專利名稱：一種差容式微振動傳感器接口電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種差容式微振動傳感器接口電路，屬于微弱信號檢測技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
振動傳感器在海陸空天飛行器的慣性導(dǎo)航，對地觀測，深空探測，以及高技術(shù)武器的精確制導(dǎo)中一直發(fā)揮著重要作用，在新一代的航天型號任務(wù)中，對高精度高可靠的微振動傳感器有著迫切的需求。電容式振動傳感器因其在測量精度，溫度特性，低功耗，寬動態(tài)響應(yīng)范圍及結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)，近年來格外受到重視，尤其在μ g級高精度微振動應(yīng)用領(lǐng)域，更是得到廣泛的應(yīng)用。電容式傳感器的敏感信號是電容，其原理一般是由敏感質(zhì)量塊和襯底之間形成一個(gè)平行板電容器，當(dāng)被測基體發(fā)生振動時(shí)，敏感質(zhì)量塊與傳感器殼體會產(chǎn)生一個(gè)相對位移，引起敏感電容兩極板的正對面積或間距發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電容值發(fā)生變化，通過接口電路檢測電容變化并向外界輸出敏感軸方向上的振動信號的模擬或數(shù)字信號。對于差容式微振動傳感器，其接口電路必須有足夠高的靈敏度和穩(wěn)定性以檢測微小電容的變化，同時(shí)必須具備良好靈活性，可以微振動傳感器普遍存在的零偏，正負(fù)靈敏度不對稱，溫漂等問題進(jìn)行電路補(bǔ)償。目前公開的大部分差分電容檢測方面的專利，如專利號為 200710139662. 7，200810055943. 9，200910072974. X 和 201010512682. 6 等專利，均不能同時(shí)滿足精度、穩(wěn)定性和靈活性的要求，難以應(yīng)用在精度和可靠性要求很高的軍用微振動傳感器的差分電容檢測。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種差容式微振動傳感器的接口電路，該電路具有很高的檢測精度，而且電路原理簡單，穩(wěn)定性好，靈活性好，成本低廉， 可以應(yīng)用于高可靠性要求的軍用高精度微振動傳感器的差分電容檢測。本發(fā)明的上述目的是通過如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的—種差容式微振動傳感器接口電路，包括電源穩(wěn)壓電路、方波激勵(lì)電路、C-V轉(zhuǎn)換電路、放大濾波電路和微振動傳感器敏感元件，其中電源穩(wěn)壓電路將外部電源輸入的Vin轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的正電源Vp，分別給方波激勵(lì)電路、C-V轉(zhuǎn)換電路、放大濾波電路和微振動傳感器敏感元件供電，同時(shí)接收方波激勵(lì)電路產(chǎn)生的方波激勵(lì)信號，產(chǎn)生負(fù)電源\為放大濾波電路供電，實(shí)現(xiàn)雙電源供電；方波激勵(lì)電路產(chǎn)生方波激勵(lì)信號分別輸出給電源穩(wěn)壓電路和C-V轉(zhuǎn)換電路；C-V轉(zhuǎn)換電路接收方波激勵(lì)電路輸入的方波激勵(lì)信號和微振動傳感器敏感元件輸入的差分電容信號，將所述方波激勵(lì)信號分成兩路同源方波信號分別加載到微振動傳感器敏感元件的上固定極板和下固定極板上，對敏感電容Csl和Cs2進(jìn)行充放電，微振動傳感器敏感元件的中間移動極板與C-V轉(zhuǎn)換電路共地連接；將所述差分電容信號轉(zhuǎn)換成單電壓信號Vsmse輸出給放大濾波電路，并通過匹配電阻Rvl、Rv2和電容Cn3、Cfl、Cf2，對微振動傳感器敏感元件的正負(fù)靈敏度進(jìn)行調(diào)整；放大濾波電路接收C-V轉(zhuǎn)換電路輸入的電壓信號Vsmse,并對輸入的電壓信號 Vsense進(jìn)行放大、濾波處理，并輸出電壓v。ut，同時(shí)對微振動傳感器敏感元件的正零偏和負(fù)零偏進(jìn)行補(bǔ)償；微振動傳感器敏感元件將被測物體的振動信號轉(zhuǎn)換成差分電容信號并輸出給 C-V轉(zhuǎn)換電路。在上述差容式微振動傳感器接口電路中，電源穩(wěn)壓電路采用由兩個(gè)二極管D6和 D7，兩個(gè)電容C4和C5組成的電路產(chǎn)生負(fù)電源Vn，其中電容C4的一端接方波激勵(lì)電路產(chǎn)生的方波激勵(lì)信號，另一端與二極管D6的負(fù)端和D7的正端連接在一起，電容C5的一端和D7的負(fù)端同時(shí)接地，電容C5的另一端和二極管D6的正端連接。在上述差容式微振動傳感器接口電路中，C-V轉(zhuǎn)換電路接收的差分電容信號經(jīng)過由二極管Di、D2、D3和D4,電容Cfl、Cf2和Cn3，電阻Rvi和Rv2形成的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)線性轉(zhuǎn)換成單電壓信號Vsmse,其中二極管D1的負(fù)端和二極管&的正端與上固定極板連接，電容Cfl的兩端分別連接二極管D1的正端和二極管&的負(fù)端，其中與二極管D1正端連接的一端接地；二極管 D3的負(fù)端和二極管D4的正端通過電容Cn3與下固定極板連接，電容Cf2的兩端分別連接二極管D3的正端和二極管D4的負(fù)端，其中與二極管D3正端連接的一端接地；電阻Rvi的一端連接電容Cfl和二極管D2的負(fù)端，另一端與電阻Rv2的一端形成公共端輸出單電壓信號V— 電阻Rv2的另一端則連接電容Cf2和二極管D3的正端。在上述差容式微振動傳感器接口電路中，放大濾波電路由集成雙運(yùn)放U3a和U3b，電阻& I^12，電容C7 Cltl組成，其中集成雙運(yùn)放U3a和U3b的正負(fù)電源分別由電源穩(wěn)壓電路輸出電壓的Vp和Vn供電；C-V轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓Vsense經(jīng)電阻&后接入到U3a的反相端， U3a的同相端接地，U3a的反相端與U3a的輸出端通過電阻&和電容C8并聯(lián)支路連接；U3a的輸出端經(jīng)過由電阻&和電容C7構(gòu)成的RC低通濾波電路后，接入到U3b的反相端，U3b的反相端通過電容C7接地，的同相端接地，^的反相端與U3b的輸出端通過電阻&和電容C9并聯(lián)支路連接，的輸出端經(jīng)過由電阻R7和電容Cltl構(gòu)成的第二級濾波電路后輸出電壓V。ut ； 電阻Rltl, R11和R12構(gòu)成T型電阻網(wǎng)絡(luò)，電阻R11的一端接正電源Vp，電阻R12的一端接地，電阻1^的一端接到U3a的反向端或U3b的反向端，分別對微振動傳感器的正零偏和負(fù)零偏進(jìn)行補(bǔ)償。在上述差容式微振動傳感器接口電路中，方波激勵(lì)電路采用RC晶振芯片U2，所述 RC晶振芯片U2的Cs使能端通過上拉電阻R4接正電源VP，RC晶振芯片U2的輸出端5腳通過反饋電阻R3與RC晶振芯片U2的反饋端1腳連接，RC晶振芯片U2的反饋端1腳通過電解電容C6接地。在上述差容式微振動傳感器接口電路中，RC晶振芯片U2的輸出頻率由反饋電阻民
和電解電容C6決定，其計(jì)算公式如下 _8] / = ㈣其中Ii1為頻率系數(shù)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下有益效果①本發(fā)明對電容檢測接口電路的電源部分進(jìn)行了創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)，整個(gè)電路只需外部單電源輸入，采用直流電源調(diào)節(jié)芯片輸出穩(wěn)定的正電源Vp，內(nèi)部利用二極管和電容的簡單組合方式，無需采用額外的電源芯片，便可實(shí)現(xiàn)對內(nèi)部器件進(jìn)行正負(fù)雙電源供電，簡化了電路設(shè)計(jì)，降低了功耗需求，可靠性高；②本發(fā)明采用方波信號對敏感電容進(jìn)行激勵(lì)，采用RC晶振芯片輸出穩(wěn)定性好，溫漂系數(shù)低的方波信號，方波信號的輸出頻率由外接電阻R3和電容C6決定，根據(jù)被測傳感器的不同可以靈活調(diào)整；③本發(fā)明采用由二極管、電阻和電容等簡單器件組成的電路進(jìn)行C-V轉(zhuǎn)換，將方波信號分成兩路同源激勵(lì)信號分別加載到微振動傳感器敏感元件的上下固定極板上，對兩個(gè)敏感電容Csl和Cs2進(jìn)行充放電，有效的消除了傳統(tǒng)雙源信號激勵(lì)方式存在的電源波動對測量精度的影響，提高了檢測精度，C-V轉(zhuǎn)換電路與微振動傳感器的中間極板共地連接，有效提高了電路的抗干擾能力；④本發(fā)明C-V轉(zhuǎn)換電路原理簡單靈活，可以通過匹配電阻Rvl，Rv2和電容Cn3，對微振動傳感器的正負(fù)靈敏度進(jìn)行調(diào)整；⑤本發(fā)明中采用集成雙運(yùn)放實(shí)現(xiàn)對微弱信號的兩級放大濾波，通過匹配電阻R11 和R12可以對微振動傳感器的零偏和溫漂進(jìn)行補(bǔ)償；⑥本發(fā)明中采用的器件和芯片功能簡單，成本低廉，高等級芯片的可獲得性好，適用于軍用微振動傳感器的差分電容檢測。


圖1為本發(fā)明差容式微振動傳感器接口電路的原理框圖2為本發(fā)明電源穩(wěn)壓電路原理圖3為本發(fā)明方波激勵(lì)電路原理圖4為本發(fā)明C-V轉(zhuǎn)換電路原理圖5為本發(fā)明放大濾波電路原理圖6為本發(fā)明接口電路差分電容輸入與電壓輸出的變化曲線圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例給出了詳細(xì)說明，本實(shí)施例以本發(fā)明技術(shù)方案為前提，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。如圖1所示為本發(fā)明差容式微振動傳感器接口電路的原理框圖，由圖可知該接口電路電源穩(wěn)壓電路、方波激勵(lì)電路、C-V轉(zhuǎn)換電路、放大濾波電路和微振動傳感器敏感元件， 其中電源穩(wěn)壓電路將外部電源輸入的Vin轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的正電源Vp，分別給方波激勵(lì)電路、 C-V轉(zhuǎn)換電路、放大濾波電路和微振動傳感器敏感元件供電，同時(shí)接收方波激勵(lì)電路產(chǎn)生的方波激勵(lì)信號，產(chǎn)生負(fù)電源Vn為放大濾波電路供電，實(shí)現(xiàn)雙電源供電；方波激勵(lì)電路產(chǎn)生方波激勵(lì)信號分別輸出給電源穩(wěn)壓電路和C-V轉(zhuǎn)換電路。C-V轉(zhuǎn)換電路接收方波激勵(lì)電路輸入的方波激勵(lì)信號，將方波激勵(lì)信號分成兩路同源方波信號分別加載到微振動傳感器敏感元件的上固定極板7和下固定極板8上，對敏感電容Csl和Cs2進(jìn)行充放電，微振動傳感器敏感元件的中間移動極板6與C-V轉(zhuǎn)換電路共地連接；接收微振動傳感器敏感元件輸入的差分電容信號，將差分電容信號轉(zhuǎn)換成單電壓信號輸出給放大濾波電路，并通過匹配電阻Rvl、Rv2和電容Cn3、Cfl、Cf2，對微振動傳感器敏感元件的正負(fù)靈敏度進(jìn)行調(diào)整。放大濾波電路接收C-V轉(zhuǎn)換電路輸入的電壓信號Vsmse，并對輸入的電壓信號Vsmse 進(jìn)行放大、濾波處理，并輸出電壓V。ut，同時(shí)對微振動傳感器敏感元件的正零偏和負(fù)零偏進(jìn)行補(bǔ)償。微振動傳感器敏感元件將被測物體的振動信號轉(zhuǎn)換成差分電容信號并輸出給C-V 轉(zhuǎn)換電路。如圖2所示為本發(fā)明電源穩(wěn)壓電路的原理圖，本發(fā)明中采用單電源供電，內(nèi)部采用直流電源調(diào)節(jié)芯片輸出穩(wěn)定的正電源Vp，本實(shí)施例中電源調(diào)節(jié)芯片U1采用Micrel公司的直流電源調(diào)節(jié)芯片MIC2951，外部單電源輸入\ 接仏的輸入端，仏輸出端V-通過電阻 R1連接U1的反饋端FBj1的反饋端FB通過電阻&接地。U1輸出端V。ut的輸出電壓Vp與電阻隊(duì)和電阻&的阻值相關(guān)，計(jì)算公式如下
權(quán)利要求
1.一種差容式微振動傳感器接口電路，其特征在于包括電源穩(wěn)壓電路、方波激勵(lì)電路、C-V轉(zhuǎn)換電路、放大濾波電路和微振動傳感器敏感元件，其中電源穩(wěn)壓電路將外部電源輸入的Vin轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的正電源Vp，分別給方波激勵(lì)電路、 C-V轉(zhuǎn)換電路、放大濾波電路和微振動傳感器敏感元件供電，同時(shí)接收方波激勵(lì)電路產(chǎn)生的方波激勵(lì)信號，產(chǎn)生負(fù)電源Vn為放大濾波電路供電，實(shí)現(xiàn)雙電源供電；方波激勵(lì)電路產(chǎn)生方波激勵(lì)信號分別輸出給電源穩(wěn)壓電路和C-V轉(zhuǎn)換電路；C-V轉(zhuǎn)換電路接收方波激勵(lì)電路輸入的方波激勵(lì)信號和微振動傳感器敏感元件輸入的差分電容信號，將所述方波激勵(lì)信號分成兩路同源方波信號分別加載到微振動傳感器敏感元件的上固定極板(7)和下固定極板(8)上，對敏感電容Csl和Cs2進(jìn)行充放電，微振動傳感器敏感元件的中間移動極板(6)與C-V轉(zhuǎn)換電路共地連接；將所述差分電容信號轉(zhuǎn)換成單電壓信號Vsmse輸出給放大濾波電路，并通過匹配電阻Rvl、Rv2和電容Cn3、Cfl、Cf2，對微振動傳感器敏感元件的正負(fù)靈敏度進(jìn)行調(diào)整；放大濾波電路接收C-V轉(zhuǎn)換電路輸入的電壓信號Vsmse,并對輸入的電壓信號Vsmse進(jìn)行放大、濾波處理，并輸出電壓V。ut，同時(shí)對微振動傳感器敏感元件的正零偏和負(fù)零偏進(jìn)行補(bǔ)償；微振動傳感器敏感元件將被測物體的振動信號轉(zhuǎn)換成差分電容信號并輸出給C-V轉(zhuǎn)換電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種差容式微振動傳感器接口電路，其特征在于所述電源穩(wěn)壓電路采用由兩個(gè)二極管D6和D7,兩個(gè)電容C4和C5組成的電路產(chǎn)生負(fù)電源Vn，其中電容 C4的一端接方波激勵(lì)電路產(chǎn)生的方波激勵(lì)信號，另一端與二極管D6的負(fù)端和D7的正端連接在一起，電容C5的一端和D7的負(fù)端同時(shí)接地，電容C5的另一端和二極管D6的正端連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種差容式微振動傳感器接口電路，其特征在于所述C-V 轉(zhuǎn)換電路接收的差分電容信號經(jīng)過由二極管Dp D2, D3和D4,電容Cfl、Cf2和Cn3，電阻Rvi和 Rv2形成的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)線性轉(zhuǎn)換成單電壓信號Vsmse，其中二極管D1的負(fù)端和二極管D2的正端與上固定極板(7)連接，電容Cfl的兩端分別連接二極管D1的正端和二極管&的負(fù)端，其中與二極管D1正端連接的一端接地；二極管D3的負(fù)端和二極管D4的正端通過電容Cn3與下固定極板(8)連接，電容Cf2的兩端分別連接二極管D3的正端和二極管D4的負(fù)端，其中與二極管D3正端連接的一端接地；電阻Rvi的一端連接電容Cfl和二極管D2的負(fù)端，另一端與電阻 Rv2的一端形成公共端輸出單電壓信號V一’電阻Rv2的另一端則連接電容Cf2和二極管D3 的正端。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種差容式微振動傳感器接口電路，其特征在于所述放大濾波電路由集成雙運(yùn)放U3a和U3b，電阻& Ii12，電容C7 Cltl組成，其中集成雙運(yùn)放U3a和 U3B的正負(fù)電源分別由電源穩(wěn)壓電路輸出電壓的Vp和￥ 供電；C-V轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓Vsmse 經(jīng)電阻&后接入到U3a的反相端，U3a的同相端接地，U3a的反相端與U3a的輸出端通過電阻 R8和電容C8并聯(lián)支路連接；U3a的輸出端經(jīng)過由電阻&和電容C7構(gòu)成的RC低通濾波電路后，接入到U3b的反相端，U3b的反相端通過電容C7接地，U3b的同相端接地，U3b的反相端與 U3b的輸出端通過電阻&和電容C9并聯(lián)支路連接，U3b的輸出端經(jīng)過由電阻R7和電容Cltl構(gòu)成的第二級濾波電路后輸出電壓v。ut ；電阻1^0，R11和R12構(gòu)成T型電阻網(wǎng)絡(luò)，電阻R11的一端接正電源\，電阻R12的一端接地，電阻Rltl的一端接到U3a的反向端或U3b的反向端，分別對微振動傳感器的正零偏和負(fù)零偏進(jìn)行補(bǔ)償。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種差容式微振動傳感器接口電路，其特征在于所述方波激勵(lì)電路采用RC晶振芯片U2，所述RC晶振芯片U2的Cs使能端通過上拉電阻R4接正電源 Vp, RC晶振芯片U2的輸出端5腳通過反饋電阻R3與RC晶振芯片U2的反饋端1腳連接，RC 晶振芯片U2的反饋端1腳通過電解電容C6接地。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種差容式微振動傳感器接口電路，其特征在于所述RC晶振芯片U2的輸出頻率由反饋電阻R3和電解電容C6決定，其計(jì)算公式如下f =(Hz)其中&為頻率系數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種差容式微振動傳感器檢接口電路，由電源穩(wěn)壓電路、方波激勵(lì)電路、C-V轉(zhuǎn)換電路、放大濾波電路和微振動傳感器敏感元件組成，其中接口電路為單電源供電，內(nèi)部采用二極管D1，D2和兩個(gè)電容C4，C5生成負(fù)電源給內(nèi)部器件供電，方波激勵(lì)信號由RC晶振芯片產(chǎn)生，經(jīng)過電阻Rs1后，分成兩路信號分別經(jīng)過電容Cn1和Cn2對敏感電容Cs1和Cs2進(jìn)行充放電，由C-V轉(zhuǎn)換電路將差分電容ΔC線性轉(zhuǎn)換成單電壓信號Vsense，再經(jīng)過放大濾波后輸出，本發(fā)明原理簡單，無大規(guī)模集成芯片，成本低廉且易于實(shí)現(xiàn)小型化和低功耗；設(shè)計(jì)靈活，可以分別進(jìn)行溫度補(bǔ)償，零位調(diào)整，正負(fù)靈敏度調(diào)整等；對差容式微振動傳感器產(chǎn)生的微弱信號檢測精度高，噪聲水平低，穩(wěn)定性好。
文檔編號G01H11/06GK102494759SQ20111045931
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月29日
發(fā)明者彭泳卿, 王鮮然, 陳喆, 陳青松 申請人:北京遙測技術(shù)研究所