CN110945791B - 高灵敏度电容传感器电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及实现利用充放电的多个检测部来提高灵敏度的高灵敏度电容传感器电路。本发明的电容传感器电路包括：振荡部，生成控制时钟；第一充放电部，与传感器部端子连接，按照控制时钟充放电的同时生成感应信号；第二充放电部，与第一充放电部并联连接，按照控制时钟充放电的同时生成基准信号；及检测部，比较第一充放电部的感应信号和第二充放电部的基准信号，检测传感器部端子侧的电容容量变化。第一充放电部包括：第一电容器，一端连接传感器部端子，按照控制时钟进行充放电；第一恒定电流源，对第一电容器供应预定大小的恒定电流，以用于充电第一电容器；及第一开关，按照所述控制时钟控制第一电容器，以时钟的半周期单位反复进行第一电容器的充电和放电。第二充放电部包括：第二电容器，按照控制时钟进行充放电；第二恒定电流源，对第二电容器供应预定大小的恒定电流，以用于充电第二电容器；及第二开关，按照控制时钟控制第二电容器，以时钟的半周期单位反复进行第二电容器的充电和放电。

Description

高灵敏度电容传感器电路

技术领域

本发明涉及用于检测在接近传感器等接近物体生成的电容容量值的电容传感器，更详细地说，涉及高灵敏度电容传感器电路，制作利用电容器的充/放电的多个检测电路，将其中一个用作基准电压的同时峰值检波感应信号，进而可提高检测灵敏度。

背景技术

通常，接近传感器(Proximity Sensor)作为能够以非接触感应被检测物体的接近的传感器，根据感应方式区分为利用电磁感应的高频振荡型、用于检测被检测物体与传感器之间的电容容量变化的电容容量型、利用磁铁的磁场型。另外，根据感应头的结构也区分为屏蔽型(嵌入型)和非屏蔽型(凸出型)；根据输出电路也区分为DC 2线型，DC 3线型(NPN、PNP)或交流非接触型等。

高频振荡型接近传感器从接近传感器的前端的感应线圈产生高频磁场，当被检测物体接近磁场时，因为电磁感应现象通过金属中的感应磁场产生过电流，据此检测振荡衰减或停止。电容容量型接近传感器是感应部具有感应电极并且在物体接近电极时检测感应部的感应电极与地面之间电容容量发生较大变化。这种电容容量型响应速度快，而且还可检测除了金属以外的物体，因此广泛使用于工业领域。

另一方面，以往的电容容量型接近传感器有授权号第10-1046666号的授权专利公报(B1)公开的“电容容量检测型接近传感器”，该接近传感器由第一感应电极及第二感应电极、接近检测电路构成，将接近检测范围限制在开放区域，以减少操作不当，其中所述第一感应电极及第二感应电极布置成相对于被检测物体接近的检测方向具有预定的距离差并且分别从地电位独立，所述接近检测电路输出由第一感应电极形成的接地容量和由第二感应电极形成的接地容量之间的差作为接近检测。

另外，公开号第10-2010-0100773号的公开专利公报(A)公开的“电容容量型接近传感器及接近检测方法”的结构如下：传感器部具有传感器电极、屏蔽电极及辅助电极，传感器电极连接于C-V转换电路，屏蔽电极连接于屏蔽驱动电路，辅助电极通过切换开关连接于C-V转换电路或屏蔽驱动电路。

对于由这种电容容量型接近传感器检测电容容量的变化的以往的检测电路，在增加放大率的情况下，由噪声产生的影响也变大，存在难以实现高灵敏度的电容传感器的问题。例如，如图5所示，以往的电容传感器电路由振荡部31、混频器32、LPF 33及振荡检测器34构成，按照传感器部的容量值变化振荡检测部34的振荡频率也发生变化，由此检测电容容量变化，其中该振荡检测器34包括通过传感器端子35连接的传感器部的检测容量和C1。参照图5，通常电容传感器电路为将振荡检测部34的振荡信号和振荡器31的振荡信号输入到混频器32，由混频器32输出的两个信号之和与差的信号中相差的信号被LPF 33低通滤波，以检测电容容量的变化。

但是，如此在观察频率变化的同时进行容量-电压变化的情况下，因为电路的不平衡基准电压发生变动，并且根据温度特性发生变化，因此存在难以实现高灵敏度电容传感器的问题。即，以往为了提高灵敏度而增加放大率的情况下，出现噪声也一同增加，存在容易发生操作不当的问题。

发明内容

(发明所要解决的课题)

本发明是为了解决如上所述的问题而提出的，本发明的目的在于提供一种高灵敏度电容传感器电路，制作利用电容器的充/放电的多个检测电路，将其中一个用作基准电压的同时峰值检波感应信号，进而提高检测灵敏度。

(解决问题所采用的措施)

为了达到如上所述的目的，本发明的电容传感器电路包括：振荡部，生成控制时钟；第一充放电部，与传感器部(感应被检测物体的电容容量的传感器)端子连接，按照所述控制时钟充放电的同时生成感应信号；第二充放电部，与所述第一充放电部并联连接，按照所述控制时钟充放电的同时生成基准信号；及检测部，比较所述第一充放电部的感应信号和所述第二充放电部的基准信号，检测传感器部端子侧的电容容量变化。

所述第一充放电部包括：第一电容器，一端连接传感器部端子，按照控制时钟进行充放电；第一恒定电流源，对所述第一电容器供应预定大小的恒定电流，以用于充电所述第一电容器；及第一开关，按照所述控制时钟控制所述第一电容器，以时钟的半周期单位反复进行所述第一电容器的充电和放电。

所述第二充放电部包括：第二电容器，按照控制时钟进行充放电；第二恒定电流源，对所述第二电容器供应预定大小的恒定电流，以用于充电所述第二电容器；及第二开关，按照所述控制时钟控制所述第二电容器，以时钟的半周期单位反复进行所述第二电容器的充电和放电。

第一恒定电流源和第二恒定电流源供应相同大小的恒定电流；所述恒定电流通过恒定电流驱动器生成。

所述检测部包括：第一峰值检测部，用于检测所述第一充放电部的感应信号的峰值；第二峰值检测部，用于检测所述第二充放电部的基准信号的峰值；减法器，用于将所述第一峰值检测部的输出和所述第二峰值检测部的输出相减来检测峰值的差异；及放大器，用于放大所述减法器的输出。

(发明效果)

本发明的电容传感器电路的效果如下：制作利用电容器的充/放电的两个检测电路，将其中一个用作基准电压的同时峰值检波感应信号，进而可克服噪声的影响，相比于以往可提高数倍以上的灵敏度。

另外，根据本发明，可提高感应信号的直线性，并且可将因温度产生的影响降到最低，并且根据应用可将检测距离最大增加到300mm。

附图说明

图1是示出本发明的实施例的利用充放电检测电容容量的概念的示意图；

图2是图1的时钟和感应信号的波形图；

图3是本发明的实施例的电容传感器电路的结构框图；

图4是本发明的实施例的电容传感器电路的动作波形图；

图5是通常的电容传感器电路的示意图。

具体实施方式

对于通过本发明和本发明的实施达成的技术课题将通过在以下说明的本发明的优选实施例更加明确。以下的实施例仅是示例性的，仅用于说明本发明，并非用于限定本发明。

图1是示出本发明的实施例的利用充/放电检测电容容量的概念的示意图；图2是图1的时钟和感应信号的波形图；

如图1所示，本发明的实施例的利用充放电检测电容容量的概念如下：通过时钟(Clock)开/关的开关SW与充放电电容器C并联连接，在电容器C串联连接恒定电流源I；若开关SW关闭，则从恒定电流源I流动电流I充电电容器C；之后，若开关SW打开，则使电容器C放电。此时，在充放电电容器C的一端连接传感器部，感应通过在被检测物体和传感器部之间形成的感应容量C’电容器的充电波形发生变化，进而检测电容容量的变化。

如图2所示，用于控制如上所述的电容器C充放电的时钟(Clock)是具有预定周期的方形波，充电电容器C的电压是具有预定周期和峰值电压V的锯齿形波(Saw toothWave)。参照图2，可以知道在时钟(Clock)的方形波半周期t对电容器C充电的同时可生成锯齿形波。

参照图1及2，如以下数学式1所示，充电电压V可由t时间期间的电荷量It除以电容器容量C的值求得，t时间是将时钟的周期分为一半的半周期值。

数学式1

[式1]

例如，在峰值为2.5V、时钟频率为100Khz时，可根据数学式1求得恒定电流I为5μA。然后，如以下数学式2所示，在由手等产生的检测容量C’为1pF时，求得峰值电压V’大致为2.27V。

数学式2

[式2]

据此，在以上的电路的示例中，对于变化率，通过(1-2.27/2.5)可求得大致9.2％的变化。实际上，为了提高检测灵敏度，必须提高峰值(peak)电压，降低电容器的容量。

图3是本发明的实施例的电容传感器电路的结构框图；图4是本发明的实施例的电容传感器电路的动作波形图。

本发明的实施例的电容传感器电路包括：振荡部，生成控制时钟；第一充放电部，与传感器部端子连接，根据控制时钟充放电的同时生成感应信号；第二充放电部，与第一充放电部并联连接，根据控制时钟充放电的同时生成基准信号；及检测部，比较第一充放电部的感应信号和第二充放电部的基准信号，检测传感器部端子侧的电容容量变化。

如图3所示，这种电容传感器电路的实施例由第一电容器C1、第二电容器C2、振荡器101、第一开关102d、第二开关102r、恒定电流驱动器103、第一恒定电流源104d、第二恒定电流源104r、第一缓冲器105d、第二缓冲器105r、第一峰值检测器106d、第二峰值检测器106r、偏移调整部107、减法器108、放大器109、输出端子110、偏移调整器111、比较器112、传感器部端子113构成。振荡部由振荡器101实现；第一充放电部由第一电容器C1、第一开关102d、第一恒定电流源104d实现；第二充放电部由第二电容器C2、第二开关102r、第二恒定电流源104r实现；检测部可由第一峰值检测器106d、第二峰值检测器106r、减法器108、放大器109实现。

参照图3，如图4的(b)所示，振荡器101生成周期为T(半周期t)的方形波脉冲时钟，分别相同地提供于第一开关102d、第二开关102r。

第一电容器C1一端连接传感器部端子113、第一恒定电流源104d和第一开关102d，而另一端与接地GND连接。如图4所示，第一开关102d在时钟的半周期t期间关闭，通过第一恒定电流源104d的电流i1充电第一电容器C1生成锯齿形波，而在时钟的另一半周期期间则打开第一开关102d放电第一电容器C1。

第二电容器C2一端连接第二恒定电流源104r和第二开关102r，而另一端与接地GND连接。如图4所示，第二开关102r在时钟的半周期t期间关闭通过第二恒定电流源104r的电流i2充电第二电容器C2生成锯齿形波，而在在时钟的另一半周期期间则打开第二开关102r放电第二电容器C2。此时，第一恒定电流源104d和第二恒定电流源104r通过相同的恒定电流驱动器103向电容器C1、C2分别流动相同大小的恒定电流(即，i1＝i2)。

参照图4，(a)是通过第一电容器C1或者第二电容器C2生成的充电电压波形；(b)是分别输入于第一开关102d和第二开关102r的时钟波形。

若传感器部(未示出)未感应到物体，则传感器部端子113的感应容量C’为0，第一电容器C1或者第二电容器C2具有相同的电容容量值，并且使大小相同的恒定电流(i1＝i2)流动，而在时钟的半周期期间通过相同的恒定电流充电，因此充电电压V具有相同的值。即，第二电容器C2的充电电压起到基准电压作用，而第一电容器C1的充电电压起到感应电压的作用，若传感器部未感应到物体，则C’＝0、C1＝C2、i1＝i2，因此通过之前的数学式1计算出的第一电容器C1的充电电压和第二电容器C2的充电电压相同，据此感应电压和基准电压相同。如果，即便传感器部未感应到物体，因为电路元件的特性偏差感应电压和基准电压也会不同，在这一情况下，如下所述执行校准(calibration)，由偏移调整器111调节偏移调整部107使得检测值相同(使其差为0)。

另一方面，若传感器部(未示出)感应到物体，则通过传感器部端子113连接传感器部的感应容量C’，该感应容量C’与第一电容器C1并联连接，进而增加第一充放电部的整体电容容量。据此，通过上述的数学式2求得感应到物体的情况下的充电电压V’，而且低于第二电容器C2的充电电压，因此可通过其差(V-V’＝△V)检测到物体。

重新参照图3，第一缓冲器105d缓冲第一充放电部的充电电压(即，感应电压)传递至第一峰值检测部106d，而第二缓冲器105r缓冲第二充放电部的充电电压(即，基准电压)传递至第二峰值检测部106r。

第一峰值检测部106d检测感应电压的峰值，而第二峰值检测部106r检测基准电压的峰值，减法器108求得基准电压的峰值和感应电压的峰值的差输出到放大器109。放大器109放大减法器108的输出通过输出端子110输出到外部。

如上所述，偏移调整部107通过偏移调整器111的调整校准(calibration)偏移，以在未检测到物体的状态下使第一充放电部的输出信号和第二充放电部的输出信号相同。

然后，比较器112比较基准电压的峰值和设定电压V，只在时钟的半周期期间(充电期间)在第一电容器C1和第二电容器C2流动恒定电流i1、i2，在放电期间控制恒定电流驱动器103，不使恒定电流i1、i2流动。

本发明的实施例在使用于两个检测部(充放电部)的恒定电流电路流动相同的电流，因此电流的噪声方向相同。据此，比较(相减)基准电压和感应电压，进而可降低电流噪声的影响，同样地也可去除漂移(drift)等。

以上，参考在附图示出的一实施例说明了本发明，但是在本发明所属技术领域中掌握常规知识的人员可理解为从此可进行变形及同等的其他实施例。

Claims (4)

1.一种高灵敏度电容传感器电路，包括：

振荡部，生成控制时钟；

第一充放电部，与传感器部端子连接，按照所述控制时钟充放电的同时生成感应信号；

第二充放电部，与所述第一充放电部并联连接，按照所述控制时钟充放电的同时生成基准信号；及

检测部，比较所述第一充放电部的感应信号和所述第二充放电部的基准信号，检测传感器部端子侧的电容容量变化，

所述检测部包括：第一峰值检测部，用于检测所述第一充放电部的感应信号的峰值；第二峰值检测部，用于检测所述第二充放电部的基准信号的峰值；减法器，用于将所述第一峰值检测部的输出和所述第二峰值检测部的输出相减来检测峰值的差异；及放大器，用于放大所述减法器的输出。

2.根据权利要求1所述的高灵敏度电容传感器电路，其特征在于，

所述第一充放电部包括：

第一电容器，一端连接传感器部端子，按照控制时钟进行充放电；

第一恒定电流源，对所述第一电容器供应预定大小的恒定电流，以用于充电所述第一电容器；及

第一开关，按照所述控制时钟控制所述第一电容器，以时钟的半周期单位反复进行所述第一电容器的充电和放电。

3.根据权利要求1所述的高灵敏度电容传感器电路，其特征在于，

所述第二充放电部包括：

第二电容器，按照控制时钟进行充放电；

第二恒定电流源，对所述第二电容器供应预定大小的恒定电流，以用于充电所述第二电容器；及

第二开关，按照所述控制时钟控制所述第二电容器，以时钟的半周期单位反复进行所述第二电容器的充电和放电。

4.根据权利要求2或3所述的高灵敏度电容传感器电路，其特征在于，

第一恒定电流源和第二恒定电流源供应相同大小的恒定电流；所述恒定电流通过恒定电流驱动器生成。