CN111122019A - 基于电压时间转换的电容式压力检测装置、方法及传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于电压时间转换的电容式压力检测装置、方法及传感器。所述装置包括：电容组件、与所述电容组件连接的充电控制模块和放电控制模块、与所述放电控制模块和所述电容组件连接的计数模块、以及输出模块；其中，所述电容组件的电容量根据待检测压力的变化而改变；所述充电控制模块用于对所述电容组件进行充电，使所述电容组件的电压达到充电电压；所述放电控制模块用于对所述电容组件进行放电，使所述电容组件的电压降到0V；所述计数模块用于获取并记录所述电容组件的放电时间；所述输出模块用于将所述放电时间进行输出，完成将待测压力转换为电容组件的放电时间。有效地降低了电路噪声，避免了零点漂移。

Description

基于电压时间转换的电容式压力检测装置、方法及传感器
技术领域
本发明涉及一种基于电压时间转换的电容式压力检测装置、方法及传感器。
背景技术
电容式传感器是以电容器作为传感元件，将被测转物理量或机械量换成为电容量变化的一种转换装置。
常规的电容式传感器测量时通过将电容的充放电电量用电压来表示，该电压再通过运算放大器放大电路进行信号放大调理输出，但在放大调理的过程中(尤其在检测信号微小时，需要多级放大)，难免会遇到由于逐级放大和测量环境温度变化而造成的各个器件参数值的变化，从而引起零点漂移，而且信号放大的过程中，测量电路产生的噪声也将逐级放大。
其中，差分电容式压力检测装置，其检测原理是通过一对高精度差分电容的微小变化来表达被测环境压力，其理想的检测结果通常为压力与系统电路输出电压呈线性关系。但当电容变化范围极小时，测量的精度和零点漂移就很难解决。
发明内容
(一)要解决的技术问题
现有技术中，当电容变化范围极小时，测量的精度和零点漂移很难解决。
(二)技术方案
为了解决上述问题，本发明一个方面提供了一种基于电压时间转换的电容式压力检测装置，所述装置包括：电容组件、与所述电容组件连接的充电控制模块和放电控制模块、与所述放电控制模块和所述电容组件连接的计数模块、以及输出模块；其中，所述电容组件的电容量根据待检测压力的变化而改变；所述充电控制模块用于对所述电容组件进行充电，使所述电容组件的电压达到充电电压；所述放电控制模块用于对所述电容组件进行放电，使所述电容组件的电压降到0V；所述计数模块用于获取并记录所述电容组件的放电时间；所述输出模块用于将所述放电时间进行输出，完成将待测压力转换为电容组件的放电时间。
可选地，所述电容组件为由第一电容和第二电容构成的差分电容。
可选地，所述充电控制模块包括：充电电源，用于对所述第一电容和第二电容进行充电；第一控制电路，通过第一控制开关控制所述充电电源是否对所述第一电容进行充电；第二控制电路，通过第二控制开关控制所述充电电源是否对所述第二电容进行充电。
可选地，所述放电控制模块包括：第三控制电路，通过第三控制开关控制是否对所述第一电容进行放电；第四控制电路，通过第四控制开关控制是否对所述第二电容进行放电。
可选地，所述计数模块包括：计数器，所述计数器与所述第一电容和第二电容连接，用于记录所述电容组件的放电时间；比较器，所述比较器与所述第一电容、第二电容以及计数器连接，用于在电容组件的电压降到0V时，使所述计数器停止计数。
可选地，所述装置还包括：计数调整模块，用于根据所述电容组件的电容量变化值调整所述计数器的计数频率。
可选地，所述计数器设置于单片机、ARM、或DSP中。
本发明另一个方面提供了一种基于电压时间转换的电容式压力检测方法，所述方法包括：对电容组件进行充电，使所述电容组件的电压达到充电电压；对所述电容组件进行放电，使所述电容组件的电压降到0V；获取并记录所述电容组件的放电时间；将所述放电时间进行输出，完成将待测压力转换为电容组件的放电时间。
可选地，所述方法还包括：根据所述电容组件的电容量变化值调整所述计数器的计数频率。
本发明再一个方面提供了一种电容式压力传感器，所述传感器包括上文所述的电容式压力检测装置。
(三)有益效果
本发明至少具有以下有益效果：
(1)本发明通过将待测压力的变化转换为电容量的变化，然后电容量的变化影响其放电时间，即实现了压力的变化由电容的变化表达，而电容量的变化由电容放电的时间变化来表达的过程。有效地降低了电路噪声，避免了零点漂移。
(2)本发明可以根据实际情况将计数频率提高，使得计数更准确，精度更高，从而保证测量的稳定性。
附图说明
图1是本发明一个实施例提供的基于电压时间转换的电容式压力检测装置的模块结构示意图；
图2是本发明一个实施例提供的基于电压时间转换的电容式压力检测装置的结构示意图；
图3是本发明一个实施例提供的基于电压时间转换的电容式压力检测方法流程图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本发明的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
本发明实施例提供了一种基于电压时间转换的电容式压力检测装置，参见图1，所述装置包括：电容组件、与所述电容组件连接的充电控制模块和放电控制模块、与所述放电控制模块和所述电容组件连接的计数模块、以及输出模块；其中，所述电容组件的电容量根据待检测压力的变化而改变；所述充电控制模块用于对所述电容组件进行充电，使所述电容组件的电压达到充电电压；所述放电控制模块用于对所述电容组件进行放电，使所述电容组件的电压降到0V；所述计数模块用于获取并记录所述电容组件的放电时间；所述输出模块用于将所述放电时间进行输出，完成将待测压力转换为电容组件的放电时间。
本发明中的电容组件为现有技术中用于测量压力的电容器，例如其可以为一个电容器，也可以为一对差分电容，用于测量压力的电容器在其待测压力变化时，电容量会随之变化，由此将待测压力的变化转换为电容量的变化，然后通过对该电容组件进行充电和放电，并在放电时进行计数，得到放电时间。由于不同的电容量其放电时间不同，本发明通过将待测压力的变化转换为电容量的变化，然后电容量的变化影响其放电时间，即实现了压力的变化由电容的变化表达，而电容量的变化由电容放电的时间变化来表达的过程。有效地降低了电路噪声，避免了零点漂移。
需要说明的是，现有技术中电容式压力检测装置的检测原理是压力的变化由电容的变化表达，然后通过将电容的充放电电量用电压变化来表达，测到的电压再通过运算放大器放大电路进行信号放大调理输出，但在放大调理的过程中，尤其在检测信号微小时，需要多级放大，难免会遇到由于逐级放大和测量环境温度变化而造成的各个器件参数值的变化，从而引起的零点漂移，而且信号放大的过程中，测量电路产生的噪声也将逐级放大。即其需要将压力变化转换成模拟量信号(压力值0-10V)，再进行模数转换，得到数字量的变化值。
而本发明采用数字化的处理方式，即通过计数模块得到电容组件的放电时间，该放电时间不需要再经过数模转换，其直接得到的就是数字量的变化值，合理的规避了现有技术中信号放大调理的过程中遇到的零点漂移，有效的降低了电路的噪声。
具体地，在本发明的一种可行的方式中，参见图2，所述电容组件为由第一电容C1和第二电容C2构成的差分电容。所述充电控制模块包括：充电电源0，用于对所述第一电容C1和第二电容C2进行充电；第一控制电路，通过第一控制开关K1控制所述充电电源0是否对所述第一电容C1进行充电；第二控制电路，通过第二控制开关K3控制所述充电电源0是否对所述第二电容C2进行充电。即该第一电容C1与第二电容C2并联后连接于充电电源0上。
在充电时，可以选择通过充电控制模块中的控制单元先打开第一控制开关K1对所述第一电容C1进行充电，再打开第二控制开关K3对所述第二电容C2进行充电。也可以同时打开第一控制开关K1和第二控制开关K3，同时对第一电容C1和第二电容C2进行充电，使所述电容组件的电压达到充电电压U0。
另外，继续参见图2，所述放电控制模块包括：第三控制电路，通过第三控制开关K2控制是否对所述第一电容C1进行放电；第四控制电路，通过第四控制开关K4控制是否对所述第二电容C2进行放电。所述计数模块包括：计数器5，所述计数器与所述第一电容和第二电容连接，用于记录所述电容组件的放电时间；即该第一电容C1与第二电容C2并联后与计数器5进行连接，比较器6与所述第一电容C1、第二电容C2以及计数器5连接，用于在电容组件的电压降到0V时，使所述计数器5停止计数。另外，图2中的主控单元可以包括本发明中的计数器5和输出模块，以及充电控制模块和放电控制模块中用于控制各个控制开关的开启和关闭的控制单元。
在放电时，由于有两个电容，本发明实施例可以采用一个计数器先记录其中一个电容的放电时间，然后再记录另一个电容的放电时间，也可以采用两个计数器，同时记录两个电容的放电时间。通过放电控制模块中的控制单元打开第三控制开关K2对所述第一电容C1进行放电，打开四控制开关K4对所述第二电容C2进行放电。在采用两个计数器，同时记录两个电容的放电时间时，一个计数器在第三控制开关K2打开时开始计数，直到放电结束，C1两端电压为0V时，比较器反转，结束计时，另一个计数器在第四控制开关K4打开时开始计数，直到放电结束，C2两端电压为0V时，比较器反转，结束计时。
由于放电电流恒定，放电时间与电容值成正比，由此即可通过差分电容充放电时间的变化实时检测电容的变化，从而反应压力的变化。即有T1/T2＝C1/C2，其中式中T1、T2分别为第一电容C1、第二电容C2的放电时间，式中C1、C2分别为第一电容C1、第二电容C2的电容量。
本发明中采用的通过计数器和比较器记录电容放电时间的具体过程为现有技术，在此不作赘述，计数器可以设置于单片机、ARM、或DSP中。即可以采用单片机、RISC微处理器(Advanced RISC Machine，ARM)、数字信号微处理器(digital signal processor，DSP)等具有IO接口和多个计数器等功能的控制芯片及外围电路，通过其内部IO接口与第一电容C1与第二电容C2进行连接，实现上述记录所述电容组件的放电时间的过程。
作为一种优选方式，本发明实施例中的装置还包括计数调整模块，用于根据所述电容组件的电容量变化值调整所述计数器的计数频率。具体地，计数频率可由计数器的时钟来决定，电容变化范围越小，放电时间的变化越小，则可以根据实际情况将计数频率提高，使得计数更准确，精度更高，从而保证测量的稳定性。计数频率的设置是由计数器内部函数决定的，在整个测量过程中，可以通过软件程序等实时调整设置。
具体地，计数频率f是指单位时间内计数的数量。该频率可通过主控单元内部的计数器来设置。例如设置计数频率为100Hz，即计数器每记一个数代表0.01s，当待测电容的放电时间变化＜0.01s时，当前的计数频率将不满足测试精度，则需要提高计数频率。这部分功能可通过软件实现，可以比较待测电容的放电时间变化，实时调整计数器的频率。例如可以将两次检测到的放电时间的计数值做差值，当两次检测到计数差值＝0时且计数没有结束时，系统自动提高计数频率。
根据本发明的实施例的模块、子模块、单元、子单元中的任意多个、或其中任意多个的至少部分功能可以在一个模块中实现。根据本发明实施例的模块、子模块、单元、子单元中的任意一个或多个可以被拆分成多个模块来实现。根据本发明实施例的模块、子模块、单元、子单元中的任意一个或多个可以至少被部分地实现为硬件电路，例如现场可编程门阵列(FPGA)、可编程逻辑阵列(PLA)、片上系统、基板上的系统、封装上的系统、专用集成电路(ASIC)，或可以通过对电路进行集成或封装的任何其他的合理方式的硬件或固件来实现，或以软件、硬件以及固件三种实现方式中任意一种或以其中任意几种的适当组合来实现。或者，根据本发明实施例的模块、子模块、单元、子单元中的一个或多个可以至少被部分地实现为计算机程序模块，当该计算机程序模块被运行时，可以执行相应的功能。
本发明另一个实施例还提供了一种基于电压时间转换的电容式压力检测方法，参见图3，所述方法包括：步骤1，对电容组件进行充电，使所述电容组件的电压达到充电电压；步骤2，对所述电容组件进行放电，使所述电容组件的电压降到0V；步骤3，获取并记录所述电容组件的放电时间；步骤4，将所述放电时间进行输出，完成将待测压力转换为电容组件的放电时间。根据所述电容组件的电容量变化值调整所述计数器的计数频率。
本实施例提供的方法相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。
本发明另一个实施例还提供了一种电容式压力传感器，所述传感器包括上文所述的电容式压力检测装置。
本实施例提供的电容式压力传感器相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于电压时间转换的电容式压力检测装置，其特征在于，所述装置包括：电容组件、与所述电容组件连接的充电控制模块和放电控制模块、与所述放电控制模块和所述电容组件连接的计数模块、以及输出模块；
其中，所述电容组件的电容量根据待检测压力的变化而改变；
所述充电控制模块用于对所述电容组件进行充电，使所述电容组件的电压达到充电电压；
所述放电控制模块用于对所述电容组件进行放电，使所述电容组件的电压降到0V；
所述计数模块用于获取并记录所述电容组件的放电时间；
所述输出模块用于将所述放电时间进行输出，完成将待测压力转换为电容组件的放电时间。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电容组件为由第一电容(C1)和第二电容(C2)构成的差分电容。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述充电控制模块包括：
充电电源(0)，用于对所述第一电容(C1)和第二电容(C2)进行充电；
第一控制电路，通过第一控制开关(K1)控制所述充电电源(0)是否对所述第一电容(C1)进行充电；
第二控制电路，通过第二控制开关(K3)控制所述充电电源(0)是否对所述第二电容(C2)进行充电。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述放电控制模块包括：
第三控制电路，通过第三控制开关(K2)控制是否对所述第一电容(C1)进行放电；
第四控制电路，通过第四控制开关(K4)控制是否对所述第二电容(C2)进行放电。
5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述计数模块包括：
计数器(5)，所述计数器(5)与所述第一电容(C1)和第二电容(C2)连接，用于记录所述电容组件的放电时间；
比较器(6)，所述比较器(6)与所述第一电容(C1)、第二电容(C2)以及计数器(5)连接，用于在电容组件的电压降到0V时，使所述计数器(5)停止计数。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：计数调整模块，用于根据所述电容组件的电容量变化值调整所述计数器的计数频率。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述计数器设置于单片机、ARM、或DSP中。
8.一种基于电压时间转换的电容式压力检测方法，其特征在于，所述方法包括：
对电容组件进行充电，使所述电容组件的电压达到充电电压；
对所述电容组件进行放电，使所述电容组件的电压降到0V；
获取并记录所述电容组件的放电时间；
将所述放电时间进行输出，完成将待测压力转换为电容组件的放电时间。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据所述电容组件的电容量变化值调整所述计数器的计数频率。
10.一种电容式压力传感器，其特征在于，所述传感器包括权利要求1-7中所述的电容式压力检测装置。
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