CN101329215A - 电容式差压传感器的输出测量电路及测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种电容式差压传感器的输出测量电路，包括开关单元和电容测量子电路，其中，电容测量子电路至少包括电容数字转换器，电容数字转换器包含有高频信号输出端和至少两路信号输入端，与传感器负腔压力对应的电容C2的一端串接开关单元后，连接至一路信号输入端，与传感器正腔压力对应的电容C1的一端连接至另一路信号输入端，电容C1和电容C2的另一端相互连接后，连至所述高频信号输出端，电容数字转换器用于在开关单元闭合状态下测量出被测电容C1与C2之间的电容差值ΔC，在开关单元断开状态下测量出单端电容C1的电容值，再计算(2C1－ΔC)得到(C1+C2)的电容值，后计算出ΔC/(C1+C2)，从而得到与差压成比例的传感器输出量。本发明还提供了对应的测量方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种传感器信号处理方法，特别是涉及一种电容式差压传感器中的输出测量电路及对应的实现方法。
背景技术
用电测法测量非电学量时，首先必须将被测的非电学量转换为电学量而后输入之。通常把非电学量变换成电学量的元件称为变换器；根据不同非电学量的特点设计成的有关转换装置称为传感器，而被测的力学量(如位移、力、速度等)转换成电容变化的传感器称为电容传感器。电容式传感器广泛应用在位移、压力、流量、液位等的测试中。电容式传感器的精度和稳定性也日益提高。
电容式差压传感器，其核心检测部件把外加的两个不同压力信号转换为各个相应的电容变化，后部检测电路则把两个电容的变化转换为电信号，对该电信号进行处理检测就可以得到外加压力的差压值。
普通电容式差压传感器的工作原理为：传感器有正腔和负腔两个输入压力腔，两个外加压力表示为正腔压力P1和负腔压力P2。其核心检测部件把外加着的两个不同压力信号转换为各个相应的电容C1和C2，后部检测电路则把电容的变化转换为电信号，如电压或者电流类型信号。电容C1和C2随两个输入压力腔的外部压力P1和P2的变化而变化，利用已知的测量检测电路就可获得和差压(ΔP＝P1-P2)成比例的传感器输出量S，这里S＝(C1-C2)/(C1+C2)。
目前常用的电容式差压传感器的输出测量方法有两种，一种是模拟信号转换技术直接实现对传感器输出量S的测量，例如采用变压器直接激励采样的方案，通过多绕组变压器一次性把与差压变化对应的电容变化转化成电压信号输出直接输出。
请参阅图1，其为现有的常见电容式差压传感器的输出测量电路的结构示意图。其中电容Ci1、Ci2为电容式差压传感器两个压力腔室所受外加压力所对应的电容值，整个电路实现的就是要将该两个电容值以S＝(Ci1-Ci2)/(Ci1+Ci2)的数值形式进行输出。大体上可以将上述电路分成3部分：
振荡子电路11：如图虚线所连部分，其为整个测量电路的工作提供交流电源；
配比电阻子电路12：利用电阻R6、R7、R8、R9这4个电阻值的数值配比关系，将电路电流值(i1-i2)配比成与电容值Ci1、Ci2的运算(Ci1-Ci2)/(Ci1+Ci2)成比例的关系；
运算放大器输出子电路13：将电容值转换成电压值U01，即S＝(Ci1-Ci2)/(Ci1+Ci2)进行输出。
上述实现电容-电压转换的测量方法，采用振荡电路以提供交流电源，然而，该频率一般为几千赫兹，并且频率过高会使寄生电容的影响过大，过低则不利于比较各容抗间的差别。因此其实现电路复杂、庞大，并且抗干扰能力较差，使得测量精度不高。
另一种常见的电容式差压传感器的输出测量方法是利用电容测量电路分别测量单个电容C1和C2值，而后再进行所述S＝(C1-C2)/(C1+C2)的运算，从而完成传感器输出。
采用这种传感器输出测量方法，由于单个电容的测量方法易受分布电容、寄生电容等的干扰、其实现电路抗干扰能力差，同样存在传感器输出测量精度低的问题。
发明内容
本发明的一目的在于提供一种电容式差压传感器的输出测量电路，以解决现有技术中传感器输出精度低的技术问题。
本发明的另一目的在于提供一种电容式差压传感器的输出测量方法，以解决现有技术中传感器输出精度低的技术问题。
为了达到上述目的，本发明提供了一种电容式差压传感器的输出测量电路，用于测量传感器的输出量，包括开关单元和电容测量子电路，其中，电容测量子电路至少包括电容数字转换器，所述电容数字转换器包含有高频信号输出端和至少两路信号输入端，与传感器负腔压力对应的电容C2的一端串接开关单元后，连接至一路信号输入端，与传感器正腔压力对应的电容C1的一端连接至另一路信号输入端，电容C1和电容C2的另一端相互连接后，连至所述高频信号输出端，电容数字转换器用于在开关单元闭合状态下测量出被测电容C1与C2之间的电容差值ΔC，在开关单元断开状态下测量出单端电容C1的电容值，再计算(2C1-ΔC)得到(C1+C2)的电容值，后计算出ΔC/(C1+C2)，从而得到与差压成比例的传感器输出量。
本发明提供了第二种电容式差压传感器的输出测量电路，用于测量与差压成比例的传感器输出量，包括开关单元和电容测量子电路，其中，电容测量子电路至少包括电容数字转换器，所述电容数字转换器包含有高频信号输出端、至少两路信号输入端，与传感器正腔压力对应的电容C1的一端串接开关单元后，连接至一路信号输出端，与传感器负腔压力对应的电容C2的一端连接至另一路信号输入端，电容C1和电容C2的另一端相互连接后，连至所述高频信号激励输出端，电容数字转换器用于在开关单元闭合状态下测量出被测电容C1与C2之间的电容差值ΔC，在开关单元断开状态下测量出单端电容C2的电容值，再计算(2C2+ΔC)得到(C1+C2)的电容值，后计算出ΔC/(C1+C2)，从而得到与差压成比例的传感器输出量。
本发明提供的第一种电容式差压传感器输出测量方法，用于测量与差压成比例的传感器输出量，包括以下步骤：
提供一电容测量电路；
电容测量电路测量与传感器正腔、负腔压力相对应的电容C1和电容C2的差值ΔC＝(C1-C2)；
电容测量电路测量与传感器正腔压力对应的电容值C1；
计算2C1-(C1-C2)得到(C1+C2)的电容值；
计算(C1-C2)/(C1+C2)，得到与差压成比例的传感器输出量。
本发明提供了第二种电容式差压传感器输出测量方法，用于测量与差压成比例的传感器输出量，包括以下步骤：
提供一电容测量电路；
电容测量电路测量与传感器正腔、负腔压力相对应的电容C1和电容C2的差值ΔC＝(C1-C2)；
电容测量电路测量与传感器负腔压力对应的电容值C2；
计算2C2+(C1-C2)得到(C1+C2)的电容值；
计算(C1-C2)/(C1+C2)，得到与差压成比例的传感器输出量。
与现有技术相比，本发明采用直接测量电容差值和单个电容值相结合的方法，实现对传感器的输出运算。
采用直接测量电容差值的方法，由于共模干扰是同时施加在电容C1和C2上，并且实际中电容C1、C2的数值相近，所以对两电容C1和电容C2所产生的共模干扰影响量也基本相同。假设对电容C1和C2产生的共模干扰值分别为K1和K2(此时K1≈K2)，则此时两电容差值的计算值(K1+C1)-(K2+C2)＝C1-C2+K1-K2≈C1-C2，这样就把对电容C1和C2的共模干扰影响量抵消掉，从而大大提高了测量电路抗干扰能力，提高了电路的测量精度。
虽然采用此方法测量单个电容的抗干扰性能没有测量差分电容时好，但是由于最终的计算是S＝(C1-C2)/(C1+C2)，相对于单个电容的测量精度影响在计算式的分母上。
假设差分电容测量误差为K，那么对应差分电容C1-C2来说，相对于初始计算结果的变化比为
Δ1＝((K+C1-C2)-(C1-C2))/(C1-C2)，即Δ＝K/(C1-C2)。
假设单个电容的测量误差为K，则对计算式S＝(C1-C2)/(C1+C2)计算方法来说，相对于初始计算结果变化百分比为
Δ2＝((C1-C2)/(K+C1+C2)-(C1-C2)/(C1+C2))/((C1-C2)/(C1+C2))
＝(1/(K+C1+C2)-1/(C1+C2))/(1/(C1+C2))
＝((C1+C2)-(K+C1+C2))/(K+C1+C2)
＝K/(K+C1+C2)。
从上述两个误差分析结果来看，两个计算结果其分子都是为K，差分测量方法的分母值为(C1-C2)，而单个电容测量方法的分母值为(K+C1+C2)。由于电容C1、C2值基本在80-120pF左右，而差分电容(C1-C2)值最大值为20pF左右，所以(K+C1+C2)远大于(C1-C2)，从而K/(K+C1+C2)远小于K/(C1-C2)。因此对整体计算结果而言，单个电容测量方法其所产生影响远远小于差分电容的影响量，所以不会对测量精度产生较大影响。
由于测量电路对差分电容的测量精度最高，故本发明充分利用电路本身的特性对测量方法进行优化，从而达到整体测量结果的提高。
附图说明
图1为现有的常见电容式差压传感器的输出测量电路的结构示意图；
图2为本发明第一种电容式差压传感器的输出测量电路的结构示意图；
图3为本发明第一种电容式差压传感器的输出测量方法的流程示意图；
图4为本发明第二种电容式差压传感器的输出测量电路的结构示意图；
图5为本发明利用AD7745作为电容数字转换器的输出测量电路的原理结构框图；
图6为本发明第二种电容式差压传感器的输出测量方法的流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图，具体说明本发明。
请参阅图2，其为本发明第一种电容式差压传感器的输出测量电路的结构示意图。该测量电路用于测量与差压成比例的传感器输出量。它包括开关单元21和电容测量子电路22，其中，电容测量子电路22至少包括电容数字转换器23，电容数字转换器23包含有高频信号输出端EXC、至少两路信号输入端IN+和IN-，与传感器负腔压力对应的被测电容C2的一端串接开关单元21后，连接至一路信号输入端IN-，与传感器正腔压力对应的被测电容C1的一端连接至另一路信号输入端IN+，被测电容C1和被测电容C2的另一端相互连接后，连至高频信号输出端EXC，电容数字转换器23用于在开关单元21闭合状态下测量出被测电容C1与C2之间的电容差值ΔC＝C1-C2，在开关单元断开状态下测量出单端电容C1的电容值，再计算(2C1-ΔC)得到(C1+C2)的电容值，后计算出ΔC/(C1+C2)，从而得到与差压成比例的传感器输出量。开关单元21可以采用切换开关24。
电容数字转换器23采用ADI公司生产的AD7745/7746/7747这一系列的集成芯片，高频信号输出端、两路信号输入端分别为EXCA、CIN(+)和CIN(-)。
请参阅图3，其为第一种电容式差压传感器的输出测量方法的流程示意图。该测量方法用于测量被测电容C1、C2的差压成比例的输出量，包括以下步骤：
S110：提供了开关单元，其串联至与传感器负腔压力对应的被测电容C2的一端；
S120：提供电容数字转换器，其包括两路信号输入端和高频信号输出端，被测电容C2的一端串接开关单元后，连接至另一路信号输入端，与传感器正腔压力对应的被测电容C1的一端连接至一路信号输入端，被测电容C1和被测电容C2的另一端相互连接后，连至高频信号输出端；
S130：闭合开关单元，电容数字转换器测量差分电容值(C1-C2)；
S140：断开开关单元，电容数字转换器测量被测电容C1的电容值；
S150：电容数字转换器计算2C1-(C1-C2)，得到(C1+C2)的电容值；
S160：计算(C1-C2)/(C1+C2)，得到与差压成比例的传感器输出量。
上述图3是基于图2进行与差压成比例的传感器输出量的测量方法，除了开关，也可以采用现有的测量仪器或测量电路直接测量被测电容C1的电容值，后将测得的电容值传送至电容测量电路的电容数字转换器，
由于共模干扰是同时施加在电容C1和C2上，由于C1、C2电容量相近，所以在C1、C2上产生的共模干扰基本相同。假设对电容C1和C2产生的共模干扰值分别为K1、K2(此时K1≈K2)，此事差分电容计算值(K1+C1)-(K2+C2)＝C1-C2+K1-K2≈C1-C2，这样就把对电容C1和C2的共模干扰抵消掉，从而大大提高了测量电路抗干扰能力，提高了电路的测量精度。
然后，利用电容测量电路对电容C1进行测量，后计算2C1-ΔC得到C1+C2之和。
虽然采用此方法测量单个电容的抗干扰性能没有测量差分电容时好，但是由于最终的计算是S＝(C1-C2)/(C1+C2)，相对于单个电容的测量精度影响在计算式的分母上。假设差分电容测量误差为K，那么对应差分电容C1-C2来说，相对于初始计算结果的变化比为
＝((K+C1-C2)-(C1-C2))/(C1-C2)
＝K/(C1-C2)。
假设单个电容的测量误差为K，则对计算式S＝(C1-C2)/(C1+C2)计算方法来说，相对于初始计算结果变化百分比为
＝((C1-C2)/(K+C1+C2)-(C1-C2)/(C1+C2))/((C1-C2)/(C1+C2))
＝(1/(K+C1+C2)-1/(C1+C2))/(1/(C1+C2))
＝((C1+C2)-(K+C1+C2))/(K+C1+C2)
＝K/(K+C1+C2)。
从上述两个误差分析结果来看，两个结果其分子都是为K，差分测量方法的分母值为(C1-C2)，而单个电容测量方法的分母值为(K+C1+C2)。由于电容C1、C2值基本在80-120pF左右，而差分电容(C1-C2)值最大值为20pF左右，所以(K+C1+C2)远大于(C1-C2)，从而K/(K+C1+C2)远小于K/(C1-C2)。因此对整体计算结果而言，单个电容测量方法其所产生影响远远小于差分电容的影响量，所以不会对测量精度产生较大影响。
由于测量电路对差分电容的测量精度最高，故我们充分利用电路本身的特性对测量方法进行优化，从而达到整体测量结果的提高。
请参阅图4，其为本发明第二种电容式差压传感器的输出测量电路的结构示意图。该测量电路用于测量与传感器正腔、负腔压力对应的被测电容C1、C2的差压成比例的输出量。它包括开关单元21和电容测量子电路22，其中，电容测量子电路22至少包括电容数字转换器23，电容数字转换器23包含有高频信号输出端EXC、信号输入端IN+和信号输入端IN-，被测电容C1的一端串接开关单元21后，连接至信号输入端IN-，被测电容C2的一端连接至信号输入端IN+，被测电容C1和被测电容C2的另一端相互连接后，连至高频信号输出端EXC，电容数字转换器23用于在开关单元21闭合状态下测量出被测电容C1与C2之间的电容差值ΔC，在开关单元21断开状态下测量出单端电容C2的电容值，再计算(2C2+ΔC)得到(C1+C2)的电容值，后计算出ΔC/(C1+C2)，从而得到与差压成比例的传感器输出量。开关单元21可以采用切换开关24。
电容数字转换器采用ADI公司生产的AD7745/7746/7747这一系列的集成芯片。
请参阅图5，其为利用AD7745作为电容数字转换器实现本实施例的电容测量子电路的原理结构框图。其大体包括∑-Δ调制器、数字滤波器、时钟发生器以及激励输出等部分。
其中，端口CIN+、CIN-作为两电容C1和C2的信号输入端，选用高频信号输出端EXCA提供该电容测量电路的激励输出。
请参阅图6，其为本发明第二种电容式差压传感器的输出测量方法的流程图。用于测量被测电容C1、C2的差压成比例的输出量，包括：
S210：提供了开关单元，其串联至与传感器正腔压力对应的被测电容C1的一端；
S220：提供电容数字转换器，其包括两路信号输入端和高频信号输出端，被测电容C1的一端串接开关单元后，连接至其一路信号输入端，被测电容C2的一端连接至其信号输入端，被测电容C1和与传感器负腔压力对应的被测电容C2的另一端相互连接后，连至其高频信号输出端；
S230：闭合开关单元，电容数字转换器测量差分电容值(C1-C2)；
S240：断开开关单元，电容数字转换器测量被测电容C2的电容值；
S250：电容数字转换器计算2C2+(C1-C2)，得到(C1+C2)的电容值；
S260：计算(C1-C2)/(C1+C2)，得到与差压成比例的传感器输出量。
除了开关，也可以采用现有的测量仪器或测量电路直接测量被测电容C1的电容值，后将测得的电容值传送至电容测量电路的电容数字转换器，
由于共模干扰是同时施加在电容C1和C2上，由于C1、C2电容量相近，所以在C1、C2上产生的共模干扰基本相同。假设对电容C1和C2产生的共模干扰值分别为K1、K2(此时K1≈K2)，此时差分电容计算值(K1+C1)-(K2+C2)＝C1-C2+K1-K2≈C1-C2，这样就把对电容C1和C2的共模干扰抵消掉，从而大大提高了测量电路抗干扰能力，提高了电路的测量精度。
然后，利用电容测量电路对电容C2进行测量，后计算2C1-ΔC得到C1+C2之和。
虽然采用此方法测量单个电容的抗干扰性能没有测量差分电容时好，但是由于最终的计算是S＝(C1-C2)/(C1+C2)，相对于单个电容的测量精度影响在计算式的分母上。假设差分电容测量误差为K，那么对应差分电容C1-C2来说，相对于初始计算结果的变化比为
＝((K+C1-C2)-(C1-C2))/(C1-C2)
＝K/(C1-C2)。
假设单个电容的测量误差为K，则对计算式S＝(C1-C2)/(C1+C2)计算方法来说，相对于初始计算结果变化百分比为
＝((C1-C2)/(C1+C2+K)-(C1-C2)/(C1+C2))/((C1-C2)/(C1+C2))
＝(1/(K+C1+C2)-1/(C1+C2))/(1/(C1+C2))
＝((C1+C2)-(K+C1+C2))/(K+C1+C2)
＝K/(K+C1+C2)。
从上述两个误差分析结果来看，两个结果其分子都是为K，差分测量方法的分母值为(C1-C2)，而单个电容测量方法的分母值为(K+C1+C2)。由于电容C1、C2值基本在80-120pF左右，而差分电容(C1-C2)值最大值为20pF左右，所以(K+C1+C2)远大于(C1-C2)，从而K/(K+C1+C2)远小于K/(C1-C2)。因此对整体计算结果而言，单个电容测量方法其所产生影响远远小于差分电容的影响量，所以不会对测量精度产生较大影响。
由于测量电路对差分电容的测量精度最高，故我们充分利用电路本身的特性对测量方法进行优化，从而达到整体测量结果的提高。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1、一种电容式差压传感器的输出测量电路，用于测量与差压成比例的传感器输出量，其特征在于，包括开关单元和电容测量子电路，其中，电容测量子电路至少包括电容数字转换器，所述电容数字转换器包含有高频信号输出端和至少两路信号输入端，与传感器负腔压力对应的电容C2的一端串接开关单元后，连接至一路信号输入端，与传感器正腔压力对应的电容C1的一端连接至另一路信号输入端，电容C1和电容C2的另一端相互连接后，连至所述高频信号输出端，电容数字转换器用于在开关单元闭合状态下测量出被测电容C1与C2之间的电容差值ΔC，在开关单元断开状态下测量出单端电容C1的电容值，再计算(2C1-ΔC)得到(C1+C2)的电容值，后计算出ΔC/(C1+C2)，从而得到与差压成比例的传感器输出量。
2、如权利要求1所述的电容式差压传感器输出测量电路，其特征在于，所述电容数字转换器采用ADI公司生产的AD7745/7746/7747这一系列的集成芯片，所述高频信号输出端、两路信号输入端分别为EXC、CIN(+)和CIN(-)端。
3、如权利要求1或2所述的电容式差压传感器测量输出电路，其特征在于，所述开关单元为切换开关。
4、一种电容式差压传感器的输出测量电路，用于测量与差压成比例的传感器输出量，其特征在于，包括开关单元和电容测量子电路，其中，电容测量子电路至少包括电容数字转换器，所述电容数字转换器包含有高频信号输出端、至少两路信号输入端，与传感器正腔压力对应的电容C1的一端串接开关单元后，连接至一路信号输出端，与传感器负腔压力对应的电容C2的一端连接至另一路信号输入端，电容C1和电容C2的另一端相互连接后，连至所述高频信号激励输出端，电容数字转换器用于在开关单元闭合状态下测量出被测电容C1与C2之间的电容差值ΔC，在开关单元断开状态下测量出单端电容C2的电容值，再计算(2C2+ΔC)得到(C1+C2)的电容值，后计算出ΔC/(C1+C2)，从而得到与差压成比例的传感器输出量。
5、如权利要求4所述的电容式差压传感器输出测量电路，其特征在于，所述电容数字转换器采用ADI公司生产的AD7745/7746/7747这一系列的集成芯片，所述高频信号输出端、两路信号输入端分别为EXC、CIN(+)和CIN(-)端。
6、如权利要求4或5所述的电容式差压传感器输出测量电路，其特征在于，所述开关单元为切换开关。
7、一种电容式差压传感器输出测量方法，用于测量与差压成比例的传感器输出量，其特征在于，包括以下步骤：
提供一电容测量电路；
电容测量电路测量与传感器正腔、负腔压力相对应的电容C1和电容C2的差值ΔC＝(C1-C2)；
电容测量电路测量与传感器正腔压力对应的电容值C1；
计算2C1-(C1-C2)得到(C1+C2)的电容值；
计算(C1-C2)/(C1+C2)，得到与差压成比例的传感器输出量。
8、一种电容式差压传感器输出测量方法，用于测量与差压成比例的传感器输出量，其特征在于，包括以下步骤：
提供一电容测量电路；
电容测量电路测量与传感器正腔、负腔压力相对应的电容C1和电容C2的差值ΔC＝(C1-C2)；
电容测量电路测量与传感器负腔压力对应的电容值C2；
计算2C2+(C1-C2)得到(C1+C2)的电容值；
计算(C1-C2)/(C1+C2)，得到与差压成比例的传感器输出量。
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| PB01 | Publication | ||
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| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Open date: 20081224 |