CN207300265U - 一种差分电容点滴传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种差分电容点滴传感器，包括差分电容、差分电容信号处理电路及微处理器，差分电容连接到差分电容信号处理电路的差分电容输入端用于完成差分电容到电压的信号转换，差分电容信号处理电路的输出端与微处理器连接以进行数字信号处理，微处理器的I/O口同差分电容传感器信号处理电路的I/O口连接，对差分电容传感器专用电路内部的参数进行设置。本实用新型克服了现有的单电容点滴传感器容易受外界因素，如湿度，相邻物体耦合电容，电磁干扰等影响的缺点，具有较强的抗干扰能力和较好的长期稳定性。

Description

一种差分电容点滴传感器

技术领域

本实用新型涉及用于监测点滴过程中的液滴的个数，下落速度，体积等参数的点滴传感器，具体涉及一种差分电容点滴传感器。

背景技术

点滴传感器目前被广泛用于输液泵中来控制点滴的速度及点滴的结束时间，实现输液过程的自动化，极大提高了输液的安全性。另外，如果点滴传感器用于吊瓶输液的情况，则可以代替守护人，护士或病人本人完成输液过程的监控，防止液体输完以后，由于没有及时拔针造成血液回流的严重危害病人身体的情况发生。

现有的点滴传感器分为采用光电测量原理的光电式点滴传感器及采用电容测量原理的电容式点滴传感器。它们各自有优点和缺点，例如，光电类点滴传感器不受外界温度，湿度变化的影响，但是易受外界光的干扰及点滴物的透明度，折射率等物理参数的影响而造成可靠性不好的问题。电容类点滴传感器利用测量液滴通过传感器时所引起的电容变化来检测通过的液滴，传感器不受外界光及点滴液的透明度，折射率的影响，结构简单，成本低。但是，现有的电容式点滴传感器通常是采用液滴通过单电容引起电容变化的测量方法，测量的是液滴通过单电容所引起的电容绝对值的变化。由于单电容的电容值容易受各种外界因素影响，例如测量环境湿度升高时，由于单电容的电容值正比于空气的介质常数，湿度增加，将使传感器的电容值升高；又如邻近物体靠近传感器时，通过耦合电容，也会使传感器的电容值发生变化。因此，现有的电容点滴传感器存在着抗干扰能力和长期稳定性比较差的缺点，阻碍了电容点滴传感器的广泛应用。

实用新型内容

针对现有技术中存在的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种差分电容点滴传感器，具有比单电容点滴传感器更好的抗外界干扰能力和长期稳定性,克服了现有单电容式点滴传感器易受外界因素影响的缺点。

为达到以上目的，本实用新型采取的技术方案是：

一种差分电容点滴传感器，包括差分电容、差分电容信号处理电路及微处理器，所述差分电容连接到所述差分电容信号处理电路的差分电容输入端用于完成差分电容到电压的信号转换，所述差分电容信号处理电路的输出端与所述微处理器连接以进行数字信号处理，所述微处理器的I/O口同所述差分电容传感器信号处理电路的I/O口连接，对所述差分电容传感器专用电路内部的参数进行设置。

在上述技术方案的基础上，所述差分电容包括第一电容(C1)和第二电容(C2)，所述第一电容(C1)和所述第二电容(C2)分别由两个距离为d的第一极板(10)和第二极板(11)及一个公共极板组成，所述第一极板(10)和所述第二极板(11)位于第一平面，及所述公共极板位于第二平面，所述第一平面与所述第二平面包裹所述茂菲氏滴管，测量时液滴依次通过所述第一电容(C1)和第二电容(C2)。

所述第一电容(C1)和第二电容(C2)由于有共同的极板，因而构成差分电容(C1-C2)，所述第一极板(10)连接所述差分电容信号处理电路的正输入端(Vin+)，所述第二极板(11)连接所述差分电容信号处理电路的负输入端(Vin-)，所述公共极板连接所述差分电容信号处理电路的公共端(Vcomm)。测量时液滴依次通过所述第一电容(C1)和第二电容(C2)。

在上述技术方案的基础上，所述第一极板(10)和第二极板(11)及所述公共极板的背面及侧面设有接地的金属构成屏蔽层。所述屏蔽层用以减少外界物体通过耦合电容对传感器产生干扰。

在上述技术方案的基础上，所述差分电容信号处理电路包括可编程零点校正电路及可编程放大电路，用于调整所述传感器的零点及灵敏度。所述差分电容信号处理电路包括可编程差分电容-电压转换电路，可编程零点校正电路，可编程放大电路，可编程滤波电路，缓冲输出电路，接口通讯电路(SPI、I2C或单线通讯协议)。所述差分电容信号处理电路可以是全定制的，也可以利用市场上现成的差分电容信号处理电路。所述微处理器通过所述信号处理电路通讯接口EEPROM/OTP，可以调节所述差分电容信号处理电路的零点，灵敏度，通频带等参数。

在上述技术方案的基础上，所述传感器中的微处理器带有A/D转换器，所述A/D转换器与所述差分电容信号处理电路信号连接。所述A/D转换器用于采集所述差分电容信号处理电路的输出信号并对采集到的数据进行数字信号处理。

在上述技术方案的基础上，通过所述差分电容信号处理电路中设有可编程带通滤波器，用于调节传感器的频带。所述可编程带通滤波器能够使传感器只对一定频率以上及一定频率以下的信号有响应。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

本实用新型中的一种差分电容点滴传感器，利用差分电容测量原理实现对点滴过程进行监测的传感器，当液滴通过所述点滴传感器时，所述点滴传感器的输出正比于两个相邻电容的差值(C1-C2)，而不是两个电容的绝对值C1或C2。由于外界因素，如温度变化，湿度变化，邻近物体的耦合电容等因素对两个相邻的电容的影响是一样的，所以，基于差分电容测量原理的所述点滴传感器的输出受外界环境变化的影响远小于同样的因素对基于单电容的电容式点滴传感器的影响。基于这样原理，所述差分电容点滴传感器具有比单电容点滴传感器更好的抗外界干扰能力和长期稳定性，克服了现有单电容式点滴传感器易受外界因素影响的缺点。

附图说明

图1为本实用新型实施例中差分电容点滴传感器的整个电路框图；

图2为本实用新型实施例中差分电容点滴传感器的结构示意图；

图3为本实用新型实施例中差分电容信号处理电路的电路框图。

上述说明书中附图标记表示说明：

差分电容(1)；第一极板(10)；第二极板(11)；公共极板(12)；差分电容信号处理电路(2)；微处理器(3)；点滴液(4)；屏蔽层(5)；茂菲氏滴管(6)；传感器外壳(7)。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的实施例作进一步详细说明。

对本实用新型的具体实施方式作进一步详细说明。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，图式中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本实用新型是按如下的方式来实现的：如图1所示，一种差分电容点滴传感器的实施例，包括差分电容1、差分电容信号处理电路2及微处理器3，差分电容1连接到差分电容信号处理电路2的差分电容1输入端用于完成差分电容到电压的信号转换，差分电容信号处理电路2的输出端与微处理器3连接以进行数字信号处理，微处理器3的I/O口同差分电容传感器信号处理电路2的I/O口连接，对差分电容传感器专用电路内部的参数进行设置。

在上述技术方案中，如图2所示，传感器包括处于同一平面上，间隔为d的2个电极板：第一极板10和第二极板11，及处于另一个平面上的一个公共极板12组成。这两个平面包裹着点滴用的茂菲氏滴管6，第一电容(C1)由第一极板10和公共极板12组成，第二电容(C2)由第二极板11和公共极板12组成。由于第一电容(C1)和第二电容(C2)具有共同的公共极板12，因而构成差分电容(C1-C2)1。第一极板10、第二极板11和公共极板12的背面及侧面设有接地的金属构成屏蔽层5，屏蔽层5用于减少外界物体通过耦合电容对传感器产生的干扰。当测量时，使点滴的液滴4先通过第一电容(C1)之后，再通过第二电容(C2)。差分电容信号处理电路将差分电容(C1-C2)1转换成电信号，并将电信号输入到微处理器进行处理。

在一种较优的实施例中，如图3所示，差分电容信号处理电路2包括可编程差分电容－电压转换(C－V)电路20，可编程零点校正电路21，可编程放大电路22，可编程带通滤波电路23，缓冲输出电路24，比较器电路25，上述各电路顺次连接；接口通讯电路(EEPROM/OTP)26，EEPROM/OTP26设置在接口卡中，用于存储硬件设置数据，即擦即用，单线连接于上述各电路。第一极板10连接差分电容信号处理电路2的正输入端(Vin+)，第二极板11连接差分电容信号处理电路2的负输入端(Vin-)，公共极板12连接差分电容信号处理电路2的公共端(Vcomm)。差分电容(C1-C2)1由可编程差分电容－电压转换电路20将差分电容转换成电信号，并通过可编程零点校正电路21对零点进行校正，使得信号处理电路2的输出在无液滴4掉落时的电压为Voffset(通常设为Vdd/2)。传感器中的微处理器3带有A/D转换器30，A/D转换器30与差分电容信号处理电路信号2连接。可编程放大电路22可根据液滴4的大小，对信号处理电路的增益进行调整，使得液滴4下落时信号处理电路2的输出信号足够大，可以输入到微处理器3中进行A/D转换和相应的数字处理。

在一种较优的实施例中，在液滴4的下落过程中，差分电容信号处理电路2的输出大小正比于差分电容(C1-C2)1，其大小及正负同液滴4的材质有关。介质常数大于1的液滴4将使得电容增大，介质常数小于1的液滴4将使电容减小。

以下以介质常数大于1的液滴通过传感器为例进行说明。当没有液滴4经过时，差分电容信号处理电路2的输出端通过调节可编程零点校正电路21，调整为Voffset；当液滴4经过第一电容(C1)的时间段为(t1-t2)时，由于液滴4的介质常数大于空气的介质常数，因此第一电容(C1)增大，第二电容(C2)保持不变或变化不大，因此，在时间t1到时间t2的这段时间(t2-t1)内，{C1(t2-t1)-C2(t2-t1)}大于液滴4未下落时的差分电容(C1-C2)1，信号处理电路2的输出为大于Voffset的正电平，幅度为V1，输出波形开始时间为t1，结束时间为t2；同样，当液滴4在时间t3到时间t4的这段时间(t4-t3)内，在经过第二电容(C2)时，{C1(t4-t3)-C2(t4-t3)}小于液滴4未下落时的差分电容(C1-C2)1，信号处理电路2的输出为小于Voffset的负电平，幅度为V2，开始时间为t3，结束时间为t4。

在一种较优的实施例中，传感器的频带通过差分电容信号处理电路2中的可编程带通滤波器23来调节。可根据液滴4的大小及下落速度，设置信号处理电路2中的带通滤波器23，带通滤波器23能够使传感器只对一定频率以上及一定频率以下的信号产生响应，这样，传感器对系统中的直流漂移及高频噪声将没有响应，从而进一步提高了传感器的抗干扰能力。

在上述技术方案中，通过微处理器的A/D转换器30对信号处理电路2的输出端进行采样并进行高速运算，如果V1，V2大于一定的阈值，并且t1-t2、t3-t4、t2-t3、{(t3+t4)/2-(t1+t2)/2}满足一定的要求时，则微处理器3将会判断传感器内有一滴液滴4经过。从t1、t2、t3、t4可计算出点滴液4的速度。如果需要判断液滴4的体积，则可通过V1在t1、t2，V2在t3、t4的时间段内的积分获得。由于两滴液滴4下落的间隔时间较长，为了进一步提高传感器的稳定性，微处理器3可以在液滴4完全通过第二电容(C2)的时刻至下一滴液滴4下落至第一电容(C1)的时刻的时间间隔内对信号处理电路的零点进行调整，使信号处理电路2的输出端在没有液体通过时，一直保持在Voffset，防止有残留在点滴管上的液滴4或其他外界干扰因素造成的误触发。

综合上述，本实用新型利用差分电容的测量方法，根据两个距离很近的电容组成的差分电容对外界温度，湿度的变化及其他外界因素所带来的电容变化可以相互抵消的原理，减小了外界因素对点滴传感器的影响，提高了点滴传感器的抗干扰能力及长期稳定性。本实用新型通过信号处理电路中的带通滤波器及微处理器中的算法，使传感器不受电路直流漂移及高频噪声的影响，进一步提高了传感器的抗干扰能力及长期稳定性。

本实用新型不仅局限于上述最佳实施方式，任何人在本实用新型的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本实用新型相同或相近似的技术方案，均在其保护范围之内。

Claims (7)

1.一种差分电容点滴传感器，其特征在于：包括差分电容、差分电容信号处理电路及微处理器，所述差分电容连接到所述差分电容信号处理电路的差分电容输入端用于完成差分电容到电压的信号转换，所述差分电容信号处理电路的输出端与所述微处理器连接以进行数字信号处理，所述微处理器的I/O口同所述差分电容传感器信号处理电路的I/O口连接，对所述差分电容传感器专用电路内部的参数进行设置。

2.如权利要求1所述的一种差分电容点滴传感器，其特征在于：所述差分电容包括第一电容C1和第二电容C2，所述第一电容C1由一第一极板(1)和一公共极板组成，所述第二电容C2由一第二极板(2)和所述公共极板组成，所述第一极板(1)和第二极板(2)距离为d；

所述第一极板(1)和所述第二极板(2)及公共极板均包裹着点滴用的茂菲氏滴管，测量时液滴依次通过所述第一电容C1和第二电容C2。

3.如权利要求2所述的一种差分电容点滴传感器，其特征在于：所述第一极板(1)和第二极板(2)及所述公共极板的背面及侧面设有接地的金属构成屏蔽层。

4.如权利要求1所述的一种差分电容点滴传感器，其特征在于：所述差分电容信号处理电路包括可编程零点校正电路及可编程放大电路，用于调整所述传感器的零点及灵敏度。

5.如权利要求4所述的一种差分电容点滴传感器，其特征在于：所述微处理器带有A/D转换器，所述A/D转换器与所述差分电容信号处理电路信号连接。

6.如权利要求4所述的一种差分电容点滴传感器，其特征在于：所述差分电容信号处理电路中设有可编程带通滤波器，用于调节所述传感器的频带。

7.如权利要求2所述的一种差分电容点滴传感器，其特征在于：

所述第一极板(1)和所述第二极板(2)位于第一平面，所述公共基板位于第二平面，所述第一平面与所述第二平面包裹所述茂菲氏滴管。