CN116203084B - 一种基于开关电容测量实现湿敏电容传感器的方法及传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于开关电容测量实现湿敏电容湿度传感器的方法及传感器,包括如下:通过开关控制对被测电容充放电；用两个运放积分电路分别对充电与放电进行积分，直到积分电路的积分电容的每次充电与积分反馈电路放电达到平衡；测量两积分电路输出电压差；通过计算和模拟测试多个电容值变化，会对应几个电压差变化；采用二次抽样的办法，测出微小的电压变化，然后再标定为湿度变化，实现湿敏电容湿度传感器的形成。本发明方法形成的湿敏电容湿度传感器能够有效的避免测量连接电路分布电容对被测电容的影响，同时采用二次采样的方法实现精确到uV级的高精度电压测量，达到10‑4PF且降低了生产成本，方便使用。
Description
技术领域
本发明涉及湿度传感器技术领域，尤其涉及一种基于开关电容测量实现湿敏电容湿度传感器的方法及湿敏电容湿度传感器。
背景技术
电容型湿度传感器基于对湿敏电容值随温度变化进行精准高分辨率的测量，而对湿敏电容值微小变化的测量是一个较为复杂而棘手的问题，分布电容、引线电容、电磁干扰、信号泄漏、电路漂移等诸多因素都会严重地影响测量结果，而且很难消除，并且传统电容式湿度传感器测量电路有：谐振法，振荡法，交流电桥法，充放电法等，这些测量电路都存在寄生电容影响的问题，另外测量结果的精度还依赖于电源电压的稳定性，因此，为了解决此类问题，我们提出了一种基于开关电容测量实现湿敏电容湿度传感器的方法及湿敏电容湿度传感器。
发明内容
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种基于开关电容测量实现湿敏电容湿度传感器的方法,其特征在于，包括如下:
1)通过开关控制对被测电容充放电；
2)用两个运放积分电路分别对充电与放电进行积分，直到积分电路的积分电容的每次充电与积分反馈电路放电达到平衡；
3)测量两积分电路输出电压差；
4)通过计算和模拟测试多个电容值变化，会对应几个电压差变化；
5)采用二次抽样的办法，第一次AD转换只检出mV级电压，然后再DA转换加入源电压模拟减法运算，使得原电压中只剩下<10-3V的部分，对这部分剩余电压再放大60DB，然后对其二次AD转换抽样检测，精准测出微小的电压变化，然后再标定为湿度变化，实现湿敏电容湿度传感器的形成。
所述测量方法形成的模块包括:模拟开关电路，积分电路，差分合成，电位平移，输出放大，以及MUC。
所述的模块其工作步骤为:在MCU的控制下，开关电路产生开关信号VSW1与VSW2,控制对被测湿敏电容进行充放电，利用两个带放电回路的运放积分电路的积分电容分别对湿敏电容的充电与放电进行电荷积累，每周期充电相同，但随着积分电容上的电压升高，每周期放电逐渐增，因而最终到达充放平衡；
最终会平衡在一个固定电压值；
两个积分器得到的输出电压一正一负，两个积分器输出电压之差与被测湿敏电容值成正比关系，测量两积分器输出电压差就相当于测得了湿敏电容值。
一种基于开关电容测量实现的湿敏电容湿度传感器，包括壳体，所述壳体的顶端设置有MCU，所述MCU的顶端设置有螺纹安装块，所述螺纹安装块的顶端设置有保护管，所述保护管的内部设置有开关电路模块、积分电路模块、差分合成模块、电位平移模块和输出放大模块，所述开关电路模块的一端与MCU电性相连，且所述开关电路模块的另一端与积分电路模块电性相连，所述积分电路模块与差分合成模块电性相连，且所述差分合成模块与电位平移模块电性相连，所述电位平移模块与输出放大模块电性相连，且所述输出放大模块的另一端与MCU电性相连，所述的差分合成模块和电位平移模块均与MCU电性相连；所述MCU提供控制信号Vsw1、Vsw2，对V1电压AD转换，提取大于1mV电压部分，将采集V1中的大于1mV部分电压经DA转换送到电位平移模块中进行运算，实现V1的电位平移得到V2，对所述输出放大模块输出电压V3进行AD转换，根据V3的采样值，标定计算出引起湿敏电容C6容值变化的湿度值。
优选的，所述保护管的顶端设置有透气孔，所述壳体的底端设置有引脚端子，所述引脚端子以壳体的中轴线呈对称设置，所述保护管的内壁设置有陶瓷套。
优选的，所述开关电路模块采用4模拟开关电路IC，且连接有被测湿敏电容C6，所述开关电路模块与积分电路模块和MCU进行连接，所述MCU向开关电路模块提供控制信号，对被测电容C6实现充电与放电。
优选的，所述开关电路模块可采用1片4模拟开关集成电路，也可采用2片2模拟开关集成电路。
优选的，所述积分电路模块由两个带放电回路的运算放大器积分电路U1A和U1D构成，U1A为被测电容的充电积分电路，U1D为被测电容的放电积分电路。
优选的，所述差分合成模块是由一个运算放大器组成的差分放大电路，将两个一正一负所述积分电路模块的输出电压VC1与VC4相减，合成一个输出电压V1。
优选的，所述电位平移模块由一个运算放大器组成的差分放大电路，将大于1mV的电压部分从V1中减去，保留小于1mV的部分。
优选的，所述输出放大模块由一个运算放大器构成的反向放大器，将电位平移模块的电路输出电压放大到10mV量级，输入阻抗>100MΩ，开环增益>10000倍。
优选的，所述运算放大器的运算放大集成电路为单运放集成电路、双运放集成电路、三运放集成电路以及四运放集成电路中的任一个。
优选的，所述MCU是一个具有3路以上ADC转换电路，一路以上DAC转换电路，能产生一对频率≥50KHZ反向波形的单片机集成电路。
本发明的有益效果为：
1、基于开关电容测量实现了一种湿敏电容湿度传感器，该测量方法避免了测量连接电路分布电容对被测电容的影响。测量分辨率可以做到10-4PF。
2、本发明通过开关控制对被测电容充放电，可实现用两个运放积分电路分别对充电与放电进行积分，直到积分电路的积分电容的每次充电与积分反馈电路RC放电达到平衡，避免了测量连接电路分布电容对被测电容的影响，测量分辨率可以做到10-4PF。
3、本发明利用MCU自带的12位AD电路及DA电路，可实现采用二次采样的方法实现精确到uV级的高精度电压测量，降低了成本而且还会减少硬件电路的复杂程度。
综上所述，能够有效的避免测量连接电路分布电容对被测电容的影响，同时采用二次采样的方法实现精确到uV级的高精度电压测量，且降低了生产成本，方便使用。
附图说明
图1为本发明传感器的结构示意图。
图2为本发明传感器壳体内部结构示意图。
图3为本发明的总电路结构示意图。
图4为本发明的开关电路结构示意图。
图5为本发明的积分电路结构示意图。
图6为本发明的差分合成电路结构示意图。
图7为本发明的电位平移电路结构示意图。
图8为本发明的输出放大电路结构示意图。
图9为本发明的开关联动结构示意图。
图中标号：1、壳体；2、MCU；3、螺纹安装块；4、保护管；5、透气孔；6、引脚端子；7、开关电路模块；8、积分电路模块；9、差分合成模块；10、电位平移模块；11、输出放大模块；12、陶瓷套。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
参照图1-图9所示，
一种基于开关电容测量实现湿敏电容湿度传感器的方法,其特征在于，包括如下:
1)通过开关控制对被测电容充放电；
2)用两个运放积分电路分别对充电与放电进行积分，直到积分电路的积分电容的每次充电与积分反馈电路放电达到平衡；
3)测量两积分电路输出电压差；
4)通过计算和模拟测试多个电容值变化，会对应几个电压差变化；
5)采用二次抽样的办法，第一次AD转换只检出mV级电压，然后再DA转换加入源电压模拟减法运算，使得原电压中只剩下<10-3V的部分，对这部分剩余电压再放大60DB，然后对其二次AD转换抽样检测，精准测出微小的电压变化，然后再标定为湿度变化，实现湿敏电容湿度传感器的形成。
所述测量方法形成的模块包括:模拟开关电路，积分电路，差分合成，电位平移，输出放大，以及MUC。
所述的模块其工作步骤为:在MCU的控制下，开关电路产生开关信号VSW1与VSW2,控制对被测湿敏电容进行充放电，利用两个带放电回路的运放积分电路的积分电容分别对湿敏电容的充电与放电进行电荷积累，每周期充电相同，但随着积分电容上的电压升高，每周期放电逐渐增，因而最终到达充放平衡；
最终会平衡在一个固定电压值；
两个积分器得到的输出电压一正一负，两个积分器输出电压之差与被测湿敏电容值成正比关系，测量两积分器输出电压差就相当于测得了湿敏电容值。
一种基于开关电容测量实现的湿敏电容湿度传感器，包括壳体1，壳体1的顶端设置有MCU2(单片机)，MCU2的顶端设置有螺纹安装块3，螺纹安装块3的顶端设置有保护管4，保护管4的内部设置有开关电路模块7、积分电路模块8、差分合成模块9、电位平移模块10和输出放大模块11，开关电路模块7的一端与MCU2电性相连，且开关电路模块7的另一端与积分电路模块8电性相连，积分电路模块8与差分合成模块9电性相连，且差分合成模块9与电位平移模块10电性相连，电位平移模块10与输出放大模块11电性相连，且输出放大模块11的另一端与MCU2电性相连，差分合成模块9和电位平移模块10均与MCU2电性相连，保护管4的顶端设置有透气孔5，壳体1的底端设置有引脚端子6，引脚端子6以壳体1的中轴线呈对称设置，保护管4的内壁设置有陶瓷套12。
如图3、图4和图5所示，开关电路模块7采用4模拟开关电路IC，且连接有被测湿敏电容C6，开关电路模块7与积分电路模块8和MCU2进行连接，MCU2向开关电路模块7提供控制信号，对被测电容C6实现充电与放电，开关电路模块7可采用1片4模拟开关集成电路，也可采用2片2模拟开关集成电路，积分电路模块8由两部分构成，U1A为充电积分电路，U1D为放电积分电路，电路中的电阻电容值不是唯一的，在一定范围内可以任意调整，差分合成模块9是一个典型的差分运算电路，求两个积分电路模块8的输出电压VC1与VC4之差(实际就是绝对值相加)，合成一个输出电压V1,电路中的电阻电容值不是唯一的，在一定范围内可以任意调整，电位平移模块10也是一个典型的差分运算电路，将大于1mV的电压部分从V1中减去，保留小于1mV的部分，将电压向下移到1mV以下，电路中的电阻电容值不是唯一的，在一定范围内可以任意调整，输出放大模块11由一个由运算放大器构成的典型的反向放大器，将电位平移电路输出电压放大到10mV量级，是将小于1mV的电压放大60dB，电路中的电阻电容值不是唯一的，在一定范围内可以任意调整，输入阻抗>100MΩ，开环增益>10000倍，工作电源满足：负电源≤-3V、正电源≥+3V。运算放大集成电路可能是单运放集成电路，也可能是双运放集成电路，也可能是三运放集成电路，也可能是四运放集成电路；
MCU2(单片机)是提供控制信号Vsw1、Vsw2，对V1电压AD转换，提取大于1mV电压部分，将采集V1中的大于1mV部分电压经DA转换送到电位平移模块10中进行运算，实现V1的电位平移得到V2，对输出放大模块11输出电压V3进行AD转换，根据V3的采样值，标定计算出引起湿敏电容C6容值变化的湿度值。
工作原理：该装置在使用时先将该装置进行连接，通过开关电路模块7控制对被测电容充放电，用两个运放积分电路模块8分别对充电与放电进行积分，直到积分电路模块8的积分电容的每次充电与积分反馈电路RC放电达到平衡，然后测量两积分电路模块8的输出电压差，通过理论计算和模拟测试该装置的*10-4pF的电容值变化，会对应几个uV的电压差变化，用12位AD转换抽样检测，显然会导致较大抽样误差，因此采用二次抽样的办法，第一次AD转换只检出mV级电压，然后再DA转换加入源电压模拟减法运算，使得原电压中只剩下<10-3V的部分，对这部分剩余电压再放大60DB，然后对其二次AD转换抽样检测，精准测出微小的电压变化，然后再标定为湿度变化；
在电路中：当开关电力路模块7S1A与S1C联动由VSW1控制，S1B与S1D联动由VSW2控制，VSW1与VSW2相位相反(如图9)，即S1A、S1C闭合时，S1B、S1D断开，反之亦可；
当开关电力路模块7S1A、S1C闭合S1B、S1D断开期间，VCC(5V)对C6舜间充电到VCC，由于运放输入端高阻虚地，C1上瞬间积累同样多电荷，产生电压Vc1(<0),这期间C4通过R9放电；
当开关电力路模块7S1B、S1D闭合S1A、S1C断开期间，C6舜间对地放电到0，由于运放输入端高阻虚地，C4上瞬间积累同样多电荷，产生电压Vc4(>0)，这期间C1通过R1放电；
当开关电力路模块7接通电源，随着对C6的充放电，C1、C4上的电压逐渐升高，每个周期C1、C4充电量相同，而放电随VC1与VC4升高逐渐增加，因而经过一定时间，每个周期C1、C4的充电与放电达到平衡，C1、C4上的电压VC1与VC4不再升高，V1＝VC1-VC4正比于C6电容值，C1、C4的大小与C6的比值愈大测量速度越慢，测量精度越高；
当MCU2对V1进行AD转换取mV级精度，再精准DA反变换得到V1m。做运算V2＝V1-V1m；V3＝A*V2(A为精密放大器增益)，再对V3做AD转换，经过标定计算转换为湿度信号，从而提高了测量精度；
电路参数大约可取的△V1/△C6＝25.000*10-3V/p的变化率，即电容每增加10-4pF，V1增加2.5uV，因此测出V1微伏级的变化，就可测得湿度引起湿敏电容10-4pF级的电容变化，C6左端充电接VCC(5V)，放电接地，因此CH左端连线上的分布电容对CH测量无任何影响，C6右端充电放电都是虚拟地，电压不是绝对0，因此对测试结果有一些影响，大概4uV/10P，从而能够有效的降低测量连接电路分布电容影响被测电容。
上述湿敏电容湿度传感器使用，经多次检测测量分辨率可以做到10-4PF。
以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于开关电容测量实现湿敏电容湿度传感器的方法,其特征在于，包括如下:
1) 通过开关控制对被测电容充放电；
2）用两个运放积分电路分别对充电与放电进行积分，直到积分电路的积分电容的每次充电与积分反馈电路放电达到平衡；
3) 测量两积分电路输出电压差;
4）通过计算和模拟测试多个电容值变化，会对应几个电压差变化；
所述方法形成的模块包括:模拟开关电路，积分电路，差分合成，电位平移，输出放大，以及MCU；
所述的模块其工作步骤为:在MCU的控制下，开关电路产生开关信号VSW1与VSW2,控制对被测湿敏电容进行充放电，利用两个带放电回路的运放积分电路的积分电容分别对湿敏电容的充电与放电进行电荷积累，每周期充电相同，但随着积分电容上的电压升高，每周期放电逐渐增，因而最终到达充放平衡；
最终会平衡在一个固定电压值；
两个积分器得到的输出电压一正一负，两个积分器输出电压之差与被测湿敏电容值成正比关系，测量两积分器输出电压差就相当于测得了湿敏电容值；
5)采用二次抽样的办法，第一次AD转换只检出mV级电压，然后再DA转换加入源电压模拟减法运算，使得原电压中只剩下<10-3V的部分，对这部分剩余电压再放大60DB，然后对其二次AD转换抽样检测，精准测出微小的电压变化，然后再标定为湿度变化，实现湿敏电容湿度传感器的形成。
2.一种湿敏电容湿度传感器，其采用了如权利要求1所述的基于开关电容测量实现湿敏电容湿度传感器的方法实现，特征在于，包括壳体（1），所述壳体（1）的顶端设置有MCU（2），所述MCU（2）的顶端设置有螺纹安装块（3），所述螺纹安装块（3）的顶端设置有保护管（4），所述保护管（4）的内部设置有开关电路模块（7）、积分电路模块（8）、差分合成模块（9）、电位平移模块（10）和输出放大模块（11），所述开关电路模块（7）的一端与MCU（2）电性相连，且所述开关电路模块（7）的另一端与积分电路模块（8）电性相连，所述积分电路模块（8）与差分合成模块（9）电性相连，且所述差分合成模块（9）与电位平移模块（10）电性相连，所述电位平移模块（10）与输出放大模块（11）电性相连，且所述输出放大模块（11）的另一端与MCU（2）电性相连，所述的差分合成模块（9）和电位平移模块（10）均与MCU（2）电性相连，所述MCU（2）是一个具有3路以上ADC转换电路，一路以上DAC转换电路，能产生一对频率≥50KHZ反向波形的单片机集成电路。
3.根据权利要求2所述的湿敏电容湿度传感器，其特征在于，所述保护管（4）的顶端设置有透气孔（5），所述壳体（1）的底端设置有引脚端子（6），所述引脚端子（6）以壳体（1）的中轴线呈对称设置，所述保护管（4）的内壁设置有陶瓷套（12）。
4.根据权利要求2所述的湿敏电容湿度传感器，其特征在于，所述开关电路模块（7）采用4模拟开关电路IC，且连接有被测湿敏电容C6，所述开关电路模块（7）与积分电路模块（8）和MCU（2）进行连接，所述开关电路模块（7）采用1片4模拟开关集成电路或采用2片2模拟开关集成电路。
5.根据权利要求2所述的湿敏电容湿度传感器，其特征在于，所述积分电路模块（8）由两个带放电回路的运算放大器积分电路U1A和U1D构成， U1A为被测电容的充电积分电路，U1D为被测电容的放电积分电路。
6.根据权利要求2所述的湿敏电容湿度传感器，其特征在于，所述差分合成模块（9）是由一个运算放大器组成的差分放大电路，将两个一正一负所述积分电路模块（8）的输出电压VC1与VC4相减，合成一个输出电压V1 。
7.根据权利要求2所述的湿敏电容湿度传感器，其特征在于，所述电位平移模块（10）由一个运算放大器组成的差分放大电路，将大于1mV的电压部分从V1中减去，保留小于1mV的部分。
8.根据权利要求2所述的湿敏电容湿度传感器，其特征在于，所述输出放大模块（11）由一个运算放大器构成的反向放大器，将电位平移模块（10）的电路输出电压放大到10mV量级，输入阻抗>100MΩ，开环增益>10000倍，所述运算放大器的运算放大集成电路为单运放集成电路、双运放集成电路、三运放集成电路以及四运放集成电路中的任一个。
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