電容傳感器的模擬裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及電容傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種電容傳感器的模擬裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]用電測(cè)法測(cè)量非電學(xué)量時(shí)，首先必須將被測(cè)的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量而后進(jìn)行顯示或者記錄。根據(jù)不同非電學(xué)量的特點(diǎn)設(shè)計(jì)成的有關(guān)轉(zhuǎn)換裝置被稱為傳感器，而將被測(cè)的力學(xué)量(例如位移、力、速度等)轉(zhuǎn)換成電容變化的傳感器被稱為電容傳感器。電容傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、易實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量等特點(diǎn)，可用于激光法、超聲波法等測(cè)量手段所不能完成的許多場(chǎng)合。從能量轉(zhuǎn)換的角度而言，電容傳感器為無源傳感器，因而需要借助激勵(lì)源和檢測(cè)電路將電容傳感器的電容變化量轉(zhuǎn)換為輸出電壓的電壓變化量。
[0003]圖1是常見的一種電容傳感器的檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，所述檢測(cè)系統(tǒng)包括激勵(lì)源U10、電容傳感器組10、切換開關(guān)KlO以及檢測(cè)電路，其中，所述電容傳感器組包括多個(gè)分布在待測(cè)位置處的電容傳感器，所述檢測(cè)電路包括運(yùn)算放大器A10、反饋電容ClO以及輸入電阻R10。所述檢測(cè)系統(tǒng)中各器件之間的具體連接關(guān)系如圖1所示，在此不再贅述。進(jìn)行力學(xué)量檢測(cè)時(shí)，由所述激勵(lì)源UlO提供激勵(lì)信號(hào)。通過改變所述切換開關(guān)KlO連接的電容傳感器，所述檢測(cè)電路依次將各個(gè)電容傳感器的電容變化量轉(zhuǎn)換為輸出電壓Vout的電壓變化量。由于待測(cè)力學(xué)量和所述輸出電壓Vout之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系是已知的，根據(jù)所述輸出電壓Vout的電壓值可以獲得待測(cè)力學(xué)量。
[0004]電容傳感器的等效電容不同，對(duì)所述檢測(cè)電路的影響也不一樣，因而需要對(duì)電容傳感器進(jìn)行模擬?，F(xiàn)有技術(shù)中通過所述檢測(cè)電路外接可調(diào)的精密電容來模擬電容傳感器工作，然而由于可調(diào)的精密電容的電容值很小(通常為皮法級(jí))，模擬結(jié)果易受線路的分布電容影響和外部條件干擾，且可調(diào)的精密電容的電容值變化范圍小，在模擬過程中依靠手動(dòng)調(diào)節(jié)改變可調(diào)的精密電容的電容值，上述各種因素導(dǎo)致模擬結(jié)果的精度很低。并且，可調(diào)的精密電容成本也高。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005]本實(shí)用新型所要解決的是采用可調(diào)的精密電容模擬電容傳感器成本高、模擬結(jié)果精度低的問題。
[0006]為解決上述問題，本實(shí)用新型提供一種電容傳感器的模擬裝置，包括主控制器和至少一個(gè)電容模擬器；所述主控制器與上位機(jī)連接，適于將用戶通過上位機(jī)設(shè)置的仿真電容值轉(zhuǎn)發(fā)至所述電容模擬器；所述電容模擬器與所述主控制器連接，適于根據(jù)激勵(lì)信號(hào)和所述仿真電容值產(chǎn)生仿真信號(hào)，所述仿真信號(hào)的頻率與所述激勵(lì)信號(hào)的頻率相同，所述仿真信號(hào)的幅度為VinX (Cs + Cr)，其中，Cs為所述仿真電容值，Vin為所述激勵(lì)信號(hào)的幅度，Cr為預(yù)設(shè)的參考電容值。本實(shí)用新型實(shí)施例提供的電容傳感器的模擬裝置，基于電壓的變化對(duì)應(yīng)電容的變化關(guān)系，使用電子技術(shù)模擬與實(shí)際物理電容等效的變化規(guī)律，將電容變化量轉(zhuǎn)換為電壓變化量。用戶通過上位機(jī)設(shè)置不同的仿真電容值，可以連續(xù)模擬寬范圍的電容變化。模擬裝置中仿真電容值的變化響應(yīng)速度快、電容值穩(wěn)定，電容的分辨率可以達(dá)到lpF，提高了模擬結(jié)果精度，降低了對(duì)電容傳感器進(jìn)行模擬的成本。
[0007]可選的，所述電容模擬器包括從控制器、至少一個(gè)模擬輸入通道以及至少一個(gè)模擬輸出通道；所述模擬輸入通道與激勵(lì)源連接，適于對(duì)所述激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理以獲得第一數(shù)字信號(hào)；所述從控制器與所述模擬輸入通道和所述主控制器連接，適于對(duì)所述第一數(shù)字信號(hào)和所述仿真電容值進(jìn)行數(shù)字乘法處理以獲得第二數(shù)字信號(hào)；所述模擬輸出通道與所述從控制器連接適于對(duì)所述第二數(shù)字信號(hào)進(jìn)行信號(hào)輸出調(diào)理適配以獲得所述仿真信號(hào)。
[0008]可選的，所述模擬輸入通道包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
[0009]可選的，所述模擬輸出通道包括數(shù)模轉(zhuǎn)換器、帶通濾波器、輸出接口電路以及參考電容，所述參考電容適于提供所述參考電容值；所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器與所述從控制器連接，適于對(duì)所述第二數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換處理以獲得第一模擬信號(hào)；所述帶通濾波器與所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器連接，適于對(duì)所述第一模擬信號(hào)進(jìn)行帶通濾波處理以獲得第二模擬信號(hào)；所述輸出接口電路與所述帶通濾波器連接，適于對(duì)所述第二模擬信號(hào)進(jìn)行放大以及驅(qū)動(dòng)能力增強(qiáng)處理以獲得第三模擬信號(hào)；所述參考電容的一端適于接收所述第三模擬信號(hào)，所述參考電容的另一端適于輸出所述仿真信號(hào)。
[0010]可選的，所述輸出接口電路包括運(yùn)算放大器、相位補(bǔ)償電容、第一電阻以及第二電阻；所述運(yùn)算放大器的同相輸入端適于接收所述第二模擬信號(hào)，所述運(yùn)算放大器的反相輸入端連接所述相位補(bǔ)償電容的一端和所述第一電阻的一端，所述運(yùn)算放大器的輸出端連接所述相位補(bǔ)償電容的另一端和所述第二電阻的一端，所述第一電阻的另一端連接所述第二電阻的另一端并適于輸出所述第三模擬信號(hào)。通過設(shè)置所述輸出接口電路，可以提高線路的驅(qū)動(dòng)能力，適應(yīng)不同負(fù)載需求。
[0011]可選的，所述參考電容為聚苯乙烯薄膜電容。
[0012]可選的，所述主控制器通過USB接口與上位機(jī)連接。
[0013]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0014]本實(shí)用新型提供的電容傳感器的模擬裝置，使用電子技術(shù)模擬與實(shí)際物理電容等效的變化規(guī)律，可以與自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)融合，提高了線路的驅(qū)動(dòng)能力，測(cè)試信號(hào)不易受到外部信號(hào)干擾，穩(wěn)定性和仿真結(jié)果精度高。使用先進(jìn)的控制技術(shù)，使模擬裝置可以適應(yīng)更高要求的電容傳感器的模擬測(cè)試要求。
【附圖說明】
[0015]圖1是常見的一種電容傳感器的檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖2是電容傳感器的檢測(cè)電路圖；
[0017]圖3是圖2所示檢測(cè)電路的一種等效電路圖；
[0018]圖4是圖2所示檢測(cè)電路的另一種等效電路圖；
[0019]圖5是本實(shí)用新型實(shí)施例的電容傳感器的模擬裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖6是本實(shí)用新型實(shí)施例的模擬輸出通道的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖7是本實(shí)用新型實(shí)施例的輸出接口電路的電路圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]圖2是電容傳感器的檢測(cè)電路圖。激勵(lì)源U20施加在電容傳感器上，提供幅度為Vin的激勵(lì)信號(hào)，由運(yùn)算放大器A20、反饋電容C20以及輸入電阻R20組成的檢測(cè)電路檢測(cè)電容傳感器的電容C21變化，產(chǎn)生幅度為Vout的輸出信號(hào)。輸出信號(hào)的幅度Vout和激勵(lì)信號(hào)的幅度Vin之間的關(guān)系可以表示為:
[0023]Vout=-VinX (C21 + C20)......等式(I)
[0024]由于激勵(lì)信號(hào)的幅度Vin和電容傳感器的電容C21均為變量，二者中任意一個(gè)發(fā)生變化均會(huì)引起輸出信號(hào)的幅度Vout變化。
[0025]將激勵(lì)信號(hào)的幅度Vin看作常量、電容傳感器的電容C21看作變量，圖3是圖2所示檢測(cè)電路的一種等效電路圖，圖中各個(gè)關(guān)系表示為:
[0026]Δ Vout=-Vin X ( Δ Ci + C20 )......等式(2 )
[0027]其中，AVout為輸出信號(hào)的幅度變化量，ACi為電容變化量。將激勵(lì)信號(hào)的幅度Vin看作變量、電容傳感器的電容C21看作常量，圖4是圖2所示檢測(cè)電路的另一種等效電路圖，圖中各個(gè)關(guān)系表示為:
[0028]Δ Vout=- AViX (Cin +C20)......等式(3)
[0029]其中，AVi為激勵(lì)信號(hào)的幅度變化量，Cin為固定電容。
[0030]由以上對(duì)圖3和圖4的分析可以得出:要使圖4可以替代圖3的功能，也就是等式
(2)和等式(3)中的AVout相等，符合以下等式即可:
[0031]VinX ACi=AViXCin......等式(4)
[0032]則在圖4中電容模擬器的輸出可以模擬電容傳感器的電容的變化對(duì)電信號(hào)的影響。由等式(4)推導(dǎo)得到:
[0033]AVi= VinX (ACi + Cin)......等式(5)
[0034]等式(5)反映出了電壓的變化對(duì)應(yīng)電容的變化關(guān)系，即將電容變化量轉(zhuǎn)換成了電壓變化量?；诘仁?5)，本實(shí)用新型實(shí)施例提供一種圖5所示的電容傳感器的模擬裝置，所述電容傳感器的模擬裝置包括主控制器51和至少一個(gè)電容模擬器。在本實(shí)施例中，以包括電容模擬器52和電容模擬器53為例進(jìn)行說明。
[0035]具體地，所述主控制器51適于控制各個(gè)電容模擬器與上位機(jī)50進(jìn)行通信，將用戶通過所述上位機(jī)50設(shè)置的仿真電容值轉(zhuǎn)發(fā)至各個(gè)電容模擬器。進(jìn)一步，所述主控制器51通過USB接口與所述上位機(jī)50連接，所述上位機(jī)50為計(jì)算機(jī)，用戶可以通過鍵盤或者觸摸屏輸入仿真電容值。所述主控制器51可以為單片機(jī)或者FPGA，用于直