CN1141588C - 一种电容检测电路及其应用 - Google Patents

Abstract

一种可称之为虚部法电容测量的电路，其特征是含有载波信号发生器1、载波式测量电路2和虚部信号分离电路3。能适应工程上被测电容需一极接地，及存在并联漏电阻和/或有电容干扰的实况需要，测量输出正比于被测电容CX的电信号。特别适合用于电容式传感器中，测量微小电容或电容增量。并通过被测电容的测量，检测引起电容变化的其他物理量，如用作物料水分测量传感器，空气湿度、温度、露点预报多功能测量传感器。

Description

一种电容检测电路及其应用

技术领域

本发明属于一种电子电路，特别适用于工程上使用的电容式传感器中，通过检测其电容来测量其他物理量。

背景技术

非电量电测中，以电容为敏感元件的电容式传感器的电容检测，大多要求将被测电容器的两端浮地接入测量电路。但工程上需用电容法进行物理量变换的场所，往往难以避免地需要将接地的被测对象作为电容的接地极，只能在传感器中为电容设置另一极来进行测量，这就使常用的电容测量电路不能用于这种工程测量场所。此外，已有测量电路的输出函数不是关于电容量的线性函数，测量难以取得良好的线性。

技术内容

本发明的任务，是提供一种：被测电容一端接地，其输出函数是被测电容量的线性函数的电容检测电路。

本发明涉及的电容检测电路其特征是：它含有载波信号发生器1、载波式测量电路2和虚部信号分离电路3；载波信号发生器1产生等幅定频的载波信号UI，输送到载波式测量电路2的信号输入端IN作为工作载波，被测电容CX的测量极4端接载波式测量电路2的电容器输入端I，被测电容CX的另一极5接地，载波式测量电路2输出由与载波信号同相的实部信号，和正比于载波信号幅度及被测电容值的虚部信号合成的复数信号UC，输送到虚部信号分离电路3的信号输入端X，另一与载波信号UI有特定相位关系的同频信号UK输送到虚部信号分离电路3的控制端K作为虚部分离参考信号；虚部信号分离电路3输出分离得到的，反映被测电容信息的电信号UO。(参见图1A、图1B)

本发明能适应工程上被测电容需一级接地，及存在并联电阻和/或有电容干扰的实况，并测量输出正比于电容CX的电信号。除很好地实现了发明目的外。特别适合于电容式传感器中，测量微小电容或电容增量。并能通过电容的测量检测其他物理量。如当被测电容CX的与测量对象相接的电极发生低频振动而导致被测电容变化时，本发明能输出正比于该振动引起的电容脉动信号，从而能检测该振动。又如当固定的电极4和5间的介质变化导致被测电容变化时，而能检测介质介电系数的变化等。

传感器含有电容式湿敏探头和与之联合工作的传感器电路；其特征是所述电容式湿敏探头具有内、外筒套，绝缘地同心联结安装形成的圆柱形状，内、外筒套是检测电容的两极，其中一极为地电极，另一极为测量极；相应介质如空气或其他需检测含水率的物料充斥于电容两极间，探头敏感因介质湿度变化导致介电常数变化而引起的检测电容变化；所说传感器电路含有由载波信号发生器、载波式测量电路和虚部信号分离电路构成的”虚部法电容测量电路”，其载波式测量电路可主要是一运算放大器，载波信号发生器输出的频率稳定的载波信号输送到该运放的正输入端，被测电容的地电极接地，测量极经串接电容接运放的负输入端，运放的负输入端经反馈电阻接运放的输出端，载波式测量电路输出虚部含有正比于检测电容值的复数信号到虚部信号分离电路，虚部信号分离电路输出经分离得到的仅含虚部信息的电信号到后续电路。当有分布电容干扰时，可于探头上增设等电位保护极，载波式测量电路上相应增设由另运放与等电位保护极相应联接构成的等电位驱动电路。(参见图2B、图3)

所述的载波式测量电路(2)，是一个以运算放大器N1、反馈电阻R1及被测电容CX组成的串联电压负反馈放大器；来自载波信号发生器(1)的等幅定频的载波信号UI接运放N1的“+”端IN，运放N1的负端I接被测电容CX的4端。

所述的载波式测量电路(2)，有由运算放大器N3与相应的等电位保护极(U8)联结构成的等电位驱动电路D：N3的正输入端接N1的负输入端，N3的负输入端接其输出端作成跟随器，N3的输出端接等电位保护极(U8)。

所述载波信号发生器(1)提供给虚部信号分离电路(3)的同频参考信号UK即是载波信号发生器(1)提供给载波式测量电路(2)的等幅定频信号UI，而等幅定频信号UI是一个等幅的正弦波信号；虚部信号分离电路(3)是一个含有电阻器R3-R6，运放N2的减法器电路，其中，R6/R5＝R4/R3＝K1，R5的一端作为虚部信号分离电路的控制输入端K，R5的另一端接N2的负输入端，N2的负输入端又经R6接到其输出端，其输出端输出虚部信号分离电路(3)的输出信号UO；R3的一端作为虚部信号分离电路的信号输入端X，R3另一端接N2的正输入端，N2的正输入端还经R4接地。

所述载波信号发生器(1)输送到载波式测量电路(2)的等幅定频载波信号UI是一个准正弦三角波信号，而同频参考信号UK是一个相对载波信号UI相位差超前或滞后90度，其幅值符合电路的逻辑电平要求的对称方波信号；虚部信号分离电路(3)是一个含有同相检出电路(6)、反相检出电路(7)和同相减反相电路(8)的相敏检波电路。由载波式测量电路(2)输出的信号UC接入同相检出电路(6)和反相检出电路(7)的信号输入端X，载波信号发生器(1)输出的与载波信号UI相位差90度的同频参考信号UK接入同相检出电路(6)和反相检出电路(7)的控制端K，同相检出电路(6)和反相检出电路(7)的另一个信号输入端接地。

所述虚部信号分离电路(3)的同、反相检出电路(6、7)用具有XA、XB通道，每个通道有两个输入端XA0、XA1和XB0、XB1，和各有一个输出端XA、XB的数据选择器U如CD4053构成，来自载波式测量电路的复数信号UC接XA1、XB0，而XA0、XB1接地，来自载波信号发生器的同频参考信号UK接到控制端KA、KB；XA、XB通道的输出信号各自分别经R11和R13接至由R11-R14、N4构成的同相减反相电路(8)的N4的正、负输入端，运放N4的正输入端还经R12接地，运放N4的负输入端还经R14接其输出端U0；保证R11/R12＝R13/R14＝K2。

所述的载波信号发生器等的电容式湿敏传感器，含有电容式湿敏探头和与之联合工作的传感器电路；其特征是：所述电容式湿敏探头具有内、外筒套，绝缘地同心联结安装形成的圆柱形状，内、外筒套是检测电容的两极，其中一极为地电极，另一极为测量极；所述传感器电路含有由载波信号发生器、载波式测量电路和虚部信号分离电路构成的”虚部法电容测量电路”，其载波式测量电路主要是一运算放大器，载波信号发生器输出的频率稳定的载波信号输送到该运放的正输入端，检测电容的地电极接地，测量极经串接电容接运放的负输入端，运放的负输入端经反馈电阻接运放的输出端，载波式测量电路输出虚部含有正比于检测电容值的复数信号到虚部信号分离电路，虚部信号分离电路输出经分离得到的仅含虚部信息的电信号到后续电路。

所述探头上设有等电位保护极，载波式测量电路有由运算放大器N3与相应的等电位保护极联结构成的等电位驱动电路D；N3的正输入端接N1的负输入端，N3的负输入端接其输出端作成跟随器，N3的输出端按等电位保护极。

所述传感器探头含有带圆柱锥头的芯杆(11)、呈台肩圆筒形的测量(12)极、手柄极(13)构成的探针部和手柄(14)，芯杆、测量极、手柄极同轴线依次叠套，用高强度套管相互隔离绝缘地连成一体，并保持测量极(12)的大端端面与芯杆(11)的锥头圆柱部端面间，以及手柄极小端端面与测量极台肩端面间有相应间距。手柄极(13)与手柄(14)连接。芯杆(11)、手柄极(13)分别经电接点A1、A3接地共同成为检测电容CX的地电极，CX的测量极(12)经电接点A2与传感器电路相应连接，传感器电路板(15)设置在手柄(14)内部的空腔中；传感器电路中的虚部信号分离电路用具有XA、XB通道，每个通道各有两个输入端XA0、XA1和XB0、XB1，和各有一个输出端XA、XB的数据选择器U-CD4053构成同、反相检出器，来自载波式测量电路的复数信号UC接XA1、XB0，而XA0、XB1接地；同频参考信号UK接到控制端KA、KB；XA、XB通道的输出信号各自分别经R11和R13接至由R11-R14、N4构成的同相减反相电路N4的正、负输入端，运放N4的正输入端还经R12接地，运放N4的负输入端还经R14接其输出端U0。保证R11/R12＝R13/R14＝K2。

所述传感器探头有同心绝缘联结于上、下端盖(U2、U14)间的内筒(U5)和外套(U9)，内、外筒套(U5、U9)由抗腐蚀金属材料制作，分别构成湿敏探头电容的测量极和地电极，内筒(U5)的内表面上还绝缘地设有等电位保护极(U8)，传感器电路板(U7)被密封地，并以与上述电极实现相应电联结的方式装设于内筒(U5)中，上端盖(U2)的中央部设有与电路板(U7)实现相应电联结的电缆插座(U1)，一与电路板有相应电联结的温敏元件(U12)表露地装设于探头适当部位，由内筒外套构成的环形腔道的上、下两端有与外界连通的孔道；传感器电路除含有相应的“虚部法电容检测电路”外，还含有能向各电路提供正、负稳压电源VCC、VSS的电源电路(71)，单片机电路(72)，滤波放大减法器(76)，放大器(77)，温度测量电路(78)；单片机电路(72)的PWM控制器输出一个频率f稳定的，幅度稳定等于VCC到地的对称方波接到载波信号发生电路(73，虚部信号分离电路(75)输出的电信号UO接滤波放大减法器(76，滤波放大减法器(76)输出经校准标定的信号又经放大器(77)放大后的正双于空气含水量的信号，和温度测量电路(78)输出的温度电压信号分别接到单片机电路(72)的相应接口，单片机将测得的空气温度量值、含水率量值和据此计算得到的空气相湿度、露点等量值以数字信号和/或以模拟信号输出。

所述载波式测量电路(74)、温度测量电路(78)含有运放N0：A-N0：D、电阻R9-R15、电容C10-C14，其中，V2、N0：D、R12-R15构成温度测量电路(78)；运放N0的正电源脚4脚接VCC，负电源脚11脚接VSS，输入的三角波载波信号经电容C10接N0：A的3脚和电阻R9，R9的另一端接地，N：A的2脚经R10接1脚，2脚还接到等电位驱动器跟随器N0：B的5脚，和经电容C12、测量极接线端接测量极U5，N：B的6脚接7脚，7脚经电容13、端子D接到等电位驱动极U8，1脚经电容C11接10脚，10脚经R11接地，9脚经电阻R15接8脚和经电阻R14接14脚，14脚经电阻R13与电容C14并联电路接13脚，13脚经电阻R12接正电源VCC；13脚还接测温器件V2的正端，V的负端接负电源VSS，12脚接地。虚部信号分离电路(75)含有D4、N1：A、R16-R19、C15。D4使用CD44053，N1：A应用低失调高速运放，其连接为：C15的一端接电压信号XH，另一端接作为相敏检波器的D4的1、5脚，D4的2、3、6、11-14脚接地，9、10脚接同频参考信号UK，7脚接VSS，8脚接地，16脚接VCC，15脚接R16，R16另一端接N1：A的3脚，3脚经R17接地，D4的4脚经R18接N1：A的2脚，2脚还经R19接1脚，分离得到和虚部信号UJ从1脚输出，并有R17/R16＝R19/R18＝KX；C15将XH中的交变成分选通到本电路进行相敏检波，输出的有效成分是XH中与PWM同相的方波部分的绝对值UJ。并有：

UJ＝UI·ω·CX·RI0·KX.滤波放大减法器电路(76)含有N3：A、N3：B，R20-R24，电位计RP1，电容C16。虚部信号分离电路(75)的输出信号UJ通过R24进入由R22-R24、N3：B、C16、RP1构成的并联电压负反馈放大器式的积分低通滤波器，载波信号发生器输出的负脉动三角波UI经运放N3：A放大后作为减数，通过RP1、R22进入滤波放大减法器。放大器电路(77)含有N2：B、N2：C、电阻R25-R30、RP2、电容C17、C18；其中，N2：B电路是含水量放大电路，来自N3：B的表征含水量的电压JF经R25进入N2：B的负端6脚，经反相放大并积分低通滤波消除脉动成分，通过RP2调节放大量，以一定比例输出适于单片机电路AD变换器采集的电压X1，经限流保护电阻R27送到单片机的2脚；其中，N2：C相关电路是温度信号放大器，由测量电路(74)输出的叠加信号经R28输入N2：C的负端9脚，作反相放大，并滤除交变成分，以一定的比例输出适于单片机AD变换器采集的电压VW，经限流保护电阻R30送到单片机的4脚。

附图说明

附图1A为本发明介绍的虚部法电容测量电路框图(理想环境)；

附图1B为本发明介绍的虚部法电容测量电路框图(有干扰环境)；

附图2A为理想环境下载波式测量电路2的具体示意图；

附图2B为有干扰环境下载波式测量电路2的具体示意图；

附图3为带等电位驱动电路D的载波测量电路示意图；

附图4为减法器电路示意图；

附图5为被测量电容有并联漏电阻(RX)的虚部法电容测量电路结构框图；

附图6为对称方波信号示意图；

附图7为对称方波虚部信号分离电路的一实施方案示意图；

附图8为一种用于物料水分测量传感器的结构示意图；

附图9为一种电容式湿敏多功能传感器结构示意图；

附图10为电容式湿敏多功能传感器电路框图；

附图11为电容式湿敏多功能传感器实施电路示意图。

具体实施方式

根据测量环境的不同，虚部法电容测量电路可以有不同的实施方案。下面结合附图作进一步说明。

当测量环境相对理想，不需考虑被测电容引线分布电容的影响，和/或被测电容的测量极不受干扰无需屏蔽的条件下，所说的载波式测量电路2，可以是一个以运算放大器N1、反馈电阻R1及被测电容CX组成的串联电压负反馈放大器。来自载波信号发生器1的等幅定频的载波信号UI接运放N1的“+”端IN，运放N1的负端I接被测电容CX的4端，被测电容CX的另一极5接地(见图2A)。它的工作原理如下。其载波信号是频率为f，大小为UI的正弦波，其输出电压UC为：

UC＝UI[1+R1/(1/JωCX)]＝UI(1+JωCX·R1)

                         ----------(1)

式(1)中的角频率ω＝2πf。式(1)中的虚部含有被测电容CX因子。从而可藉式(1)和已知的UI及测得的UC，再用虚部信号分离电路3角算得出能表征被测电容CX的一次线函数。

图2A所示方案中，当需要将运放N1的负输入端I到被测电容测量极4的引线延长时，引线对外部器件的电容CC时常远大于被测电容CX，并且引线的电容是不稳定的；又在某些测量结构中，被测电容的测量极4处于有干扰的恶劣环境，为免受干扰，传统的方法是将它用地电位屏蔽起来。但这种方式同样存在着屏蔽地对测量极4的电容及其不稳定性问题。为解决上述问题，可在图2A所示方案基础上，增加一运算放大器N3与等电位保护极U8联结构成的等电位驱动电路D：N3的正输入端接N1的负输入端，N3的负输入端接其输出端作成跟随器，N3的输出端接等电位保护极U8。所述等电位保护极U8是指用来将运放N1的负输入端I到测量极4的传输线包围起来的屏蔽线和/或将测量极易受外界电场干扰的表面罩起来的金属套。由于N3的输出端跟随其输入的电位，它能驱动等电位保护极U8使之与其所屏蔽的传办输线和/或测量极等电位，不存在电位差，也就不存在电容效应。从而消除分布电容及其不稳定性的影响，又能以极低的阻抗吸收外部的电场干扰。保证测量的稳定可靠。见图3。

又当测量环境相对理想，被测电容不存在并联漏电阻的影响，即被测电容的接地电极5与其测量电极4之间的绝缘漏电阻RX具有较被测电容在载波频率下的容抗大数十倍，且RX为图2中的反馈电阻R1的数十倍时，“虚部法电容测量电路”实施方案可采用如图4所示的电路框图。其特征是提供给虚部信号分离电路3的同频参考信号U K即是载波信号发生器1提供给载波式测量电路2的等幅定频信号UI。而等幅定频信号UI是一个等幅的正弦波信号。它可以用等幅的对称方波经低通或带通滤波获得。方案中的虚部信号分离电路3，可是如图4所示的一个减法器电路。该电路含有电阻器R3-R6，运放N2，其中，R6/R5＝R4/R3＝K1，R5的一端作为虚部信号分离电路的控制输入端K，R5的另一端接N2的负输入端，N2的负输入端经R6接到其输出端，输出端输出作为虚部信号分离电路3的输出信号UO；R3的一端作为虚部信号分离电路的信号输入端X，R3另一端接N2的正输入端，N2的正输入端还经R4接地。由该减法器电路构成的虚部信号分离电路的控制输入端K所接的同频参考信号UK等于UI。该电路的输出电压UO：

UO＝K1(UC-UK)＝K1(UC-UI)引入式(1)，则有

＝K1[UI(1+jωCX·R1)-UI]

＝K1·UI·jωCX·R1

＝jωCXR1·K1------(2)

式(2)是正比于被测电容量CX的一次函数，它是将如式(1)所描述的载波式测量电路2所输出的复数电压的实部减去后，仅含虚部电压的，且可表征被测电容量CX的线性函数。对式(2)的输出进行校准标定，便可线性地测量电容CX。

但工程上常迂到的测量环境并不理想，特别是被测量的电容CX上，易因污染而并联有漏电阻。下方案是一个容许被测电容有并联漏电阻(RX)的虚部法电容测量电路。图5是其实施方案结构框图。

本实施方案的载波信号发生器1输送到载波式测量电路2的等幅定频载波信号UI是一个准正弦信号(三角波)，而同频参考信号UK是一个相对载波信号UI相位差超前或滞后90度，其幅值符合电路的逻辑电平要求的对称方波信号。(见附图6)

当被测电容CX上存在并联漏电阻RX时，图2相应变化如图2B。前式(1)演变为式(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)中也只有其虚部jωCX·R1·U1是正比于被测电容CX的。面实部则是我们应力图剔除的部分。但前实施方案只能剔除其中的UI项，不能剔除因并联漏电阻产生的(UI·R1/RX)项。故虚部信号分离电路3需相应变化，其电路框图如图5。它是一个含有同相检出电路6、反相检出电路7和同相减反相电路8的相敏检波电路。由载波式测量电路2输出的信号UI接入电路6、7的信号输入端X，载波信号发生器I输出的与载波信号UI相位差90度的同频参考信号UK接入电路6、7的控制端K，电路6、7的另一个信号输入端接地。同相检出电路6在参考信号UK的正半波控制下，将信号UC切换到其输出端IN+，并接到同相减反相电路8的正输入端，同相检出电路6在参考信号UK的负半波控制下，将信号地信号切换到其输出端IN+，并接到同相减肥反相电路8的正输入端；反相检出电路7在参考信号UK的负半波控制下，将信号UC切换到其输出端IN-，并接到同相减反相电路8的负输入端；反相检出电路7在参考信号UK的正半波控制下，将信号地信号切换到其输出端IN-，并接到同相减反相电路8的负输入端。由于载波信号UI的相位相对同频参考信号UK差90度，而被测电容CX所引起的虚部信号分量较UI导前90度，因此与UK同相。而由R1、RX引起的实部分量则与UI同相。通过上述相敏检波电路处理后输出的UO中，UC的实部波形无论是正半波或负半波均被处理成正负各半的波形，可被后续的低通滤波器平滑为零，而UC的虚部波形的正、负半波均被处理成全部是正的半波(当UK相位滞后时)或全部是负的半波(当UK相位超前时)，能被后续的低通滤波器平滑为正的输出或负的输出，从而实现虚部分离，并获得正比于被测电容CX的输出量。

图7是上述方案的虚部信号分离电路一实施例的电路结构。同、反相检出器6、7用数据选择器U如CD4053构成。该器件有XA、XB通道，每个通道有两个输入端XA0、XA1和XB0、XB1，各有一个输出端XA、XB。当XA、XB通道的控制端KA、KB为高电平时，输出端XA、XB分别接通其输入端XA1、XB1；当XA、XB通道的控制端KA、KB为0电平时输出端XA、XB分别接通其输入端XA0、XB0。来自载波式测量电路的复数信号UC接XA1、XB0，而XA0、XB1接地；来自载波信号发生器的同频参考信号UK接到控制端KA、KB。XA通道即是同相检出电路6，XB通道即是反相检出电路7，它们的输出信号各自分别经R11和R13接至由R11-R14、N4构成的同相减反相电路8的N4的正、负输入端。运放N4的正输入端还经R12接地，运放N4的负输入端还经R14接其输出端UO。保证R11/R12＝R13/R14＝K2。所输出的信号UO经平滑滤波则可获得正比于电容CX的虚部信息。本电路当被测电容CX的电极4与接地的电极5之间存在工频或低于载波频率的干时，还具有自动按载波的半周期时间宽度，将干扰的正、负半波均按载波半周期时间宽度切成正负对称的等值波形，可用后续的平滑低通滤波电路抑制到接近于零。从而具有良好的抗干扰能力。

电容式湿敏传感器就是本发明的应用。

下面结合附图，对本发明作进一步说明。

图9所示是一种电容式湿敏多功能传感器。能检测空气的含水量、温度、相对湿度等物理量。

电容式湿敏多功能传感器含有电容式湿敏探头和与探头联合工作的传感器电路。所述探头有同心绝缘联结于上、下端盖U2、U14间的内筒U5和外套U9，内、外筒套U5、U9由抗腐蚀金属材料制作，分别构成湿敏探头电容的测量极和地电极，内筒U5的内表面上还绝缘地设有等电位保护极U8，传感器电路板U7被密封地，并以与上述电极实现相应电联结的方式装设于内筒U5中，上端盖U2的中央部设有与电路板U7实现相应电联结的电缆插座U1，一与电路板有相应电联结的温敏元件U12表露地装设于探头适当部位，由内筒外套构成的环形腔道的上、下两端有与外界连通的孔道，以便被检介质空气能在上述环腔中流通。(参见附图9)；所述传感器电路其特征是除含有与上述电容式湿敏感器相应的“虚部法电容检测电路”外，还含有能向各电路提供正、负稳压电源VCC、VSS的电源电路71，单片机电路72，滤波放大减法器76，放大器77，温度测量电路78；单片机电路72的PWM控制器输出一个频率f稳定的，幅度稳定等于VCC到地的对称方波接到载波信号发生电路73，虚部信号分离电路75输出的电信号UO接滤波放大减法器76，滤波放大减法器76输出经校准标定的信号再经放大器77放大后的正双于空气含水量的信号，和温度测量电路78输出的温度电压信号分别接到单片机电路72的相应接口AD0、AD1，单片机将测得的空气温度量值、含水率量值和据此计算得到的空气相对湿度、露点等量值以串行接口输出数字SIO，或以DA转换器输出正比于空气相对湿度的直流电压，经电缆插头1的通信线与上位计算机或二次仪表通信(参见附图10)。

图11示出上述传感器一实例的电路结构。

传感器电路经插头1由外部7·5-15V直流电源供电，接到电源电路71的输入端VDD。电源电路71由正的可调稳压电源集成电路N4、电容器C19、C20组成正稳压电源VCC，其正输入端VDD接插头座的电源线P，地线GND接插头座的地线G。电源电路71还含有由开头电源稳压器集成电路N5，电容器C21-C23、电阻R31、电感L1、二极管V1组成的负稳压电源VSS，其输入端接正稳压电源的输出VCC。单片机电路72由单片机D1、D2、串行通信集成电路D3、电阻R1-R5、电容C1-C9、石英晶体谐振器Z、运放N2：D构成。D2和N2：D等组成DA变换器，将单片机测量运算得出的空气相对湿度以100％RH对应5V的比率输出，供模拟仪表使用。D1、D3等构成串行通信电路，将单片机测得的空气温度(℃)、含水率(g/m²)、相对湿度(％RH)、露点预测等信息传输给其他计算机。单片机电路72的PWM控制器输出的，由其晶振分频得到的稳定频率为f0＝2048-8192Hz，幅度等于VCC到地的对称方波接到载波信号电路73的输入电阻R8。载波信号电路73含有运放N1：B、电阻R7、R8、电容C30。运放N1：B的负输入端接输入电阻R8，其正输入端接地，负输入端还经R7、C30并联电路接输出端。输出频率等于f相位较输入的方波滞后90度的三角波信号弹UI。

载波式测量电路74的载波输入端ZB接电路73输出的三角波信号UI，载波式测量电路74、温度测量电路78含有运放N0：A-N0：D、温度敏感器件V2、电阻R9-R15、电容C8-C14。运放N0的正电源脚4脚接VCC，负电源脚11脚拉VSS，输入的三角波载波信号经电容C10接N0：A的3脚和电阻R9，R9的另一端接地，N：A的2脚经R10接1脚，2脚还接到等电位驱动器跟随器N0：B的5脚，和经电容C12、测量极接线端6A、定位螺钉6接测量极U5，N：B的6脚接7脚，7脚经电容13、端子D接到等电位驱动极U8，1脚经电容C11接10脚，10脚经R11接地，9脚经电阻R15接8脚和经电阻R14接14脚步，14脚经电阻R13与电容C14并联电路接13脚，13脚经电阻R12接正电源VCC；13脚还接测温器件V2的正端，V的负端接负电源VSS，12脚接地。电路中的运放N0：B是作等电位驱动跟随器，跟随并将作电流放大的测量极信号经电容C13及端子D接到探头的等电位驱动极U8，达到使测量极U5对探头内的变换器电路因有等电位驱动极U8的同电位隔离而无分布电容，从而克服干扰，而只对电位等于0的地电极U9存在电容CX，以实现测量空气含水量的目的。而V2、N0：D、R12、R13、C14构成温度测量电路78。为了节约传输线和共用放大器同时对温度直流信号与湿度交流信号作处理，故温度测量电路的输出经电阻R14输送到运放N0：C的负输入端9脚，由与R15、N0：C组成的并联电压负反馈放大器对温度信号作反相放大输出。放大系数是：KW＝-R15/R14。而湿度交流信号则从运放N0：C的正输入端10脚进入，交流放大系数是：

KJ＝1+R15/R14。

被叠加的信号从N0：C的8脚输出。

输出信号的交流部分是三角波与方波叠加的复变函数。其实部信号是三角波，相位较PWM方波滞后90度，其值正比于反馈电阻R10与测量极对地的漏电阻RX的比值加1乘载波信号幅度UI；其虚部信号是方波，相位与PWM信号同相，其值等于载波信号幅度UI乘以反馈电阻比被测电容的容抗。总的输出电压XH是：

XH＝KJ·UI(1+R10/RX)+UI(j·ω·CX·R10)

虚部信号分离电路75含有D4、N1：A、R16-R19、C15。D4使用CD44053，N1：A应用低失调高速运放，其连接为：C15的一端接电压信号XH，另一端接作为相敏检波器的D4的1、5脚，D4的2、3、6、11-14脚接地，9、10脚接同频参考信号UK，7脚接VSS，8脚步接地，16脚接VCC，15脚接R16，R16另一端接N1：A的3脚，3脚经R17接地，D4的4脚经R18接N1：A的2脚，2脚还经R19接1脚，分离得到和虚部信号UJ从1脚输出。C15将XH中的交变成分选通到本电路进行相敏检波，输出的有效成分是XH中与PWM同相的方波部分的绝对值UJ。并有：

UJ＝UI·W·CX·RI0·KX.

本实用新型是通过检测探头电容两极间空气介质含水量(湿度)变化而导致被测电容CX量值变化来实现相关物理量测量的。上式中被测电容量值CX及电压UJ都是由相应的两部分构成的。但我们关注的只应是空气湿度引起介质介电常数变化导致的被测电容增量CU所对应的那部分电压增量UU，而对于其值远大于上述电容增量的被测电容原始固有的电容值CC(线路中的探头电容器处于干空气中的电容)所对应的电压UC应当予以剔除(减去)，以提高测量精度。

上述各量相应有如下关系：CX＝CU+CC

UJ＝UU+UC其中

UU＝UI·W·CU·R10·KX

UC＝UI·W·CC·R10·KX

可见UU、UC都是一个正比于UI的电压。但UC是一个比UU大得多的量。若UI不稳定影响UC的稳定。故若用稳定的VCC分压替代UC，则会带来减法输出有很大误差。应当用载波电压UI经线性变换为直流电压作为减法器中的减数。

滤波放大减法器电路76含有N3：A、N3：B，R20-R24，电位计RP1，电容C16。虚部信号分离电路75的输出信号UJ通过R24进入由R22-R24、N3：B、C16、RP1构成的并联电压负反馈放大器式的积分低通滤波器，以将被处理的所有信号电压中的交变成分滤除而保留直流成分。据上段落的分析，本电路将载波信号发生器输出的负脉动三角波UI经运放N3：A放大后作为减数，通过RP1、R22进入滤波放大减法器。于传感器处于干空气中，调节RP1，使N3：B输出的电压JF＝0，对应空气含水量等于0。当传感器处于湿空气时，N3：B输出一个反映空气含水量的负电压。

放大器电路77含有N2：B、N2：C、电阻R25-R30、RP2、电容C17、C18。其中，N2：B电路是含水量放大电路，来自N3：B的表征含水量的电压JF经R25进入N2：B的负端6脚，经反相放大并积分低通滤波消除脉动成分，通过RP2调节放大量，以一定比例输出适于单片机电路AD变换器采集的电压X1，经限流保护电阻R27送到单片机的2脚；其中，N2：C相关电路是温度信号放大器，由商量电路74输出的叠加信号经R28输入N2：C的负端9脚，作反相放大，并滤除交变成分，以一定的比例输出适于单片机AD变换器采集的电压VW，经限流保护电阻R30送到单片机的4脚。单片机在测得温度T和空气含水量U后，查表或迭代计算得出相应的空气饱和绝对含水率J，然后计算出相对湿度UX＝(U/J)100％RH，和计算出饱和含水率等于当前空气含水量的温度，作为露点预报参数输出。

图8是一种物料水分测量传感器的结构。很适合用于对散装袋装的谷物、面粉、医用粉状原料及矿物粉等细粒状物料的含水率作现场实时检测。传感器含有带圆柱锥头的芯杆11、呈台肩圆筒形的测量12极、手柄极13构成的探针部和手柄14。芯矸、测量极、手柄极同轴线依次叠套，用高强度套管相互隔离绝缘地连成一体，并保持测量极12的大端端面与芯杆11的锥头圆柱部端面间，以及手柄极小端端面与测量极台肩端面间有相应间距。手柄极13与手柄14连接。芯杆11、手柄极13分别经电接点A1、A3接地共同成为检测电容CX的地电极，CX的测量极12经电接点A2与传感器电路相应连接，传感器电路板15设置在手柄14内部的空腔中。传感器电路中的虚部信号分离电路采用前述图4的结构。

Claims (11)

1、一种电容检测电路，其特征是：它含有载波信号发生器(1)、载波式测量电路(2)和虚部信号分离电路(3)；载波信号发生器(1)产生等幅定频的载波信号UI，输送到载波式测量电路(2)的信号输入端IN作为工作载波，被测电容CX的测量极(4)端接载波式测量电路(2)的电容器输入端I，被测电容CX的另一极(5)接地，载波式测量电路(2)输出由与载波信号同相的实部信号和正比于载波信号幅度及被测电容值的虚部信号合成的复数信号UC，输送到虚部信号分离电路(3)的信号输入端X，另一与载波信号UI有特定相位关系的同频信号UK输送到虚部信号分离电路3的控制端K作为虚部分离参考信号；虚部信号分离电路(3)输出分离得到的，反映被测电容信息的电信号UO。

2、按权利要求1所述的电容检测电路，其特征是：所述的载波式测量电路(2)，是一个以运算放大器N1、反馈电阻R1及被测电容CX组成的串联电压负反馈放大器；来自载波信号发生器(1)的等幅定频的载波信号UI接运放N1的“+”端IN，运放N1的负端I接被测电容CX的4端。

3、按权利要求2所述的电容检测电路，其特征是：所述的载波式测量电路(2)，有由运算放大器N3与相应的等电位保护极(U8)联结构成的等电位驱动电路D：N3的正输入端接N1的负输入端，N3的负输入端接其输出端作成跟随器，N3的输出端接等电位保护极(U8)。

4、按权利要求1、2或3所述的电容检测电路，其特征是：所述载波信号发生器(1)提供给虚部信号分离电路(3)的同频参考信号UK即是载波信号发生器(1)提供给载波式测量电路(2)的等幅定频信号UI，而等幅定频信号UI是一个等幅的正弦波信号；虚部信号分离电路(3)是一个含有电阻器R3-R6，运放N2的减法器电路，其中，R6/R5＝R4/R3＝K1，R5的一端作为虚部信号分离电路的控制输入端K，R5的另一端接N2的负输入端，N2的负输入端又经R6接到其输出端，其输出端输出虚部信号分离电路(3)的输出信号UO；R3的一端作为虚部信号分离电路的信号输入端X，R3另一端接N2的正输入端，N2的正输入端还经R4接地。

5、按权利要求1、2或3所述的电容检测电路，其特征是：所述载波信号发生器(1)输送到载波式测量电路(2)的等幅定频载波信号UI是一个准正弦三角波信号，而同频参考信号UK是一个相对载波信号UI相位差超前或滞后90度，其幅值符合电路的逻辑电平要求的对称方波信号；虚部信号分离电路(3)是一个含有同相检出电路(6)、反相检出电路(7)和同相减反相电路(8)的相敏检波电路。由载波式测量电路(2)输出的信号UC接入同相检出电路(6)和反相检出电路(7)的信号输入端X，载波信号发生器(1)输出的与载波信号UI相位差90度的同频参考信号UK接入同相检出电路(6)和反相检出电路(7)的控制端K，同相检出电路(6)和反相检出电路(7)的另一个信号输入端接地。

6、按权利要求5所述的电容检测电路，其特征是：所述虚部信号分离电路(3)的同、反相检出电路(6、7)用具有XA、XB通道，每个通道有两个输入端XA0、XA1和XB0、XB1，和各有一个输出端XA、XB的数据选择器U-CD4053构成，来自载波式测量电路的复数信号UC接XA1、XB0，而XA0、XB1接地，来自载波信号发生器的同频参考信号UK接到控制端KA、KB；XA、XB通道的输出信号各自分别经R11和R13接至由R11-R14、N4构成的同相减反相电路(8)的N4的正、负输入端，运放N4的正输入端还经R12接地，运放N4的负输入端还经R14接其输出端UO；保证R11/R12＝R13/R14＝K2。

7、一种含有如权利要求1所述的载波信号发生器等的电容式湿敏传感器，含有电容式湿敏探头和与之联合工作的传感器电路；其特征是：所述电容式湿敏探头具有内、外筒套，绝缘地同心联结安装形成的圆柱形状，内、外筒套是检测电容的两极，其中一极为地电极，另一极为测量极；所述传感器电路含有由载波信号发生器、载波式测量电路和虚部信号分离电路构成的“虚部法电容测量电路”，其载波式测量电路主要是一运算放大器，载波信号发生器输出的频率稳定的载波信号输送到该运放的正输入端，检测电容的地电极接地，测量极经串接电容接运放的负输入端，运放的负输入端经反馈电阻接运放的输出端，载波式测量电路输出虚部含有正比于检测电容值的复数信号到虚部信号分离电路，虚部信号分离电路输出经分离得到的仅含虚部信息的电信号到后续电路。

8、按权利要求7所说的电容式湿敏传感器，其特征是：所述探头上设有等电位保护极，载波式测量电路有由运算放大器N3与相应的等电位保护极联结构成的等电位驱动电路D；N3的正输入端接N1的负输入端，N3的负输入端接其输出端作成跟随器，N3的输出端按等电位保护极。

9、按权利要求7所说的电容式湿敏传感极，其特征是：所述传感器探头含有带圆柱锥头的芯杆(11)、呈台肩圆筒形的测量(12)极、手柄极(13)构成的探针部和手柄(14)，芯杆、测量极、手柄极同轴线依次叠套，用高强度套管相互隔离绝缘地连成一体，并保持测量极(12)的大端端面与芯杆(11)的锥头圆柱部端面间，以及手柄极小端端面与测量极台肩端面间有相应间距。手柄极(13)与手柄(14)连接，芯杆(11)、手柄极(13)分别经电接点A1、A3接地共同成为检测电容CX的地电极，CX的测量极(12)经电接点A2与传感器电路相应连接，传感器电路板(15)设置在手柄(14)内部的空腔中；传感器电路中的虚部信号分离电路用具有XA、XB通道，每个通道各有两个输入端XA0、XA1和XB0、XB1，和各有一个输出端XA、XB的数据选择器U-CD4053构成同、反相检出电路，来自载波式测量电路的复数信号UC接XA1、XB0，而XA0、XB1接地；同频参考信号UK接到控制端KA、KB；XA、XB通道的输出信号各自分别经R11和R13接至由R11-R14、N4构成的同相减反相电路N4的正、负输入端，运放N4的正输入端还经R12接地，运放N4的负输入端还经R14接其输出端UO；并保证R11/R12＝R13/R14＝K2。

10、按权利要求8所说的电容式湿敏传感器，其特征是：所述传感器探头有同心绝缘联结于上、下端盖(U2、U14)间的内筒(U5)和外套(U9)，内、外筒套(U5、U9)由抗腐蚀金属材料制作，分别构成湿敏探头电容的测量极和地电极，内筒(U5)的内表面上还绝缘地设有等电位保护极(U8)，传感器电路板(U7)被密封地，并以与上述电极实现相应电联结的方式装设于内筒(U5)中，上端盖(U2)的中央部设有与电路板(U7)实现相应电联结的电缆插座(U1)，一与电路板有相应电联结的温敏元件(U12)表露地装设于探头适当部位，由内筒外套构成的环形腔道的上、下两端有与外界连通的孔道；传感器电路除含有相应的”虚部法电容检测电路”外，还含有能向各电路提供正、负稳压电源VCC、VSS的电源电路(71)，单片机电路(72)，滤波放大减法器(76)，放大器(77)，温度测量电路(78)；单片机电路(72)的PWM控制器输出一个频率f稳定的，幅度稳定等于VCC到地的对称方波接到载波信号发生电路(73)，虚部信号分离电路(75)输出的电信号UO接滤波放大减法器(76)，滤波放大减法器(76)输出经校准标定的信号又经放大器(77)放大后的正双于空气含水量的信号，和温度测量电路(78)输出的温度电压信号分别接到单片机电路(72)的相应接口，单片机将测得的空气温度量值、含水率量值和据此计算得到的空气相湿度、露点等量值以数字信号和/或以模拟信号输出。

11、按权利要求10所说的电容式湿敏传感器，其特征是：所述载波式测量电路(74)、温度测量电路(78)含有运放N0：A-N0：D、电阻R9-R15、电容C10-C14，其中，V2、N0：D、R12-R15构成温度测量电路(78)；运放N0的正电源脚4脚接VCC，负电源脚11脚接VSS，输入的三角波载波信号经电容C10接N0：A的3脚和电阻R9，R9的另一端接地，N：A的2脚经R10接1脚，2脚还接到等电位驱动器跟随器N0：B的5脚，和经电容C12、测量极接线端接测量极U5，N：B的6脚接7脚，7脚经电容13、端子D接到等电位驱动极U8，1脚经电容C11接10脚，10脚经R11接地，9脚经电阻R15接8脚和经电阻R14接14脚，14脚经电阻R13与电容C14并联电路接13脚，13脚经电阻R12接正电源VCC；13脚还接测温器件V2的正端，V的负端接负电源VSS，12脚接地；虚部信号分离电路(75)含有D4、N1：A、R16-R19、C15，D4使用CD44053，N1：A应用低失调高速运放，其连接为：C15的一端接电压信号XH，另一端接作为相敏检波器的D4的1、5脚，D4的2、3、6、11-14脚接地，9、10脚接同频参考信号UK，7脚接VSS，8脚接地，16脚接VCC，15脚接R16，R16另一端接N1：A的3脚，3脚经R17接地，D4的4脚经R18接N1：A的2脚，2脚还经R19接1脚，分离得到和虚部信号UJ从1脚输出，并有R17/R16＝R19/R18＝KX；C15将XH中的交变成分选通到本电路进行相敏检波，输出的有效成分是XH中与PWM同相的方波部分的绝对值UJ；并有：

UJ＝UI·ω·CX·RI0·KX.滤波放大减法器电路(76)含有N3：A、N3：B，R20-R24，电位计RP1，电容C16。虚部信号分离电路(75)的输出信号UJ通过R24进入由R22-R24、N3：B、C16、RP1构成的并联电压负反馈放大器式的积分低通滤波器，载波信号发生器输出的负脉动三角波UI经运放N3：A放大后作为减数，通过RP1、R22进入滤波放大减法器。放大器电路(77)含有N2：B、N2：C、电阻R25-R30、RP2、电容C17、C18；其中，N2：B电路是含水量放大电路，来自N3：B的表征含水量的电压JF经R25进入N2：B的负端6脚，经反相放大并积分低通滤波消除脉动成分，通过RP2调节放大量，以一定比例输出适于单片机电路AD变换器采集的电压X1，经限流保护电阻R27送到单片机的2脚；其中，N2：C相关电路是温度信号放大器，由测量电路(74)输出的叠加信号经R28输入N2：C的负端9脚，作反相放大，并滤除交变成分，以一定的比例输出适于单片机AD变换器采集的电压VW，经限流保护电阻R30送到单片机的4脚。

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