上需用電容法進(jìn)行物理量變換的場(chǎng)所，往往難以避免地需要將接地的被測(cè)對(duì)象作為電容的接地極，只能在傳感器中為電容設(shè)置另一極來進(jìn)行測(cè)量，這就使常用的電容測(cè)量電路不能用于這種工程測(cè)量場(chǎng)所。此外，已有測(cè)量電路的輸出函數(shù)不是關(guān)于電容量的線性函數(shù)，測(cè)量難以取得良好的線性。
本發(fā)明的任務(wù)，是提供一種被測(cè)電容一端接地，其輸出函數(shù)是被測(cè)電容量的線性函數(shù)的電容檢測(cè)電路。
本發(fā)明的電容檢測(cè)電路其特征是含有載波信號(hào)發(fā)生器1、載波式測(cè)量電路2和虛部信號(hào)分離電路3。載波信號(hào)發(fā)生器1產(chǎn)生等幅定頻的載波信號(hào)UI，輸送到載波式測(cè)量電路2的信號(hào)輸入端IN作為工作載波，被測(cè)電容CX的測(cè)量極4端接載波式測(cè)量電路2的電容器輸入端I，被測(cè)電容CX的另一極5接地，載波式測(cè)量電路2輸出由與載波信號(hào)同相的實(shí)部信號(hào)，和正比于載波信號(hào)幅度及被測(cè)電容值的虛部信號(hào)合成的復(fù)數(shù)信號(hào)UC，輸送到虛部信號(hào)分離電路3的信號(hào)輸入端X，另一與載波信號(hào)UI有特定相位關(guān)系的同頻信號(hào)UK輸送到虛部信號(hào)分離電路3的控制端K作為虛部分離參考信號(hào)；虛部信號(hào)分離電路3輸出分離得到的，反映被測(cè)電容信息的電信號(hào)UO。(參見

圖1)因此，本發(fā)明可稱之(定義)為“虛部法電容測(cè)量電路”。
本發(fā)明能適應(yīng)工程上被測(cè)電容需一極接地，及存在并聯(lián)漏電阻和/或有電容干擾的實(shí)況，并測(cè)量輸出正比于電容CX的電信號(hào)。除很好地實(shí)現(xiàn)了發(fā)明目的外。特別適合于電容式傳感器中，測(cè)量微小電容或電容增量。并能通過電容的測(cè)量檢測(cè)其他物理量。如當(dāng)被測(cè)電容CX的與測(cè)量對(duì)象相接的電極發(fā)生低頻振動(dòng)而導(dǎo)致被測(cè)電容變化時(shí)，本發(fā)明能輸出正比于該振動(dòng)引起的電容脈動(dòng)信號(hào)，從而能檢測(cè)該振動(dòng)。又如當(dāng)固定的電極4和5間的介質(zhì)變化導(dǎo)致被測(cè)電容變化時(shí)，而能檢測(cè)介質(zhì)介電系數(shù)的變化等。
根據(jù)測(cè)量環(huán)境的不同，虛部法電容測(cè)量電路可以有不同的實(shí)施方案。下面結(jié)合附圖作進(jìn)一步說明。
當(dāng)測(cè)量環(huán)境相對(duì)理想，不需考慮被測(cè)電容引線分布電容的影響，和/或被測(cè)電容的測(cè)量極不受干擾無需屏蔽的條件下，所說的載波式測(cè)量電路2，可以是一個(gè)以運(yùn)算放大器N1、反饋電阻R1及被測(cè)電容CX組成的串聯(lián)電壓負(fù)反饋放大器。來自載波信號(hào)發(fā)生器1的等幅定頻的載波信號(hào)UI接運(yùn)放N1的“+”端IN，運(yùn)放N1的負(fù)端I接被測(cè)電容CX的4端，被測(cè)電容CX的另一極5接地(見圖2A)。它的工作原理如下。其載波信號(hào)是頻率為f，大小為UI的正弦波，其輸出電壓UC為UC＝UI[1+R1/(1/jωCX)]＝UI(1+jωCX·R1)-----(1)
式(1)中的角頻率ω＝2πf。式(1)中的虛部含有被測(cè)電容CX因子。從而可藉式(1)和已知的UI及測(cè)得的UC，再用虛部信號(hào)分離電路3解算得出能表征被測(cè)電容CX的一次線性函數(shù)。
圖2A所示方案中，當(dāng)需要將運(yùn)放N1的負(fù)輸入端I到被測(cè)電容測(cè)量極4的引線延長(zhǎng)時(shí)，引線對(duì)外部器件的電容CC時(shí)常遠(yuǎn)大于被測(cè)電容CX，并且引線的電容是不穩(wěn)定的；又在某些測(cè)量結(jié)構(gòu)中，被測(cè)電容的測(cè)量極4處于有干擾的惡劣環(huán)境，為免受干擾，傳統(tǒng)的方法是將它用地電位屏蔽起來。但這種方式同樣存在著屏蔽地對(duì)測(cè)量極4的電容及其不穩(wěn)定性問題。為解決上述問題，可在圖2A所示方案基礎(chǔ)上，增加一運(yùn)算放大器N3與等電位保護(hù)極U8聯(lián)結(jié)構(gòu)成的等電位驅(qū)動(dòng)電路D；N3的正輸入端接N1的負(fù)輸入端，N3的負(fù)輸入端接其輸出端作成跟隨器，N3的輸出端接等電位保護(hù)極U8。所述等電位保護(hù)極U8是指用來將運(yùn)放N1的負(fù)輸入端I到測(cè)量極4的傳輸線包圍起來的屏蔽線和/或?qū)y(cè)量極易受外界電場(chǎng)干擾的表面罩起來的金屬套。由于N3的輸出端跟隨其輸入的電位，它能驅(qū)動(dòng)等電位保護(hù)極U8使之與其所屏蔽的傳輸線和/或測(cè)量極等電位，不存在電位差，也就不存在電容效應(yīng)。從而消除分布電容及其不穩(wěn)定性的影響，又能以極低的阻抗吸收外部的電場(chǎng)干擾。保證測(cè)量的穩(wěn)定可靠。見圖3。
又當(dāng)測(cè)量環(huán)境相對(duì)理想，被測(cè)電容不存在并聯(lián)漏電阻的影響，即被測(cè)電容的接地電極5與其測(cè)量電極4之間的絕緣漏電阻RX具有較被測(cè)電容在載波頻率下的容抗大數(shù)十倍，且RX為圖2中的反饋電阻R1的數(shù)十倍時(shí)，“虛部法電容測(cè)量電路”實(shí)施方案可采用如圖4所示的電路框圖。其特征是提供給虛部信號(hào)分離電路3的同頻參考信號(hào)UK即是載波信號(hào)發(fā)生器1提供給載波式測(cè)量電路2的等幅定頻信號(hào)UI。而等幅定頻信號(hào)UI是一個(gè)等幅的正弦波信號(hào)。它可以用等幅的對(duì)稱方波經(jīng)低通或帶通濾波獲得。方案中的虛部信號(hào)分離電路3，可是如圖4所示的一個(gè)減法器電路。該電路含有電阻器R3-R6，運(yùn)放N2，其中，R6/R5＝R4/R3＝K1，R5的一端作為虛部信號(hào)分離電路的控制輸入端K，R5的另一端接N2的負(fù)輸入端，N2的負(fù)輸入端經(jīng)R6接到其輸出端，輸出端輸出作為虛部信號(hào)分離電路3的輸出信號(hào)UO；R3的一端作為虛部信號(hào)分離電路的信號(hào)輸入端X，R3另一端接N2的正輸入端，N2的正輸入端還經(jīng)R4接地。由該減法器電路構(gòu)成的虛部信號(hào)分離電路的控制輸入端K所接的同頻參考信號(hào)UK等于UI。該電路的輸出電壓UOUO＝K1(UC-UK)＝K1(UC-UI)引入式(1)，則有＝K1[UI(1+jωCX·R1)-UI]＝K1·UI·jωCX·R1＝j(luò)ωCXR1·UI·K1-------(2)式(2)是正比于被測(cè)電容量CX的一次函數(shù)。它是將如式(1)所描述的載波式測(cè)量電路2所輸出的復(fù)數(shù)電壓的實(shí)部減去后，僅含虛部電壓的，且可表征被測(cè)電容量CX的線性函數(shù)。對(duì)式(2)的輸出進(jìn)行校準(zhǔn)標(biāo)定，便可線性地測(cè)量電容CX。
但工程上常迂到的測(cè)量環(huán)境并不理想，特別是被測(cè)量的電容CX上，易因污染而并聯(lián)有漏電阻。下方案是一個(gè)容許被測(cè)電容有并聯(lián)漏電阻(RX)的虛部法電容測(cè)量電路。圖5是其實(shí)施方案結(jié)構(gòu)框圖。
本實(shí)施方案的載波信號(hào)發(fā)生器1輸送到載波式測(cè)量電路2的等幅定頻載波信號(hào)UI是一個(gè)準(zhǔn)正弦信號(hào)(三角波)，而同頻參考信號(hào)UK是一個(gè)相對(duì)載波信號(hào)UI相位差超前或滯后90度，其幅值符合電路的邏輯電平要求的對(duì)稱方波信號(hào)。(見附圖6)當(dāng)被測(cè)電容CX上存在并聯(lián)漏電阻RX時(shí)，圖2相應(yīng)變化如圖2B。前式(1)演變?yōu)槭?3)UC＝UI[1+R1/(1/jωCX·RX)]＝UI[1+R1/(RX/(1+jωCX·RX))]＝UI[1+R1(1+jωCX·RX)/RX]＝UI(1+R1/RX+jωCX·R1)---------(3)式(3)中也只有其虛部jωCX·R1·UI是正比于被測(cè)電容CX的。而實(shí)部則是我們應(yīng)力圖剔除的部分。但前實(shí)施方案只能剔除其中的UI項(xiàng)，不能剔除因并聯(lián)漏電阻產(chǎn)生的(UI·R1/RX)項(xiàng)。故虛部信號(hào)分離電路3需相應(yīng)變化，其電路框圖如圖5。它是一個(gè)含有同相檢出電路6、反相檢出電路7和同相減反相電路8的相敏檢波電路。由載波式測(cè)量電路2輸出的信號(hào)UC接入電路6、7的信號(hào)輸入端X，載波信號(hào)發(fā)生器1輸出的與載波信號(hào)UI相位差90度的同頻參考信號(hào)UK接入電路6、7的控制端K，電路6、7的另一個(gè)信號(hào)輸入端接地。同相檢出電路6在參考信號(hào)UK的正半波控制下，將信號(hào)UC切換到其輸出端IN+，并接到同相減反相電路8的正輸入端，同相檢出電路6在參考信號(hào)UK的負(fù)半波控制下，將信號(hào)地信號(hào)切換到其輸出端IN+，并接到同相減反相電路8的正輸入端；反相檢出電路7在參考信號(hào)UK的負(fù)半波控制下，將信號(hào)UC切換到其輸出端IN-，并接到同相減反相電路8的負(fù)輸入端；反相檢出電路7在參考信號(hào)UK的正半波控制下，將信號(hào)地信號(hào)切換到其輸出端IN-，并接到同相減反相電路8的負(fù)輸入端。由于載波信號(hào)UI的相位相對(duì)同頻參考信號(hào)UK差90度，而被測(cè)電容CX所引起的虛部信號(hào)分量較UI導(dǎo)前90度，因此與UK同相。而由R1、RX引起的實(shí)部分量則與UI同相。通過上述相敏檢波電路處理后輸出的UO中，UC的實(shí)部波形無論是正半波或負(fù)半波均被處理成正負(fù)各半的波形，可被后續(xù)的低通濾波器平滑為零，而UC的虛部波形的正、負(fù)半波均被處理成全部是正的半波(當(dāng)UK相位滯后時(shí))或全部是負(fù)的半波(當(dāng)UK相位超前時(shí))，能被后續(xù)的低通濾波器平滑為正的輸出或負(fù)的輸出，從而實(shí)現(xiàn)虛部分離，并獲得正比于被測(cè)電容CX的輸出量。
圖7是上述方案的虛部信號(hào)分離電路一實(shí)施例的電路結(jié)構(gòu)。同、反相檢出器6、7用數(shù)據(jù)選擇器U如CD4053構(gòu)成。該器件有XA、XB通道，每個(gè)通道有兩個(gè)輸入端XA0、XA1和XB0、XB1，各有一個(gè)輸出端XA、XB。當(dāng)XA、XB通道的控制端KA、KB為高電平時(shí)，輸出端XA、XB分別接通其輸入端XA1、XB1；當(dāng)XA、XB通道的控制端KA、KB為0電平時(shí)，輸出端XA、XB分別接通其輸入端XA0、XB0。來自載波式測(cè)量電路的復(fù)數(shù)信號(hào)UC接XA1、XB0，而XA0、XB1接地；來自載波信號(hào)發(fā)生器的同頻參考信號(hào)UK接到控制端KA、KB。XA通道即是同相檢出電路6，XB通道即是反相檢出電路7，它們的輸出信號(hào)各自分別經(jīng)R11和R13接至由R11-R14、N4構(gòu)成的同相減反相電路8的N4的正、負(fù)輸入端。運(yùn)放N4的正輸入端還經(jīng)R12接地，運(yùn)放N4的負(fù)輸入端還經(jīng)R14接其輸出端UO。保證R11/R12＝R13/R14＝K2。所輸出的信號(hào)UO經(jīng)平滑濾波則可獲得正比于電容CX的虛部信息。本電路當(dāng)被測(cè)電容CX的電極4與接地的電極5之間存在工頻或低于載波頻率的干擾時(shí)，還具有自動(dòng)按載波的半周期時(shí)間寬度，將干擾的正、負(fù)半波均按載波半周期時(shí)間寬度切成正負(fù)對(duì)稱的等值波形，可用后續(xù)的平滑低通濾波電路抑制到接近于零。從而具有良好的抗干擾能力。
電容式濕敏傳感器就是本發(fā)明的應(yīng)用。
傳感器含有電容式濕敏探頭和與之聯(lián)合工作的傳感器電路。其特征是所說電容式濕敏探頭具有由內(nèi)、外筒套，絕緣地同心聯(lián)結(jié)安裝形成的圓柱形狀，內(nèi)、外筒套是檢測(cè)電容的兩極，其中一極為地電極，另一極為測(cè)量極。相應(yīng)介質(zhì)如空氣或其他需檢測(cè)含水率的物料充斥于電容兩極間，探頭敏感因介質(zhì)濕度變化導(dǎo)致介電常數(shù)變化而引起的檢測(cè)電容變化；所說傳感器電路含有由載波信號(hào)發(fā)生器、載波式測(cè)量電路和虛部信號(hào)分離電路構(gòu)成的“虛部法電容測(cè)量電路”，其載波式測(cè)量電路可主要是一運(yùn)算放大器，載波信號(hào)發(fā)生器輸出的頻率穩(wěn)定的載波信號(hào)輸送到該運(yùn)放的正輸入端，被測(cè)電容的地電極接地，測(cè)量極經(jīng)串接電容接運(yùn)放的負(fù)輸入端，運(yùn)放的負(fù)輸入端經(jīng)反饋電阻接運(yùn)放的輸出端，載波式測(cè)量電路輸出虛部含有正比于檢測(cè)電容值的復(fù)數(shù)信號(hào)到虛部信號(hào)分離電路，虛部信號(hào)分離電路輸出經(jīng)分離得到的僅含虛部信息的電信號(hào)到后續(xù)電路。當(dāng)有分布電容干擾時(shí)，可于探頭上增設(shè)等電位保護(hù)極，載波式測(cè)量電路上相應(yīng)增設(shè)由另運(yùn)放與等電位保護(hù)極相應(yīng)聯(lián)接構(gòu)成的等電位驅(qū)動(dòng)電路(參見圖2B、圖3)。
下面結(jié)合附圖，對(duì)兩個(gè)具體實(shí)例作進(jìn)一步說明。
圖8是一種物料水分測(cè)量傳感器的結(jié)構(gòu)。很適合用于對(duì)散裝袋裝的谷物、面粉、醫(yī)用粉狀原料及礦物粉等細(xì)粒狀物料的含水率作現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)檢測(cè)。傳感器含有帶圓柱錐頭的芯桿11、呈臺(tái)肩圓筒形的測(cè)量12極、手柄極13構(gòu)成的探針部和手柄14。芯桿、測(cè)量極、手柄極同軸線依次疊套，用高強(qiáng)度套管相互隔離絕緣地連成一體，并保持測(cè)量極12的大端端面與芯桿11的錐頭圓柱部端面間，以及手柄極小端端面與測(cè)量極臺(tái)肩端面間有相應(yīng)間距。手柄極13與手柄14連接。芯桿11、手柄極13分別經(jīng)電接點(diǎn)A1、A3接地共同成為檢測(cè)電容CX的地電極，CX的測(cè)量極12經(jīng)電接點(diǎn)A2與傳感器電路相應(yīng)連接，傳感器電路板15設(shè)置在手柄14內(nèi)部的空腔中。傳感器電路中的虛部信號(hào)分離電路采用前述圖4的結(jié)構(gòu)。
圖9所示是一種電容式濕敏多功能傳感器。能檢測(cè)空氣的含水量、溫度、相對(duì)濕度等物理量。
電容式濕敏多功能傳感器含有電容式濕敏探頭和與探頭聯(lián)合工作的傳感器電路。所述探頭有同心絕緣聯(lián)結(jié)于上、下端蓋U2、U14間的內(nèi)筒U5和外套U9，內(nèi)、外筒套U5、U9由抗腐蝕金屬材料制作，分別構(gòu)成濕敏探頭電容的測(cè)量極和地電極，內(nèi)筒U5的內(nèi)表面上還絕緣地設(shè)有等電位保護(hù)極U8，傳感器電路板U7被密封地，并以與上述電極實(shí)現(xiàn)相應(yīng)電聯(lián)結(jié)的方式裝設(shè)于內(nèi)筒U5中，上端蓋U2的中央部設(shè)有與電路板U7實(shí)現(xiàn)相應(yīng)電聯(lián)結(jié)的電纜插座U1，一與電路板有相應(yīng)電聯(lián)結(jié)的溫敏元件U12表露地裝設(shè)于探頭適當(dāng)部位，由內(nèi)筒外套構(gòu)成的環(huán)形腔道的上、下兩端有與外界連通的孔道，以便被檢介質(zhì)空氣能在上述環(huán)腔中流通。(參見附圖9)；所述傳感器電路其特征是除含有與上述電容式濕敏傳感器相應(yīng)的“虛部法電容檢測(cè)電路”外，還含有能向各電路提供正、負(fù)穩(wěn)壓電源VCC、VSS的電源電路71，單片機(jī)電路72，濾波放大減法器76，放大器77，溫度測(cè)量電路78；單片機(jī)電路72的PWM控制器輸出一個(gè)頻率f穩(wěn)定的，幅度穩(wěn)定等于VCC到地的對(duì)稱方波接到載波信號(hào)發(fā)生電路73，虛部信號(hào)分離電路75輸出的電信號(hào)UO接濾波放大減法器76，濾波放大減法器76輸出經(jīng)校準(zhǔn)標(biāo)定的信號(hào)再經(jīng)放大器77放大后的正比于空氣含水量的信號(hào)，和溫度測(cè)量電路78輸出的溫度電壓信號(hào)分別接到單片機(jī)電路72的相應(yīng)接口AD0、AD1，單片機(jī)將測(cè)得的空氣溫度量值、含水率量值和據(jù)此計(jì)算得到的空氣相對(duì)濕度、露點(diǎn)等量值以串行接口輸出數(shù)字SIO，或以DA轉(zhuǎn)換器輸出正比于空氣相對(duì)濕度的直流電壓，經(jīng)電纜插頭1的通信線與上位計(jì)算機(jī)或二次儀表通信(參見附圖10)。
圖11示出上述傳感器一實(shí)例的電路結(jié)構(gòu)。
傳感器電路經(jīng)插頭1由外部7.5-15V直流電源供電，接到電源電路71的輸入端VDD。電源電路71由正的可調(diào)穩(wěn)壓電源集成電路N4、電容器C19、C20組成正穩(wěn)壓電源VCC，其正輸入端VDD接插頭座的電源線P，地線GND接插頭座的地線G。電源電路71還含有由開關(guān)電源穩(wěn)壓器集成電路N5，電容器C21-C23、電阻R31、電感L1、二極管V1組成的負(fù)穩(wěn)壓電源VSS，其輸入端接正穩(wěn)壓電源的輸出VCC。單片機(jī)電路72由單片機(jī)D1、D2、串行通信集成電路D3、電阻R1-R5、電容C1-C9、石英晶體諧振器Z、運(yùn)放N2D構(gòu)成。D2和N2D等組成DA變換器，將單片機(jī)測(cè)量運(yùn)算得出的空氣相對(duì)濕度以100％RH對(duì)應(yīng)5V的比率輸出，供模擬儀表使用。D1、D3等構(gòu)成串行通信電路，將單片機(jī)測(cè)得的空氣溫度(℃)、含水率(g/m3)、相對(duì)濕度(％RH)、露點(diǎn)預(yù)測(cè)等信息傳輸給其他計(jì)算機(jī)。單片機(jī)電路72的PWM控制器輸出的，由其晶振分頻得到的穩(wěn)定頻率為f0＝2048-8192Hz，幅度等于VCC到地的對(duì)稱方波接到載波信號(hào)電路73的輸入電阻R8。載波信號(hào)電路73含有運(yùn)放N1B、電阻R7、R8、電容C30。運(yùn)放N1B的負(fù)輸入端接輸入電阻R8，其正輸入端接地，負(fù)輸入端還經(jīng)R7、C30并聯(lián)電路接輸出端。輸出頻率等于f0的，相位較輸入的方波滯后90度的三角波信號(hào)UI。
載波式測(cè)量電路74的載波輸入端ZB接電路73輸出的三角波信號(hào)UI，載波式測(cè)量電路74、溫度測(cè)量電路78含有運(yùn)放N0A-N0D、溫度敏感器件V2、電阻R9-R15、電容C8-C14。運(yùn)放N0的正電源腳4腳接VCC，負(fù)電源腳11腳接VSS，輸入的三角波載波信號(hào)經(jīng)電容C10接N0A的3腳和電阻R9，R9的另一端接地，NA的2腳經(jīng)R10接1腳，2腳還接到等電位驅(qū)動(dòng)器跟隨器N0B的5腳，和經(jīng)電容C12、測(cè)量極接線端6A、定位螺釘6接測(cè)量極U5，NB的6腳接7腳，7腳經(jīng)電容C13、端子D接到等電位驅(qū)動(dòng)極U8，1腳經(jīng)電容C11接10腳，10腳經(jīng)R11接地，9腳經(jīng)電阻R15接8腳和經(jīng)電阻R14接14腳，14腳經(jīng)電阻R13與電容C14并聯(lián)電路接13腳，13腳經(jīng)電阻R12接正電源VCC；13腳還接測(cè)溫器件V2的正端，V2的負(fù)端接負(fù)電源VSS，12腳接地。電路中的運(yùn)放N0B是作等電位驅(qū)動(dòng)跟隨器，跟隨并將作電流放大的測(cè)量極信號(hào)經(jīng)電容C13及端子D接到探頭的等電位驅(qū)動(dòng)極U8，達(dá)到使測(cè)量極U5對(duì)探頭內(nèi)的變換器電路因有等電位驅(qū)動(dòng)極U8的同電位隔離而無分布電容，從而克服干擾，而只對(duì)電位等于0的地電極U9存在電容CX，以實(shí)現(xiàn)測(cè)量空氣含水量的目的。而V2、N0D、R12、R13、C14構(gòu)成溫度測(cè)量電路78。為了節(jié)約傳輸線和共用放大器同時(shí)對(duì)溫度直流信號(hào)與濕度交流信號(hào)作處理，故溫度測(cè)量電路的輸出經(jīng)電阻R14輸送到運(yùn)放N0C的負(fù)輸入端9腳，由與R15、N0C組成的并聯(lián)電壓負(fù)反饋放大器對(duì)溫度信號(hào)作反相放大輸出。放大系數(shù)是KW＝-R15/R14。而濕度交流信號(hào)則從運(yùn)放N0C的正輸入端10腳進(jìn)入，交流放大系數(shù)是KJ＝1+R15/R14。
被疊加的信號(hào)從N0C的8腳輸出。
輸出信號(hào)的交流部分是三角波與方波疊加的復(fù)變函數(shù)。其實(shí)部信號(hào)是三角波，相位較PWM方波滯后90度，其值正比于反饋電阻R10與測(cè)量極對(duì)地的漏電阻RX的比值加1乘載波信號(hào)幅度UI；其虛部信號(hào)是方波，相位與PWM信號(hào)同相，其值等于載波信號(hào)幅度UI乘以反饋電阻比被測(cè)電容的容抗?？偟妮敵鲭妷篨H是XH＝KJ·UI(1+R10/RX)+UI(j·ω·CX·R10)虛部信號(hào)分離電路75含有D4、N1A、R16-R19、C15。D4使用CD4053，N1A應(yīng)用低失調(diào)高速運(yùn)放，其連接為C15的一端接電壓信號(hào)XH，另一端接作為相敏檢波器的D4的1、5腳，D4的2、3、6、11-14腳接地，9、10腳接同頻參考信號(hào)UK，7腳接VSS，8腳接地，16腳接VCC，15腳接R16，R16另一端接N1A的3腳，3腳經(jīng)R17接地，D4的4腳經(jīng)R18接N1A的2腳，2腳還經(jīng)R19接1腳，分離得到和虛部信號(hào)UJ從1腳輸出。C15將XH中的交變成分選通到本電路進(jìn)行相敏檢波，輸出的有效成分是XH中與PWM同相的方波部分的絕對(duì)值UJ。并有UJ＝UI·W·CX·R10·KX。
本實(shí)用新型是通過檢測(cè)探頭電容兩極間空氣介質(zhì)含水量(濕度)變化而導(dǎo)致被測(cè)電容CX量值變化來實(shí)現(xiàn)相關(guān)物理量測(cè)量的。上式中被測(cè)電容量值CX及電壓UJ都是由相應(yīng)的兩部分構(gòu)成的。但我們關(guān)注的只應(yīng)是空氣濕度引起介質(zhì)介電常數(shù)變化導(dǎo)致的被測(cè)電容增量CU所對(duì)應(yīng)的那部分電壓增量UU，而對(duì)于其值遠(yuǎn)大于上述電容增量的被測(cè)電容原始固有的電容值CC(線路中的探頭電容器處于干空氣中的電容)所對(duì)應(yīng)的電壓UC應(yīng)當(dāng)予以剔除(減去)，以提高測(cè)量精度。
上述各量相應(yīng)有如下關(guān)系CX＝CU+CCUJ＝UU+UC其中UU＝UI·W·CU·R10·KXUC＝UI·W·CC·R10·KX可見UU、UC都是一個(gè)正比于UI的電壓。但UC是一個(gè)比UU大得多的量。若UI不穩(wěn)定將影響UC的穩(wěn)定。故若用穩(wěn)定的VCC分壓替代UC，則會(huì)帶來減法輸出有很大誤差。應(yīng)當(dāng)用載波電壓UI經(jīng)線性變換為直流電壓作為減法器中的減數(shù)。
濾波放大減法器電路76含有N3A、N3B，R20-R24，電位計(jì)RP1，電容C16。虛部信號(hào)分離電路75的輸出信號(hào)UJ通過R24進(jìn)入由R22-R24、N3B、C16、RP1構(gòu)成的并聯(lián)電壓負(fù)反饋放大器式的積分低通濾波器，以將被處理的所有信號(hào)電壓中的交變成分濾除而保留直流成分。據(jù)上段落的分析，本電路將載波信號(hào)發(fā)生器輸出的負(fù)脈動(dòng)三角波UI經(jīng)運(yùn)放N3A放大后作為減數(shù)，通過RP1、R22進(jìn)入濾波放大減法器。于傳感器處于干空氣中，調(diào)節(jié)RP1，使N3B輸出的電壓JF＝0，對(duì)應(yīng)空氣含水量等于0。當(dāng)傳感器處于濕空氣中時(shí)，N3B輸出一個(gè)反映空氣含水量的負(fù)電壓。
放大器電路77含有N2B、N2C、電阻R25-R30、RP2、電容C17、C18。其中，N2B電路是含水量放大電路，來自N3B的表征含水量的電壓JF經(jīng)R25進(jìn)入N2B的負(fù)端6腳，經(jīng)反相放大并積分低通濾波消除脈動(dòng)成分，通過RP2調(diào)節(jié)放大量，以一定比例輸出適于單片機(jī)電路AD變換器采集的電壓X1，經(jīng)限流保護(hù)電阻R27送到單片機(jī)的2腳；其中，N2C相關(guān)電路是溫度信號(hào)放大器，由測(cè)量電路74輸出的疊加信號(hào)經(jīng)R28輸入N2C的負(fù)端9腳，作反相放大，并濾除交變成分，以一定的比例輸出適于單片機(jī)電路AD變換器采集的電壓VW，經(jīng)限流保護(hù)電阻R30送到單片機(jī)的4腳。單片機(jī)在測(cè)得溫度T和空氣含水量U后，查表或迭代計(jì)算得出相應(yīng)的空氣飽和絕對(duì)含水率J，然后計(jì)算出相對(duì)濕度UX＝(U/J)100％RH，和計(jì)算出飽和含水率等于當(dāng)前空氣含水量的溫度，作為露點(diǎn)預(yù)報(bào)參數(shù)輸出。
權(quán)利要求
1.一種電容檢測(cè)電路，其特征是含有載波信號(hào)發(fā)生器(1)、載波式測(cè)量電路(2)和虛部信號(hào)分離電路(3)，載波信號(hào)發(fā)生器(1)產(chǎn)生等幅定頻的載波信號(hào)UI，輸送到載波式測(cè)量電路(2)的信號(hào)輸入端IN作為工作載波，被測(cè)電容CX的測(cè)量極(4)端接載波式測(cè)量電路(2)的電容器輸入端I，被測(cè)電容CX的另一極(5)接地，載波式測(cè)量電路(2)輸出由與載波信號(hào)同相的實(shí)部信號(hào)和正比于載波信號(hào)幅度及被測(cè)電容值的虛部信號(hào)合成的復(fù)數(shù)信號(hào)UC，輸送到虛部信號(hào)分離電路(3)的信號(hào)輸入端X，另一與載波信號(hào)UI有特定相位關(guān)系的同頻信號(hào)UK輸送到虛部信號(hào)分離電路3的控制端K作為虛部分離參考信號(hào)；虛部信號(hào)分離電路(3)輸出分離得到的，反映被測(cè)電容信息的電信號(hào)UO。
2.按權(quán)利要求1所述的電容檢測(cè)電路，其特征是所說的載波式測(cè)量電路(2)，是一個(gè)以運(yùn)算放大器N1、反饋電阻R1及被測(cè)電容CX組成的串聯(lián)電壓負(fù)反饋放大器，來自載波信號(hào)發(fā)生器(1)的等幅定頻的載波信號(hào)UI接運(yùn)放N1的“+”端IN，運(yùn)放N1的負(fù)端I接被測(cè)電容CX的4端。
3.按權(quán)利要求2所述的電容檢測(cè)電路，其特征是所說的載波式測(cè)量電路(2)，有由運(yùn)算放大器N3與相應(yīng)的等電位保護(hù)極(U8)聯(lián)結(jié)構(gòu)成的等電位驅(qū)動(dòng)電路D；N3的正輸入端接N1的負(fù)輸入端，N3的負(fù)輸入端接其輸出端作成跟隨器，N3的輸出端接等電位保護(hù)極(U8)。
4.按權(quán)利要求1、2或3所述的電容檢測(cè)電路，其特征是載波信號(hào)發(fā)生器(1)提供給虛部信號(hào)分離電路(3)的同頻參考信號(hào)UK即是載波信號(hào)發(fā)生器(1)提供給載波式測(cè)量電路(2)的等幅定頻信號(hào)UI，而等幅定頻信號(hào)UI是一個(gè)等幅的正弦波信號(hào)；虛部信號(hào)分離電路(3)是一個(gè)含有電阻器R3-R6，運(yùn)放N2的減法器電路，其中，R6/R5＝R4/R3＝K1，R5的一端作為虛部信號(hào)分離電路的控制輸入端K，R5的另一端接N2的負(fù)輸入端，N2的負(fù)輸入端又經(jīng)R6接到其輸出端，其輸出端輸出虛部信號(hào)分離電路(3)的輸出信號(hào)UO；R3的一端作為虛部信號(hào)分離電路的信號(hào)輸入端X，R3另一端接N2的正輸入端，N2的正輸入端還經(jīng)R4接地。
5.按權(quán)利要求1、2或3所述的電容檢測(cè)電路，其特征是載波信號(hào)發(fā)生器(1)輸送到載波式測(cè)量電路(2)的等幅定頻載波信號(hào)UI是一個(gè)準(zhǔn)正弦信號(hào)(三角波)，而同頻參考信號(hào)UK是一個(gè)相對(duì)載波信號(hào)UI相位差超前或滯后90度，其幅值符合電路的邏輯電平要求的對(duì)稱方波信號(hào)；虛部信號(hào)分離電路(3)是一個(gè)含有同相檢出電路(6)、反相檢出電路(7)和同相減反相電路(8)的相敏檢波電路，由載波式測(cè)量電路(2)輸出的信號(hào)UC接入電路(6、7)的信號(hào)輸入端X，載波信號(hào)發(fā)生器(1)輸出的與載波信號(hào)UI相位差90度的同頻參考信號(hào)UK接入電路(6、7)的控制端K，電路(6、7)的另一個(gè)信號(hào)輸入端接地。
6.按權(quán)利要求5所述的電容檢測(cè)電路，其特征是虛部信號(hào)分離電路(3)的同、反相檢出器(6、7)用具有XA、XB通道，每個(gè)通道各有兩個(gè)輸入端XA0、XA1和XB0、XB1，和各有一個(gè)輸出端XA、XB的數(shù)據(jù)選擇器U如CD4053構(gòu)成，來自載波式測(cè)量電路的復(fù)數(shù)信號(hào)UC接XA1、XB0，而XA0、XB1接地，來自載波信號(hào)發(fā)生器的同頻參考信號(hào)UK接到控制端KA、KB；XA、XB通道的輸出信號(hào)各自分別經(jīng)R11和R13接至由R11-R14、N4構(gòu)成的同相減反相電路(8)的N4的正、負(fù)輸入端，運(yùn)放N4的正輸入端還經(jīng)R12接地，運(yùn)放N4的負(fù)輸入端還經(jīng)R14接其輸出端UO，并滿足R11/R12＝R13/R14＝K2。
7.一種電容式濕敏傳感器，含有電容式濕敏探頭和與之聯(lián)合工作的傳感器電路。其特征是所說電容式濕敏探頭具有由內(nèi)、外筒套，絕緣地同心聯(lián)結(jié)安裝形成的圓柱形狀，內(nèi)、外筒套是檢測(cè)電容的兩極，其中一極為地電極，另一極為測(cè)量極；所說傳感器電路含有由載波信號(hào)發(fā)生器、載波式測(cè)量電路和虛部信號(hào)分離電路構(gòu)成的“虛部法電容測(cè)量電路”，其載波式測(cè)量電路主要是一運(yùn)算放大器，載波信號(hào)發(fā)生器輸出的頻率穩(wěn)定的載波信號(hào)輸送到該運(yùn)放的正輸入端，檢測(cè)電容的地電極接地，測(cè)量極經(jīng)串接電容接運(yùn)放的負(fù)輸入端，運(yùn)放的的負(fù)輸入端經(jīng)反饋電阻接運(yùn)放的輸出端，載波式測(cè)量電路輸出虛部含有正比于檢測(cè)電容值的復(fù)數(shù)信號(hào)到虛部信號(hào)分離電路，虛部信號(hào)分離電路輸出經(jīng)分離得到的僅含虛部信息的電信號(hào)到后續(xù)電路。
8.按權(quán)利要求7所說的電容式濕敏傳感器，其特征是探頭上設(shè)有等電位保護(hù)極，載波式測(cè)量電路有由運(yùn)算放大器N3與相應(yīng)的等電位保護(hù)極聯(lián)結(jié)構(gòu)成的等電位驅(qū)動(dòng)電路D；N3的正輸入端接N1的負(fù)輸入端，N3的負(fù)輸入端接其輸出端作成跟隨器，N3的輸出端接等電位保護(hù)極。
9.按權(quán)利要求7所說的電容式濕敏傳感器，其特征是傳感器探頭含有帶圓柱錐頭的芯桿(11)、呈臺(tái)肩圓筒形的測(cè)量極(12)、手柄極(13)構(gòu)成的探針部和手柄(14)；芯桿、測(cè)量極、手柄極同軸線依次疊套，用高強(qiáng)度套管相互隔離絕緣地連成一體，并保持測(cè)量極(12)的大端端面與芯桿(11)的錐頭圓柱部端面間，以及手柄極小端端面與測(cè)量極臺(tái)肩端面間有相應(yīng)間距。手柄極(13)與手柄(14)連接。芯桿(11)、手柄極(13)經(jīng)電接點(diǎn)A1、A3接地共同成為檢測(cè)電容CX的地電極，CX的測(cè)量極(12)經(jīng)電接點(diǎn)A2與傳感器電路相應(yīng)連接，傳感器電路板(15)設(shè)置在手柄(14)內(nèi)部的空腔中；傳感器電路中的虛部信號(hào)分離電路用具有XA、XB通道，每個(gè)通道各有兩個(gè)輸入XA0、XA1和XB0、XB1，和各有一個(gè)輸出端XA、XB的數(shù)據(jù)選擇器U如CD4053構(gòu)成同、反相檢出器，來自載波式測(cè)量電路的復(fù)數(shù)信號(hào)UC接XA1、XB0，而XA0、XB1接地，同頻參考信號(hào)UK接到控制端KA、KB；XA、XB通道的輸出信號(hào)各自分別經(jīng)R11和R13接至由R11-R14、N4構(gòu)成的同相減反相電路的N4的正、負(fù)輸入端，運(yùn)放N4的正輸入端還經(jīng)R12接地，運(yùn)放N4的負(fù)輸入端還經(jīng)R14接其輸出端UO，并滿足R11/R12＝R13/R14＝K2。
10.按權(quán)利要求8所說的電容式濕敏傳感器，其特征是傳感器探頭有同心絕緣聯(lián)結(jié)于上、下端蓋(U2、U14)間的內(nèi)筒(U5)和外套(U9)，內(nèi)、外筒套(U5、U9)由抗腐蝕金屬材料制作，分別構(gòu)成濕敏探頭電容的測(cè)量極和地電極，內(nèi)筒(U5)的內(nèi)表面上還絕緣地設(shè)有等電位保護(hù)極(U8)，傳感器電路板(U7)被密封地，并以與上述電極實(shí)現(xiàn)相應(yīng)電聯(lián)結(jié)的方式裝設(shè)于內(nèi)筒(U5)中，上端蓋(U2)的中央部設(shè)有與電路板(U7)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)電聯(lián)結(jié)的電纜插座(U1)，一與電路板有相應(yīng)電聯(lián)結(jié)的溫敏元件(U12)表露地裝設(shè)于探頭適當(dāng)部位，由內(nèi)筒外套構(gòu)成的環(huán)形腔道的上、下兩端有與外界連通的孔道；傳感器電路除含有相應(yīng)的“虛部法電容檢測(cè)電路”外，還含有能向各電路提供正、負(fù)穩(wěn)壓電源VCC、VSS的電源電路(71)，單片機(jī)電路(72)，濾波放大減法器(76)，放大器(77)，溫度測(cè)量電路(78)；單片機(jī)電路(72)的PWM控制器輸出一個(gè)頻率f穩(wěn)定的，幅度穩(wěn)定等于VCC到地的對(duì)稱方波接到載波信號(hào)發(fā)生電路(73)，虛部信號(hào)分離電路(75)輸出的電信號(hào)UO接濾波放大減法器(76)，濾波放大減法器(76)輸出經(jīng)校準(zhǔn)標(biāo)定的信號(hào)又經(jīng)放大器(77)放大后的正比于空氣含水量的信號(hào)，和溫度測(cè)量電路(78)輸出的溫度電壓信號(hào)分別接到單片機(jī)電路(72)的相應(yīng)接口，單片機(jī)將測(cè)得的空氣溫度量值、含水率量值和據(jù)此計(jì)算得到的空氣相對(duì)濕度、露點(diǎn)等量值以數(shù)字信號(hào)和/或以模擬信號(hào)輸出。
11.按權(quán)利要求10所說的電容式濕敏傳感器，其特征是載波式測(cè)量電路(74)、溫度測(cè)量電路(78)含有運(yùn)放N0A-N0D、電阻R9-R15、電容C10-C14，其中，V2、N0D、R12-R15構(gòu)成溫度測(cè)量電路(78)；運(yùn)放N0的正電源腳4腳接VCC，負(fù)電源腳11腳接VSS，輸入的三角波載波信號(hào)經(jīng)電容C10接N0A的3腳和電阻R9，R9的另一端接地，N0A的2腳經(jīng)R10接1腳，2腳還接到等電位驅(qū)動(dòng)器跟隨器N0B的5腳，和經(jīng)電容C12、測(cè)量極接線端接測(cè)量極(U5)，N0B的6腳接7腳，7腳經(jīng)電容C13、端子D接到等電位驅(qū)動(dòng)極(U8)，1腳經(jīng)電容C11接10腳，10腳經(jīng)R11接地，9腳經(jīng)電阻R15接8腳和經(jīng)電阻R14接14腳，14腳經(jīng)電阻R13與電容C14并聯(lián)電路接13腳，13腳經(jīng)電阻R12接正電源VCC；13腳還接測(cè)溫器件V2的正端，V2的負(fù)端接負(fù)電源VSS，12腳接地；虛部信號(hào)分離電路(75)含有D4、N1A、R16-R19、C15，D4使用CD4053，N1A應(yīng)用低失調(diào)高速運(yùn)放，其連接為C15的一端接電壓信號(hào)XH，另一端接作為相敏檢波器的D4的1、5腳，D4的2、3、6、11-14腳接地，9、10腳接同頻參考信號(hào)UK，7腳接VSS，8腳接地，16腳接VCC，15腳接R16，R16另一端接N1A的3腳，3腳經(jīng)R17接地，D4的4腳經(jīng)R18接N1A的2腳，2腳還經(jīng)R19接1腳，分離得到的虛部信號(hào)UJ從1腳輸出，并有R17/R16＝R19/R18＝KX；C15將XH中的交變成分選通到本電路進(jìn)行相敏檢波，輸出的有效成分是XH中與PWM同相的方波部分的絕對(duì)值UJ。并有UJ＝UI·ω·CX·R10·KX。濾波放大減法器電路(76)含有N3A、N3B，R20-R24，電位計(jì)RP1，電容C16，虛部信號(hào)分離電路(75)的輸出信號(hào)UJ通過R24進(jìn)入由R22-R24、N3B、C16、RP1構(gòu)成的并聯(lián)電壓負(fù)反饋放大器式的積分低通濾波器，載波信號(hào)發(fā)生器輸出的負(fù)脈動(dòng)三角波UI經(jīng)運(yùn)放N3A放大后作為減數(shù)，通過RP1、R22進(jìn)入濾波放大減法器；放大器電路(77)含有N2B、N2；C、電阻R25-R30、RP2、電容C17、C18；其中，N2B電路是含水量放大電路，來自N3B的表征含水量的電壓JF經(jīng)R25進(jìn)入N2B的負(fù)端6腳，經(jīng)反相放大并積分低通濾波消除脈動(dòng)成分，通過RP2調(diào)節(jié)放大量，以一定比例輸出適于單片機(jī)電路AD變換器采集的電壓X1，經(jīng)限流保護(hù)電阻R27送到單片機(jī)的2腳；N2C相關(guān)電路是溫度信號(hào)放大器，由測(cè)量電路(74)輸出的疊加信號(hào)經(jīng)R28輸入N2C的負(fù)端9腳，作反相放大，并濾除交變成分，以一定的比例輸出適于單片機(jī)電路AD變換器采集的電壓VW，經(jīng)限流保護(hù)電阻R30送到單片機(jī)的4腳。
全文摘要
一種可稱之為虛部法電容測(cè)量的電路,其特征是含有載波信號(hào)發(fā)生器1、載波式測(cè)量電路2和虛部信號(hào)分離電路3。能適應(yīng)工程上被測(cè)電容需一極接地,及存在并聯(lián)漏電阻和/或有電容干擾的實(shí)況需要,測(cè)量輸出正比于被測(cè)電容CX的電信號(hào)。特別適合用于電容式傳感器中,測(cè)量微小電容或電容增量。并通過被測(cè)電容的測(cè)量,檢測(cè)引起電容變化的其他物理量,如用作物料水分測(cè)量傳感器,空氣濕度、溫度、露點(diǎn)預(yù)報(bào)多功能測(cè)量傳感器。
文檔編號(hào)G01R27/26GK1247987SQ9910931
公開日2000年3月22日 申請(qǐng)日期1999年6月24日 優(yōu)先權(quán)日1999年6月24日
發(fā)明者唐德堯, 譚維克 申請(qǐng)人:譚維克, 唐德堯