专利名称：一种数字激励电容式传感器测量仪的制作方法
专利说明
一、技术领域本实用新型涉及一种电容式传感器测量仪，特别涉及一种数字激励电容式传感器测量仪。
二背景技术：
电容式传感器构成的测量仪表广泛用于压力、差压、物位、位移等工业参数的测量。它是将非电量的物理量变化转变成电容量的变化，通过激励电路，将电容量变化转换成电信号，经后续电路处理，用于显示或控制被测参数。现有的电容传感器测量仪表是将电容变化转换成直流电压信号，经A/D转换后送给单片机。通常将电容传感器的电容量变化转换成电压的方式从原理上讲有两种。
一种是由振荡电路产生一幅度、频率稳定的正弦波，利用电容对交流信号的阻抗为1/ωC，即阻抗随电容量的变化而变化的原理，通过一RC串联电路，在电阻两端取得一与电容量变化成正比的交流电压，再经过整流、滤波，使其成为后续电路所需的直流电压。这种激励电路的缺点主要有两点一是要求正弦波的频率和幅度必须非常稳定；二是必须使用二极管整流，将交流变成直流。要使正弦波的频率和幅度非常稳定，电路成本高，且无法根本解决电路的温度、时间漂移问题。整流二极管的正向压降随温度变化极为敏感，它直接与输出信号电压串联，使得这种激励电路的温度特性极差，即便加入温度补偿电路，但由于元件参数的离散性，实际中很难得到好的效果。这是目前应用最为普遍的激励电路。
另外一种激励电路是利用电容在充电时，电容两端的电压Uc＝It/C(I为充电电流；t为充电时间；C为电容容量)的原理，即当电容充电时两端的电压与充电电流、时间成正比，与电容量成反比。如果保持充电电流和时间不变，电容两端的电压只与电容量有关，即Uc与电容量成反比。这种电路使用一脉冲方波控制对电容充、放电。由于充放电控制元件本身的通/断电阻(模拟开关)随温度有变化，稳定充电电压的稳压管也会有温度、时间漂移现象，所以也不能从根本上解决激励电路的温度、时间漂移问题。
现在的测量仪表和控制设备大多都采用计算机(单片机)处理，所以必须将传感器激励电路输出的模拟信号首先经A/D转换后才可送入计算机。
本实用新型的另一特点是时基芯片IC1、IC2为555时基芯片；高压侧电容HC和低压侧电容LC的公共引线接地；由传感器电容决定输出频率的脉冲信号直接与单片机的计数输入端相联接；利用电容式传感器的电容，作为决定脉冲发生器输出频率的RC定时电容，以此构成的电容传感器激励电路。
由于本实用新型将电容传感器的电容作为脉冲发生电路的定时电容，电阻为脉冲发生器的定时电阻，一起构成RC定时电路，确定输出脉冲的频率。当传感器的电容发生变化时，线性地改变了脉冲发生电路的输出频率，实现了将传感器的电容量变化直接转换为输出脉冲频率的变化。本实用新型的信号产生与处理全部由数字电路构成，其中没有受温度、湿度、电源电压波动、时间等影响输出的元件，因此从根本上消除了影响仪表输出不稳定的因素。
参见
图1，图中的IC1、IC2为555时基芯片(低功耗可选7555)。HC和LC分别是电容差压传感器的高压侧电容和低压侧电容。高压侧电容HC和低压侧电容LC通过传感器2引出的3根线与555时基芯片IC1和IC2的P2端相连。高压侧电容HC和低压侧电容LC的公共引线为接地端，555时基芯片的P2端与P6端接通。电阻R1、R2(R3、R4)为脉冲发生器的定时电阻，与电容HC(LC)一起构成RC定时电路，确定输出脉冲的频率。电阻R1、R2(R3、R4)串联，两端分别接555时基芯片的P4端和P2端，电阻R1、R2(R3、R4)中间点接555时基芯片的P7端，555时基芯片的P4与P8相连接工作电源1；555时基芯片的P1端接地；P3为输出端接单片机的计数输入端。
传感器2的两个电容(HC、LC)分别作为两个555电路构成的多谐振荡器中的定时电容。当电阻R1、R2(R3、R4)选定之后，555时基芯片输出的脉冲频率只与电容HC(LC)有关。555时基芯片输出的频率与定时电容C和电阻R1、R2的关系如下式所示
f＝1.43/[(R1+R2)C]当传感器2输入的差压变化时，如高压侧压力大于低压侧压力，则HC容量减小，LC容量增大。这时IC1输出频率f1增大，IC2输出频率f2降低；如果高压侧压力低于低压侧压力，则HC容量增大，LC容量减小，这时IC1输出频率f1降低，IC2输出频率f2增大。两个振荡器输出频率之差为Δf＝f1-f2，输入的差压为ΔP＝Ph-P1(高压侧压力减低亚侧压力)，可见ΔP绝对值越大，Δf的绝对值越大。ΔP为正，Δf为正；ΔP为负，Δf为负。所以Δf既可反映差压的大小，也可反映差压的方向。
两路脉冲信号直接输入到单片机的定时/计数端(T0、T1)，单片机定时(采样周期)读入计数器的值，通过做减法，即可得到与被测值相对应的数字量信号。需要电流信号输出时，可通过D/A转换电路和V/I转换电路输出标准电流信号。数字通信电路可采用常用的现场总线标准电路，实现数字信号的输出和对仪表的调校、管理等。
对于智能型变送器的电子电路部分，采用现有的传感器激励电路则必须有A/D转换电路。采用本实用新型，则可直接由单片机采样，节约了昂贵的A/D芯片。单就传感器激励电路来说，本实用新型的材料成本也远较正弦波激励电路低。单片机采样两路频率信号作减法后得到测量信号，对于由环境、电源等原因引起的脉冲频率变化，两路相减后即可抵消，保证了仪表的温度特性和长期稳定性。
权利要求1.一种数字激励电容式传感器测量仪，包括工作电源[1]、传感器[2]、时基芯片IC1和IC2，时基芯片IC1和IC2分别与工作电源[1]和传感器[2]相联接，其特征在于所说的传感器[2]包括差动的高压侧电容HC和低压侧电容LC，高压侧电容HC和低压侧电容LC分别通过导线与时基芯片IC1和IC2的P2相联接，时基芯片的P2与P6相联通，在时基芯片IC1、IC2的P2、P4之间分别设置有串联的定时电阻R1和R2、R3和R4，定时电阻R1和R2、R3和R4中间点接时基芯片IC1和IC2的P7，时基芯片IC1和IC2的P4和P8分别与工作电源[1]相联接，时基芯片IC1和IC2的P1接地。
2.根据权利要求1所述的数字激励电容式传感器测量仪，其特征在于所说的时基芯片IC1、IC2为555时基芯片。
3.根据权利要求1所述的数字激励电容式传感器测量仪，其特征在于所说的高压侧电容HC和低压侧电容LC的公共引线接地。
4.根据权利要求1所述的数字激励电容式传感器测量仪，其特征在于由传感器电容决定输出频率的脉冲信号直接与单片机[3]的计数输入端相联接。
5.根据权利要求1所述的数字激励电容式传感器测量仪，其特征在于利用电容式传感器的电容，作为决定脉冲发生器输出频率的RC定时电容，构成了电容传感器激励电路。
专利摘要本实用新型公开了一种数字激励电容式传感器测量仪，将电容传感器的电容作为脉冲发生电路的定时电容，电阻为脉冲发生器的定时电阻，一起构成RC定时电路，确定输出脉冲的频率。当传感器的电容发生变化时，线性地改变了脉冲发生电路的输出频率，实现了将传感器的电容量变化直接转换为输出脉冲频率的变化。本实用新型的信号产生与处理全部由数字电路构成，其中没有受温度、湿度、电源电压波动、时间等影响输出的元件，因此从根本上消除了影响仪表输出不稳定的因素。
文档编号G01D5/24GK2556595SQ0226195
公开日2003年6月18日 申请日期2002年7月15日 优先权日2002年7月15日
发明者郑自修, 张化军 申请人:西安华星电子有限公司