用于油料檢測(cè)的電容傳感器互補(bǔ)激勵(lì)及線性檢測(cè)方案的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于油料檢測(cè)的電容傳感器激勵(lì)及檢測(cè)電路方案，屬于檢測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】。該方案由電容傳感器、參比電容、檢流電阻、集成運(yùn)算放大器等部件構(gòu)成，參比電容的值與電容傳感器在未感測(cè)油料時(shí)的電容值相等；電容傳感器與參比電容串聯(lián)，其公共端與運(yùn)算放大器的反相輸入端相連，兩個(gè)非公共端分別與幅值相等相位相反的兩路交流激勵(lì)信號(hào)相連；檢流電阻接在運(yùn)算放大器的反相輸入端和輸出端之間，運(yùn)算放大器的同相輸入端接地；運(yùn)算放大器輸出端電壓即為幅值與傳感器電容變化量成線性關(guān)系的檢測(cè)結(jié)果信號(hào)。本發(fā)明能線性檢測(cè)電容傳感器的電容變化量，電路簡(jiǎn)單、靈敏度高、穩(wěn)定性好、動(dòng)態(tài)范圍寬、抗干擾能力強(qiáng)，非常適用于油料性能的電容傳感檢測(cè)。
【專利說明】用于油料檢測(cè)的電容傳感器互補(bǔ)激勵(lì)及線性檢測(cè)方案

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于檢測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種以互補(bǔ)激勵(lì)方式激勵(lì)電容傳感器并線性 檢測(cè)傳感器電容變化量的檢測(cè)電路方案。

【背景技術(shù)】
[0002] 油料是一種非常復(fù)雜的混合物，對(duì)其各種參數(shù)及性能進(jìn)行檢測(cè)是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性 的工作，各種新型傳感技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)等新技術(shù)在油料檢測(cè)中的應(yīng)用也是油料檢測(cè)領(lǐng)域的 研究重點(diǎn)。電容傳感器是根據(jù)外界參量的作用引起傳感器電容值的變化來檢測(cè)外界參量 的，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、工作可靠性高、具有平均效應(yīng)等特點(diǎn)。用 電容傳感器對(duì)油料的相關(guān)參量進(jìn)行檢測(cè)，具有很多其他檢測(cè)方法和手段不可比擬的特殊優(yōu) 勢(shì)，這使電容傳感器在油料檢測(cè)中的應(yīng)用越來越受到人們的重視。近年來，在油料的介電性 能、化學(xué)組成、種類識(shí)別、水分含量、油位高度等參量的檢測(cè)方面，電容傳感器的應(yīng)用都逐漸 成為人們研究的重要方向。
[0003] 由于油料的特殊性質(zhì)、以及電容傳感器的自身原理特點(diǎn)，將電容傳感器用于油料 檢測(cè)時(shí)，相比于其他應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)傳感器的激勵(lì)和檢測(cè)電路都有更高的要求，這些要求主要 集中在以下幾個(gè)方面 ：
[0004] 1、要求傳感器的交流激勵(lì)信號(hào)幅度盡量大，以便在被測(cè)參量一定的情況下，電容 傳感器充放電電流的變化量盡量大，從而使傳感器的檢測(cè)靈敏度盡可能高。
[0005] 2、要求交流激勵(lì)信號(hào)的幅度高度穩(wěn)定，以便保證檢測(cè)結(jié)果的高度穩(wěn)定性和重復(fù) 性。
[0006] 3、由于油料的作用引起傳感器電容值的變化量（Λ C)相對(duì)于其初始電容值（CK) 通常是很小的，因此希望檢測(cè)電路的輸出信號(hào)能直接反應(yīng)傳感器電容值的變化量（△ C)，而 不是傳感器的總電容值（CK+△ C)，從而使傳感電路具備較強(qiáng)的檢測(cè)分辨力和較寬的動(dòng)態(tài)檢 測(cè)范圍。
[0007] 4、要求檢測(cè)電路的輸出信號(hào)與傳感器的電容變化量盡量滿足線性關(guān)系。
[0008] 5、由于電容傳感器的輸出阻抗高，驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力差，因此要求檢測(cè)電路的輸入阻 抗高，輸出阻抗低，從而降低檢測(cè)電路對(duì)電容傳感器的負(fù)載效應(yīng)，并增強(qiáng)檢測(cè)電路對(duì)后續(xù)信 號(hào)調(diào)理電路的驅(qū)動(dòng)能力。
[0009] 6、電容傳感器本身的原理要求其激勵(lì)和檢測(cè)電路都應(yīng)當(dāng)盡量徹底地排除寄生電 容對(duì)傳感器的影響，從而增強(qiáng)傳感器檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。
[0010]目前比較典型的電容傳感器激勵(lì)及檢測(cè)方法有諧振測(cè)量法、自激振蕩測(cè)量法、交 流橋式測(cè)量法、充放電測(cè)量法、雙T形交流電橋法、環(huán)形二極管充放電法等等，但這些方案 都只能滿足上述部分要求，電路結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，將這些方法用于電容傳感器的油料檢測(cè) 時(shí)很難獲得滿意的效果。
[0011] 比如，對(duì)于圖1和圖2這兩種常見的交流橋式測(cè)量方法，就存在如下缺點(diǎn)：一是 由于兩臂中參比電容CK(或取樣電阻R)與傳感器(^( = CK+AC)的串聯(lián)分壓作用，使傳 感器cx本身所承受的真實(shí)激勵(lì)電壓比橋路的驅(qū)動(dòng)電壓泛小了很多，這降低了測(cè)量電路的 檢測(cè)靈敏度；二是由于激勵(lì)砍并非直接加到傳感器(^的兩端，導(dǎo)線電阻、分布參數(shù)及干擾 等的影響會(huì)導(dǎo)致傳感器cx所承受的激勵(lì)電壓不穩(wěn)定；三是兩臂的輸出?> σι和1^2的值都比 較大，而其中的有用信號(hào)（即由被測(cè)參量的作用導(dǎo)致cx變化AC而引起的的變 化量）卻非常小，這大大限制了傳感器電路的動(dòng)態(tài)檢測(cè)范圍及分辨能力；四是檢測(cè)電路的 輸出"的值都很小（對(duì)圖對(duì)圖2: ?〇= Ζ^?ι~ Ζ^?ιΧ jaRC%01，ω為激勵(lì)信號(hào)仏的頻率），檢測(cè)分辨力較低，同時(shí)
[^與Λ C之間為非線性關(guān)系，線性度差；五是對(duì)這兩種檢測(cè)方案，分布電容的存在都會(huì)影響 到和&?，從而降低檢測(cè)結(jié)果的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度；六是電路的輸出阻抗高，驅(qū)動(dòng)后續(xù)調(diào) 理電路的能力弱。
[0012] 再如，對(duì)于圖3所示激勵(lì)及檢測(cè)方案，盡管避免了圖1和圖2兩種方 案的多個(gè)缺點(diǎn)，但由于有效信號(hào)Δ[> σι ( Δ?σι=->Λ ▲0·￡>,)依然只占' ()的很小一部分，而受電源供電的限制不可 能很大，從而使輸出信號(hào)匕（仏-仏2 · AC · A )仍然很小，這也導(dǎo)致了該 檢測(cè)方案的動(dòng)態(tài)檢測(cè)范圍很窄、檢測(cè)靈敏度及分辨力都很低。
[0013] 由上述分析可知，目前常用的電容傳感器激勵(lì)及檢測(cè)方案滿足不了油料檢測(cè)應(yīng)用 對(duì)其多方面的要求，需要新的激勵(lì)及檢測(cè)方案來克服現(xiàn)有缺點(diǎn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的，能滿足油料檢測(cè)應(yīng)用多方面使用要求、 并克服現(xiàn)有常規(guī)方案缺點(diǎn)的電容傳感器激勵(lì)及檢測(cè)電路方案，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器電容變化 值的高靈敏度、高穩(wěn)定性、高精確度、大動(dòng)態(tài)范圍的線性檢測(cè)。
[0015] 本發(fā)明提出的用于油料檢測(cè)的電容傳感器互補(bǔ)激勵(lì)及線性檢測(cè)電路方案如圖4 所示，其特征在于：該方案的電路由電容傳感器c x、參比電容CK、檢流電阻Rs和集成運(yùn)算放 大器A構(gòu)成，其中，電容傳感器C x和參比電容CK串聯(lián)后，其公共端與運(yùn)算放大器A的反相輸 入端（_)相連；檢流電阻馬接在運(yùn)算放大器A的反相輸入端和輸出端之間，使運(yùn)算放大器A 工作于負(fù)反饋狀態(tài)；運(yùn)算放大器A的同相輸入端（+)接地，使電容傳感器心和參比電容CK 的公共端處于虛地狀態(tài)的零電位。
[0016] 在所述的電容傳感器互補(bǔ)激勵(lì)及線性檢測(cè)電路方案中，參比電容CK的電容值與電 容傳感器c x在不感受被測(cè)參量時(shí)的初始電容值相等，幅值相等相位相反的兩路互補(bǔ)交流激 勵(lì)信號(hào)+[>,和分別接至電容傳感器cx和參比電容CK的非公共端，運(yùn)算放大器A的輸出 端電壓即為代表傳感器電容變化量△(：的檢測(cè)結(jié)果信號(hào)。
[0017] 本發(fā)明的特點(diǎn)及效果：
[0018] 在本發(fā)明提出的電容傳感器互補(bǔ)激勵(lì)及線性檢測(cè)方案中，由于電容傳感器Cx和參 比電容C K的公共端處于虛地狀態(tài)的零電位，互補(bǔ)的兩路激勵(lì)信號(hào)和又分別接在二 者的非公共端，因此二者所承受的激勵(lì)信號(hào)大小都為100%的玟，激勵(lì)信號(hào)幅度得到了最 大化，傳感器的檢測(cè)靈敏度得到了充分的保證。
[0019] 其次，檢流電阻Rs直接將流過電容傳感器(^和參比電容CK的電流之差轉(zhuǎn)換為輸 / · \ 出電壓P使P + P 4 =-加(AC為被測(cè)參量的作用導(dǎo)致電容傳感 U Ο， \^CX ^CR J 器cx在其初始值CK基礎(chǔ)上的電容變化量）。由于該檢測(cè)結(jié)果輸出信號(hào)可覆蓋很寬的電 壓范圍，并且只反映了傳感器(^的電容值變化量AC，因此既充分保證了該方案具有極寬的 動(dòng)態(tài)檢測(cè)范圍和極高的檢測(cè)分辨力，同時(shí)也保證了檢測(cè)結(jié)果與傳感器電容變化量之間的理 想線性關(guān)系。
[0020] 第三，在該方案中，由于電容傳感器Cx和參比電容CK的非公共端直接接激勵(lì)信號(hào) 源和，非公共端的分布電容相當(dāng)于與傳感器C x或參比電容CK并聯(lián)后接至相應(yīng)激勵(lì) 源；同時(shí)，由于傳感器cx和參比電容CK的公共端處于虛地狀態(tài)的零電位，其公共端的分布電 容相當(dāng)于被短路至地。因此傳感器cx和參比電容CK兩端連線的分布電容都不會(huì)對(duì)其所承 受激勵(lì)信號(hào)的穩(wěn)定性構(gòu)成干擾，保證了該方案具有很強(qiáng)的抗干擾能力，很高的檢測(cè)準(zhǔn)確性 和穩(wěn)定性。
[0021] 第四，由于采用集成運(yùn)放構(gòu)成檢測(cè)電路，因此該方案也具有高輸入阻抗和低輸出 阻抗的特點(diǎn)。
[0022] 由此可見，本發(fā)明能滿足油料檢測(cè)應(yīng)用對(duì)電容傳感器激勵(lì)和檢測(cè)電路的多方面要 求，能以一種簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的方式實(shí)現(xiàn)電容傳感器電容變化值的高靈敏度、高穩(wěn)定性、高精確 度、大動(dòng)態(tài)范圍的線性檢測(cè)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023] 圖1是使用參比電容的電容傳感器交流橋式激勵(lì)和檢測(cè)方案原理圖。
[0024] 圖2是使用參比電容和取樣電阻的電容傳感器交流橋式激勵(lì)和檢測(cè)電路原理圖。
[0025] 圖3是使用參比電容和集成運(yùn)算放大器的電容傳感器充放電檢測(cè)方案原理圖。
[0026] 圖4是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的電路原理圖。
[0027] 圖5是本發(fā)明的實(shí)施例圖。

【具體實(shí)施方式】：
[0028] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0029] 本發(fā)明提出的用于油料檢測(cè)的電容傳感器互補(bǔ)激勵(lì)及線性檢測(cè)方案，其特征在 于：該方案的電路由電容傳感器C x、參比電容CK、檢流電阻Rs和集成運(yùn)算放大器A構(gòu)成，其 中，電容傳感器C x和參比電容CK串聯(lián)后，其公共端與運(yùn)算放大器A的反相輸入端（_)相連； 檢流電阻R s接在運(yùn)算放大器A的反相輸入端和輸出端之間，使運(yùn)算放大器A工作于負(fù)反饋 狀態(tài)；運(yùn)算放大器A的同相輸入端（+)接地，使電容傳感器(^和參比電容C K的公共端處于 虛地狀態(tài)的零電位。
[0030] 在所述的電容傳感器互補(bǔ)激勵(lì)及線性檢測(cè)電路方案中，參比電容CK的電容值與電 容傳感器C x在不感受被測(cè)參量時(shí)的初始電容值相等，幅值相等相位相反的兩路互補(bǔ)交流激 勵(lì)信號(hào)+認(rèn)和分別接至電容傳感器c x和參比電容CK的非公共端，運(yùn)算放大器A的輸出 端電壓卩為代表傳感器電容變化量△(：的檢測(cè)結(jié)果信號(hào)。
[0031] 本發(fā)明實(shí)施例電路如圖5所示，各部分的組成說明如下：
[0032] 1.本實(shí)施例電路包括互補(bǔ)信號(hào)產(chǎn)生電路和本發(fā)明所涉及的互補(bǔ)激勵(lì)線性檢測(cè)電 路兩部分。
[0033] 2.本實(shí)施例的互補(bǔ)信號(hào)產(chǎn)生電路包含一個(gè)電壓跟隨器和一個(gè)電壓反相器，用以將 信號(hào)源G變?yōu)閮陕坊パa(bǔ)的激勵(lì)信號(hào)+認(rèn)和-以。電壓跟隨器由運(yùn)算放大器4和電阻Ri、R 2組 成；的一端與信號(hào)源泛的輸出相連，另一端與運(yùn)算放大器Ai的同相輸入端（+)相連；R2 連接于運(yùn)算放大器4的反相輸入端（-)與輸出端之間。電壓反相器由運(yùn)算放大器A2和電 阻R3、R 4組成；R3連接于信號(hào)源泛的輸出和運(yùn)算放大器A2的反相輸入端（-)之間，R 4連接 于運(yùn)算放大器A2的反相輸入端（-)和輸出端之間，A2的同相輸入端接地。電阻凡?R 4皆 為精密電阻，且阻值相等，大小可取為10kQ?lOOkQ。運(yùn)算放大器&和4應(yīng)選擇輸入阻 抗高，失調(diào)電壓小的運(yùn)算放大器。
[0034] 互補(bǔ)信號(hào)產(chǎn)生電路除了可由本實(shí)施例中的運(yùn)算放大器和電阻構(gòu)成外，還可通過變 壓器等其他途徑來實(shí)現(xiàn)。
[0035] 3、本實(shí)施例的互補(bǔ)激勵(lì)線性檢測(cè)電路由運(yùn)算放大器A、檢流電阻Rs、參比電容C K、 電容傳感器Cx構(gòu)成。電容傳感器Cx和參比電容CK相互串聯(lián)后接于互補(bǔ)的激勵(lì)信號(hào)+以和 之間，電容傳感器Cx和參比電容CK的公共端接于運(yùn)算放大器A的反相輸入端（_)，檢流 電阻馬接于運(yùn)算放大器A的反相輸入端（_)和輸出端之間，運(yùn)算放大器A的同相輸入端（+) 接地。本實(shí)施例中電阻馬為精密固定電阻，但也可以是數(shù)字電位器或其他形式的電阻網(wǎng)絡(luò)。 參比電容(^通常由另一個(gè)不感測(cè)被測(cè)對(duì)象的電容傳感器&來構(gòu)成，也可使用其他形式的電 容器來構(gòu)成。運(yùn)算放大器A為高輸入阻抗，低偏置電流、失調(diào)電壓的精密運(yùn)算放大器，其輸 出端電壓為檢測(cè)結(jié)果輸出信號(hào)，該信號(hào)的幅值與電容傳感器的電容變化量成線性關(guān)系。
[0036] 本發(fā)明能線性檢測(cè)電容傳感器的電容變化量，并且具有電路簡(jiǎn)單、靈敏度高、穩(wěn)定 性好、動(dòng)態(tài)范圍寬、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，不但非常適用于油料的電容傳感檢測(cè)，也適用于 電容傳感器對(duì)其他物質(zhì)對(duì)象的檢測(cè)。
【權(quán)利要求】
1. 一種適用于油料檢測(cè)過程中以互補(bǔ)激勵(lì)方式激勵(lì)電容傳感器并線性檢測(cè)傳感器電 容變化量的檢測(cè)電路方案，其特征在于：該檢測(cè)方案的基本電路部件包括電容傳感器、參比 電容、檢流電阻和集成運(yùn)算放大器，其中，電容傳感器與參比電容串聯(lián)，其公共端與集成運(yùn) 算放大器的反相輸入端相連，檢流電阻接在集成運(yùn)算放大器的反相輸入端和輸出端之間， 集成運(yùn)算放大器的同相輸入端接地。
2. 權(quán)利要求1所述的檢測(cè)方案，其特征在于，參比電容的電容值與電容傳感器在不感 測(cè)被測(cè)對(duì)象時(shí)的初始電容值相等。
3. 權(quán)利要求1所述的檢測(cè)方案，其特征在于，串聯(lián)的電容傳感器與參比電容的兩個(gè)非 公共端分別與幅值相等相位相反的兩路互補(bǔ)交流激勵(lì)信號(hào)相連。
4. 權(quán)利要求1所述的檢測(cè)方案，其特征在于，集成運(yùn)算放大器輸出端的電壓信號(hào)為電 容傳感器電容變化量的檢測(cè)結(jié)果輸出信號(hào)。
【文檔編號(hào)】G01R27/26GK104062327SQ201410325942
【公開日】2014年9月24日 申請(qǐng)日期:2014年7月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月10日
【發(fā)明者】熊剛 申請(qǐng)人:熊剛