CN113137980A - 一种可变窄带差分电容传感电路、传感方法及其应用 - Google Patents

一种可变窄带差分电容传感电路、传感方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可变窄带差分电容传感电路、传感方法及其应用，该电路包括感应片依次连接RC振荡电路、鉴频电路、滤波电路和MCU芯片，所述感应片包括主感应片和副感应，RC振荡电路包括一具有两路振荡电路的振荡芯片，两路振荡电路分别与主感应片和副感应片连接；所述鉴频电路为D触发器，所述阻容滤波电路中包括两级RC滤波，所述MCU芯片与阻容滤波电路连接。本发明电路能有效避免零点漂移，其工作温度范围大，在工作温度范围内能有效避免温度飘移，能够针对单一功能应用的传感器，其制造难度大大减少；差值检测原理，可极大的提高传感器的抗干扰性，其基于电路的传感方法有效、实用，应该范围广。

Description

一种可变窄带差分电容传感电路、传感方法及其应用
技术领域
本发明涉及微小电容差值检测相关技术领域，具体是一种可变窄带差分电容传感电路及其应用。
背景技术
电容式传感器的种类很多，例如非接触式的液位传感器、电容式接近开关等等都是基于电容感应原理；现有的实用电路如果要达到较高的线性测量，必须借助成熟的电容传感器组件(比如差动电容腔)，或有针对性设计感应片，使得传感器体积变大、制造难度变高；要简化感应片的设计必将普遍面临零点漂移大、温度飘移严重、线性度差及抗干扰严重等诸多问题；以至于现有的电容式传感器无法满足大多数的工业实际应用所追求的性价比。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可变窄带差分电容传感电路及其应用，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种可变窄带差分电容传感电路，包括感应片依次连接RC振荡电路、鉴频电路、滤波电路和MCU芯片，所述感应片包括主感应片和副感应片，所述RC振荡电路包括一具有两路振荡电路的振荡芯片，两路振荡电路分别与主感应片和副感应片连接。
所述的RC振荡电路包括一振荡芯片U2，设置有几个连接脚，振荡芯片U2中其中一路RC振荡电路的电阻为R1,跨接在U2的1脚(1C)与6脚(1R)之间，主感应片作为第一路RC振荡电路的电容连接于U2的1脚(1C)，振荡波形从U2的6脚(1R)输出，进入U3的1脚；
振荡芯片U2的第二路RC振荡电路的电阻为R4,跨接在振荡芯片U2的3脚(2C)与4脚(2R)之间，副感应片作为第二路RC振荡电路的电容连接于U2的3脚(2C)，振荡波形从U2的4脚(2R)输出，进入U3的2脚。
所述鉴频电路为D触发器U3，U3的1脚输入方波与U3的2脚输入方波通过D触发器逻辑叠加后由U3的4脚输出鉴频波。
所述滤波电路为由R2C1及R3C2组成的两级RC滤波。
所述MCU芯片采集两级滤波后的直流信号，经过AD转换，由植入MCU内部的软件进行线性化处理或峰值判断。
作为本发明进一步的方案：所述副感应片所在RC振荡设为连接D触发器的时钟输入端，所述主感应片所在RC振荡设为连接D触发器的D端。
作为本发明进一步的方案：所述主感应片和副感应片为面积比约为4:1的PCB覆铜片。也可根据功能的差异侧重，其结构形式与面积比可灵活设计。
一种如上述可变窄带差分电容传感电路的的传感方法，包括如下:
S1.副感应片产生的副方波作为D触发器的时钟输入，主感应片产生的主方波作为D触发器的D输入；当有物体靠近感应片后，主方波频率下降幅度比副方波下降幅度大，根据D触发器逻辑运算功能，Q端输出波形的占空比变小，物体继续靠近感应片，将可能使得Q端输出波形占空比变为零；
被测物体靠近感应片后，其主副感应片的等效电容差与被测物体到感应片的距离D具有一定的函数关系,假设主感应片面积为4S，副感应片面积为S,电容差ΔC＝3kS/D,k为介电常数；
S2.通过U2的两路RC振荡电路，主感应片TOUCH1等效电容与振荡电阻形成频率为fm的主方波；副感应片TOUCH2等效电容与振荡电阻形成频率为fs的副方波；
S3.由于副感应片TOUCH2面积小，其等效电容(假如为Cs)小于主感应片TOUCH1等效电容(假如为Cm)，当被测物与感应片距离减少时，主感应片等效电容的变化量远大于副感应片，在被测物距一定的情况下，适当选取振荡电阻R1与R4的阻值，理论上可确保fm＝fs，被测物距变化会导致fm≠fs，且fm<fs,即时钟频率大于D端输入信号频率，根据D触发器逻辑关系，Q端输出波形占空比会变小，占空比变为零时，fm与fs的差值即为有效频差，其值为一个很小的窄带；Q端波形通过RC滤波即可获得一个与被测物距相关的直流电压，它不是线性关系，MCU的任务即是使得被测物距与直流电压接近线性关系,电路最终输出既定的有效信号，完成感应电容值向电信号转换的功能。
一种如上述可变窄带差分电容传感电路的应用，该电路应用于非接触式液位传感器。
一种如上述可变窄带差分电容传感电路的应用，该电路应用于电容式接近开关。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本可变窄带差分电容传感电路作为电容接近传感的关键电路，具有以下优点：
1、电路中感应片的设计制造简单，成本低廉，传感方法在大多数应用场合能满足接近传感的功能需求；
2、被感应物理量的电信号转换过程完全由硬件完成，无需MCU的程序参与；可以大大提高传感器的响应速度；
3、电路可应用于多个方面，可以实现通过改变PCB布局，即可巧妙设计主副感应片的不同组合关系，不同组合关系可以实现某些特定功能的需求；
4、通过匹配主副RC振荡电路的R值，可以将传感器限制或扩大在一定的有效带宽鉴频范围，主要应用到传感器，起到调节传感的灵敏度，以适应不同距离、不同精度、不同线性度的需要。
基于电路的传感方法有效、实用，应该范围广。
附图说明
图1为本发明的电路图。
图2为本发明的电路原理方框图。
图3为本发明电路应用于非接触式液位传感器的使用示意图。
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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1、2，本发明实施例中，一种可变窄带差分电容传感电路，包括感应片依次连接RC振荡电路、鉴频电路、滤波电路和MCU芯片U1，所述感应片包括主感应片TOUCH1和副感应片TOUCH2，所述主感应片和副感应片为面积比值作为波形占空比依据，所述主感应片TOUCH1和副感应片TOUCH2为面积比为4:1的铜片，RC振荡电路包括一振荡芯片U2，振荡芯片U2中其中一路RC振荡电路的电阻为R1,跨接在U2的1脚(1C)与6脚(1R)之间，主感应片TOUCH1作为第一路RC振荡电路的电容连接于U2的1脚(1C)，振荡波形从U2的6脚(1R)输出，进入U3的1脚。
振荡芯片U2的第二路RC振荡电路的电阻为R4,跨接在U2的3脚(2C)与4脚(2R)之间，副感应片TOUCH2作为第二路RC振荡电路的电容连接于U2的3脚(2C)。振荡波形从U2的4脚(2R)输出。进入U3的2脚。
所述鉴频电路为一D触发器U3，U3的1脚输入波形与U3的2脚输入波形通过D触发器逻辑叠加后由U3的4脚输出一方波信号。
所述滤波电路为由R2C1及R3C2组成的两级RC滤波。
所述MCU芯片采集两级滤波后的直流信号，经过AD转换，由植入MCU内部的软件进行线性化处理或峰值判断。U1的6脚用于一些运行参数的设定。
一种如上述可变窄带差分电容传感电路的的传感方法，包括如下:
副感应片产生的副方波作为D触发器的时钟输入，主感应片产生的主方波作为D触发器的D输入；当有物体靠近感应片后，主方波频率下降幅度比副方波下降幅度大，根据D触发器逻辑运算功能，Q端输出波形的占空比变小，物体继续靠近感应片，将可能使得Q端输出波形占空比变为零。
被测物体靠近感应片后，其主副感应片的等效电容差与被测物体到感应片的距离D具有一定的函数关系,假设主感应片面积为4S，副感应片面积为S,电容差ΔC＝3kS/D(k为介电常数)。
通过U2的两路RC振荡电路，主感应片TOUCH1等效电容与振荡电阻形成频率为fm的主方波。副感应片TOUCH2等效电容与振荡电阻形成频率为fs的副方波。
由于副感应片TOUCH2面积小，其等效电容(假如为Cs)小于主感应片TOUCH1等效电容(假如为Cm)，当被测物与感应片距离减少时，主感应片等效电容的变化量远大于副感应片，在被测物距一定的情况下，适当选取振荡电阻R1与R4的阻值，理论上可确保fm＝fs，被测物距变化会导致fm≠fs，且fm<fs,即时钟频率大于D端输入信号频率。根据D触发器逻辑关系，Q端输出波形占空比会变小，占空比变为零时，fm与fs的差值即为有效频差，其值为一个很小的窄带；Q端波形通过RC滤波即可获得一个与被测物距相关的直流电压，它不是线性关系，MCU的任务即是使得被测物距与直流电压接近线性关系,电路最终输出既定的有效信号，完成感应电容值向电信号转换的功能。
其工作电路主要工作过程:
1.传感器的主副感应片在没有物体接近的情况下，调节匹配电阻R1及R4，使得产生的主副方波频率尽可能接近，但要确保副方波略大于或等于主方波。
2.副方波作为D触发的时钟输入，主方波作为D触发器的D输入；当有物体靠近感应片后，主方波频率下降幅度比副方波下降幅度大，根据D触发器逻辑运算功能，Q端输出波形的占空比变小。
3.物体继续靠近感应片，将可能使得Q端输出波形占空比变为零。
4.同样物距下，输出波形占空比反比于被测物导电系数。
针对不同方面使用，对常用电路与本电路应用的对比说明:
1)双感应片的差分检测:
常用电路:在实际传感器设计制造中有很多应用案例，其D触发器的CLK时钟信号通常采用频率跟随法，确保Q波形占空比为零。当D端输入波形频率发生变化时，CLK跟随频率也变化，以此来获得物距变化量，其优点是线性度好、测量范围大；其缺点是容易导致温度飘移、抗干扰能力差；因频率跟随需要借助MCU频繁的数据采集与软件滤波，这种传感器稳定的响应速度低于100Hz。
本电路:而本电路CLK时钟信号由副感应片产生，当出现温飘或其它干扰时，CLK时钟信号与D端输入波形的频率将同时下降或上升，在一定的温飘或干扰强度范围内，通过D触发器的逻辑运算，可实现类似于差分输入的共模抗干扰效果；由于整个传感器的电信号转换均依赖硬件完成，在非线性的极值检测应用场合响应速度可做到高于500Hz。
2)窄带检波：
常用电路:鉴频器鉴频是全频段内的线性鉴频，由于电容传感器其频率变化范围极其有限，采用鉴频器鉴频，无法识别很小范围的频率差；采用简单的PCB铜片作为电容感应片，其感应所引起的频率变化量更小，直接导致无法有足够幅度的电信号输出。
本电路:使用的D触发器特殊的窄带检波功能：当D输入频率在最大时钟频率以内时，Q的输出波形占空比并不是在100％到0％之间变化；D输入频率与时钟频率在一个较窄的频差范围，将获得占空比在100％到0％之间变化的输出波形。
本电路通过巧妙设计主副感应片的面积比，同时通过调节两个RC振荡电路的振荡电阻，使得D输入频率与时钟频率落在一个较窄的有效频差范围，从而使得占空比在大范围内随被测物距变化而变化。
主副感应片的面积比及其振荡电阻的调节具有很强的关联性，调节没有理论计算可依；调节的最终目标为：在要求的感应物距变化范围内，对应鉴频的输出波形占空比在100％与0％之间变化；因此本电路在实际应用中，要获得很好的感应效果，需要反复调试，直到匹配出最佳结果。
这种局限于一定窄带范围的检波效果的好处，一是其灵敏性得到放大，二是使得这个电容检测具有很强的抗干扰能力。
3)可变窄带
常用电路:不好修改实施。
本电路:适应不同应用上的具体需求，或强调某个技术指标的重要性(例如线性度要求、距离要求、感应片面积大小需求等)，本电路可通过改变两个感应片的相对位置、面积比、形状等，再匹配RC电阻，来达到有效窄带的可变性，从而满足实际需求中对特定功能的突出要求。
本可变窄带差分电容传感电路作为电容接近传感的关键电路，具有以下优点：
1、电路中感应片的设计制造简单，成本低廉，传感方法在大多数应用场合能满足接近传感的功能需求；
2、被感应物理量的电信号转换过程完全由硬件完成，无需MCU的程序参与；可以大大提高传感器的响应速度；
3、电路的应用可应用于多个方面，可以实现通过改变PCB布局，即可巧妙设计主副感应片的不同组合关系，不同组合关系可以实现某些特定功能的需求；
4、通过匹配主副RC振荡电路的R值，可以将传感器限制或扩大在一定的有效带宽鉴频范围，主要应用到传感器，起到调节传感的灵敏度，以适应不同距离、不同精度、不同线性度的需要。
基于电路的传感方法有效、实用，使用范围广。
一种如上述可变窄带差分电容传感电路的应用，该电路应用于非接触式液位传感器。
一种如上述可变窄带差分电容传感电路的应用，该电路应用于电容式接近开关。
以下面一具体的应用实施例，作出更进一步的应用说明:
如图3所示，作为非接触式液位传感器应用
设置一个玻璃水缸，壁厚小于2cm，将本PCBA电路板8焊接好电源线等出线，加上绝缘的垫片(厚度1mm以内)紧贴于水缸外壁。
当水位处于绿色位置高度L1时，我们假定主副极片电容分别为Cm、Cs，可计算出主副电容差值:
ΔC＝3KS/d…(1)
上式中k为介电常数，当容器无水时，k最小，
有水时k最大,假定k与水位高度H的关系为：k＝εH；d为被测物(水或空气)与感应片的空间距离。
上式可表达为ΔC＝3εH S/d，其中3S/d近似为一常数，令其为δ，
则ΔC＝δεH…(2)
ε为感应片所在电容的综合介电常数，假定容器水位上升，ε增大，其关系简化描述为一次线性关系ε＝kH，
则ΔC＝δkH2…(3)
(3)式表明，传感器主副感应片的电容之差与容器内水位H成单边抛物上升关系。电容之差通过RC振荡电路变成两个方波的频率差，再经过D触发器的窄带鉴频，将获得一个占空比与水位H关联的方波输出。
在同一水位下，主副感应片面积之比，将加大占空比变化量。
调整主副RC振荡电阻，确保主副频率之差等于或略大于因水位变化而引起的频率变化量。本例最佳电阻匹配下在容器外壁为2CM时，水位变化引起的电平变化量可达到200mV.
作用：
将水位升到传感器水平中线，命令MCU记录当前输出方波的平均电压(两级RC滤波),程序给定：偏离平均电压100mV时，视为水位超低或超高，达到水位监测作用。
效果：
A)如果将偏离平均电压1mV作为水位超低或超高报警，则其动作回差可达到1mm以内；
B)当内容物液体导电率提高，电平变化量会加大，根据上述第2项描述，本传感器可用于内容物液体的电导率的鉴别。
C)同一性质液体，在温度变化时，其电导率变化量极少，差分效果完全可抵消温度带来的检测误差。
D)将本应用的主副传感片上下拉长，匹配好振荡电阻，即可作为液位高度测量传感器使用。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种可变窄带差分电容传感电路，其特征在于：包括感应片依次连接RC振荡电路、鉴频电路、滤波电路和MCU芯片，所述感应片包括主感应片和副感应片，所述RC振荡电路包括一具有两路RC振荡的振荡芯片，两路振荡电路的电容分别为主感应片和副感应片所呈现的等效电容；
所述鉴频电路为D触发器；所述滤波电路是一种阻容滤波电路，包括两级RC滤波，所述MCU芯片与滤波电路连接。
2.根据权利要求1所述的一种可变窄带差分电容传感电路，其特征在于：所述的RC振荡电路包括一振荡芯片U2，设置有几个连接脚，振荡芯片U2中其中一路RC振荡电路的电阻为R1,跨接在U2的1脚(1C)与6脚(1R)之间，主感应片作为第一路RC振荡电路的电容连接于U2的1脚(1C)，振荡波形从U2的6脚(1R)输出，进入U3的1脚；
振荡芯片U2的第二路RC振荡电路的电阻为R4,跨接在振荡芯片U2的3脚(2C)与4脚(2R)之间，副感应片作为第二路RC振荡电路的电容连接于U2的3脚(2C)。
3.根据权利要求1所述的一种可变窄带差分电容传感电路，其特征在于：所述鉴频电路为U3，U3的1脚与U3的2脚通过D触发器逻辑叠加后由U3的4脚连接两个阻容滤波电路。
4.根据权利要求3所述的一种可变窄带差分电容传感电路，其特征在于：所述的两个阻容滤波电路由R2C1及R3C2组成的两级滤波。
5.根据权利要求1所述的一种可变窄带差分电容传感电路，其特征在于：所述副感应片所在RC振荡设为D触发器的时钟输入端，所述主感应片所在RC振荡设为D触发器的D端输入。
6.根据权利要求1所述的一种可变窄带差分电容传感电路，其特征在于：所述主感应片和副感应片为面积比值作为波形占空比依据，所述主感应片和副感应片为面积比约为4:1的PCB覆铜片。
7.一种如权利要求1、2、3、4、5或6所述的一种可变窄带差分电容传感电路的的传感方法，其特征在于，包括如下:
S1.副感应片产生的副方波作为D触发器的时钟输入，主感应片产生的主方波作为D触发器的D输入；当有物体靠近感应片后，主方波频率下降幅度比副方波下降幅度大，根据D触发器逻辑运算功能，Q端输出波形的占空比变小；物体继续靠近感应片，将可能使得Q端输出波形占空比变为零；
被测物体靠近感应片后，其主副感应片的等效电容差与被测物体到感应片的距离D具有一定的函数关系,假设主感应片面积为4S，副感应片面积为S,电容差ΔC＝3kS/D,k为介电常数；
S2.通过U2的两路RC振荡电路，主感应片TOUCH1等效电容与振荡电阻形成频率为fm的主方波；副感应片TOUCH2等效电容与振荡电阻形成频率为fs的副方波；
S3.由于副感应片TOUCH2面积小，其等效电容(假如为Cs)小于主感应片TOUCH1等效电容(假如为Cm)，当被测物与感应片距离减少时，主感应片等效电容的变化量远大于副感应片，在被测物距一定的情况下，适当选取振荡电阻R1与R4的阻值，理论上可确保fm＝fs，被测物距变化会导致fm≠fs，且fm<fs,即时钟频率大于D端输入信号频率，根据D触发器逻辑关系，Q端输出波形占空比会变小，占空比变为零时，fm与fs的差值即为有效频差，其值为一个很小的窄带；Q端波形通过RC滤波即可获得一个与被测物距相关的直流电压，它不是线性关系，MCU的任务即是使得被测物距与直流电压接近线性关系,电路最终输出既定的有效信号，完成感应电容值向电信号转换的功能。
8.一种如权利要求1、2、3、4、5或6所述的一种可变窄带差分电容传感电路的应用，其特征在于：该电路应用于非接触式液位传感器。
9.一种如权利要求1、2、3、4、5或6所述的一种可变窄带差分电容传感电路的应用，其特征在于：该电路应用于电容式接近开关。
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