监测电容式传感器电容变化的方法技术

本发明专利技术所述监测电容式传感器电容变化的方法，使用的监测电路主要由带有AD/IO多功能口的单片机和容量已知的标准电容Cs组成，容量已知的标准电容Cs的一端与所述单片机的一个AD/IO口连接，容量已知的标准电容Cs的另一端与所述单片机的一个IO口或另一个AD/IO口连接。在监测电容式传感器的电容变化时，电容式传感器与所述监测电路的连接有三种方式，监测电容式传感器电容变化的操作步骤根据电容式传感器与所述监测电路的连接连接方式确定。本发明专利技术所述方法在确保对电容变化的监测精度的前提下大大简化了电路结构、降低了成本，提高了稳定性。

Method of Monitoring Capacitance Change of Capacitive Sensor

【技术实现步骤摘要】
监测电容式传感器电容变化的方法
本专利技术属于电容式传感器领域，特别涉及监测电容式传感器电容变化的方法。
技术介绍
电容式传感器是将被测物理量转换成为电容量变化的一种转换装置，由于具有结构简单、耐高温、耐辐射、分辨率高、动态响应特性好等优点，因而广泛用于液位、厚度、压力、位移、加速度、振动等测量中。电容式传感器的使用，离不开监测其电容变化的电路及方法。现有技术中，已有监测(或检测)电容式传感器电容变化的专用芯片，如：PCAP01、AD7745、AD7746、FDC1004等。但由此类专用芯片构成监测电容式传感器电容变化的器件或装置的制作成本或购置成本很高，例如，应用广泛的电容式接近开关就是一种基于电容式传感器原理来监测运动物体位置变化的器件，由于成本问题，目前的电容式接近开关一般采用分离元件构成的振荡电路来监测传感器的电容变化，基于这种电路的电容式接近开关的售价比一个专用电容检测芯片还要低，但这类电容式接近开关的灵敏度与被监测对象的材质相关，因此给其应用带来不便。CN201720584516.4公开了监测电导率不为零的液体液位高度的电容式液位检测电路，该电路包括单片机、运算放大器、第一模拟开关、第二模拟开关和容量已知的标准电容。该电路与电容式液位传感器配合使用，虽然有效消除了被监测液位高度的电导率不为零的液体的等效阻抗不确定性对液位高度监测结果造成的不良影响，大幅度提高了液位高度的监测精度，在智米加湿器的水位监测中成功获得了应用，且成本与专用芯片相比降低，但其电路结构中的器件仍较多，对运放和模拟开关的性能要求较高，这些不仅影响制作成本，而且影响了监测精度的一致性及稳定性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供电路结构更为简化的监测电容式传感器电容变化的方法，以进一步提高性能、降低成本，拓展应用范围。本专利技术所述监测电容式传感器电容变化的方法，使用的监测电路主要由带有AD/IO多功能口的单片机和容量已知的标准电容Cs组成，容量已知的标准电容Cs的一端与所述单片机的一个AD/IO口连接，容量已知的标准电容Cs的另一端与所述单片机的一个IO口或另一个AD/IO口连接。本专利技术所述监测电容式传感器电容变化的方法，原理如下：首先利用监测电路中单片机与标准电容Cs和电容式传感器中的被监测电容Cx连接的端口状态的变化对所述被监测电容Cx充电，并设充电完成后被监测电容Cx两端的电压Vcx＝Vcc，然后再通过监测电路中单片机与标准电容Cs和电容式传感器中的被监测电容Cx连接的端口状态的变化使Cx中通过充电而获取的电荷Q＝VCC×Cx向所述标准电容Cs转移，经过时间ΔT后两个电容上的电压相等(即达到平衡状态)，将达到平衡状态后的Cs或Cx两端的电压记为Vcs，则Vcs与所述电荷Q之间的关系为：Vcs＝Q/(Cs+Cx)＝VCC×Cx/(Cs+Cx)由上式可得：本专利技术所述监测电容式传感器电容变化的方法适用于各类电容式传感器，下面以图5所示的本专利技术使用的监测电路与监测电导率不为零的液体的液位高度的电容式液位传感器的等效电路进行说明。实际上，电容式液位传感器中的电容是由两个导电极板及夹在两个导电极板之间的介质构成的，等效电路中的被监测电容Cx是随液位高度变化的电容。在用于检测液位高度变化的电容式液位传感器的内部，第一电极4-1与被监测电容Cx的一个金属极板连接，构成被监测电容Cx的介质包裹在这个金属极板上，第二电极4-2与一个金属导体连接，当电容式液位传感器插入被监测的液体后，作为被监测电容Cx的介质的外表面被电导率不为零的液体包围，包围在被监测电容Cx介质外表面的液体构成被监测电容Cx的另一个极板，浸没在液体中的与第二电极4-2连接的金属导体与被监测的液体(即Cx的另一个极板)连接，Rx是包围在被监测电容Cx介质外表面的液体到与第二电极4-2连接的金属导体之间的等效电阻。Rx的值与液体介质的成分、温度等参数相关，具有不确定性，它影响监测过程中对被监测电容Cx的充放电及电荷转移达到平衡状态所需的时间ΔT，但它不影响本专利技术所述方法的监测精度，当Rx＝0时，图5中的传感器就成了广义的电容式传感器，所以，本专利技术所述监测电容式传感器电容变化的方法适用于各类电容式传感器。本专利技术所述监测电容式传感器电容变化的方法，在监测电容式传感器的电容变化时，电容式传感器与所述监测电路的连接有以下三种方式：第一种方式，将电容式传感器的第一电极与所述监测电路中标准电容Cs与单片机的AD/IO口连接的接点连接，将电容式传感器的第二电极与所述监测电路中单片机的接地的接点连接。第二种方式，将电容式传感器的第一电极与所述监测电路中标准电容Cs与单片机的AD/IO口连接的接点连接，将电容式传感器的第二电极与所述监测电路中单片机的接电源的接点连接。第三种方式，将电容式传感器的第一电极与所述监测电路中标准电容Cs与单片机的AD/IO口连接的接点连接，将电容式传感器的第二电极与所述监测电路中单片机未被使用的IO口或AD/IO口连接。基于不同的连接方式，监测电容式传感器电容变化的操作步骤不同。1、当电容式传感器与所述监测电路的连接为第一种方式时，监测电容式传感器电容变化的操作步骤为：①将监测电路中的单片机与标准电容Cs两端相连的两个端口设置为输出口，并将它们同时置为高电平Vcc，该操作强制标准电容Cs两端等电位使标准电容Cs中的电荷为零同时使与单片机的AD/IO口连接的电容式传感器的第一电极为高电平Vcc，进而通过第一电极向电容式传感器中的被监测电容Cx充电，当被监测电容Cx两端的电压VCX被充电到VCX＝VCC后，被监测电容Cx被注入的电荷量为Q＝VCC×Cx；②将监测电路中的单片机与标准电容Cs和电容式传感器的第一电极连接的AD/IO口设置成AD口，同时将单片机与标准电容Cs另一端连接的呈输出状态的IO口或AD/IO口置为低电平0，该操作使监测电路中的标准电容Cs与电容式传感器的第一电极、第二电极呈并联状态且使标准电容Cs跨接到单片机的AD口与地之间，使被监测电容Cx在上一操作步骤中获取的电荷Q向监测电路中的标准电容Cs转移；③电容式传感器中的被监测电容Cx向监测电路中的标准电容Cs转移的电荷达到平衡状态后，启动监测电路中单片机的AD转换功能，测得所述AD口的电压VAD，由于步骤②的操作使标准电容Cs跨接在单片机的AD口和地之间，则标准电容Cs两端的电压Vcs＝VAD，将Vcs代入下式即可得到被监测电容Cx的值。2、当电容式传感器与所述监测电路的连接为第二种方式时，监测电容式传感器电容变化的操作步骤为：①将监测电路中的单片机与标准电容Cs两端相连的两个端口设置为输出口，并将它们同时置为低电平0，该操作强制标准电容Cs两端等电位使标准电容Cs中的电荷为零同时使与单片机的AD/IO口连接的电容式传感器的第一电极为低电平0，进而通过与单片机的接电源的接点连接的电容式传感器的第二电极向电容式传感器中的被监测电容Cx充电，当被监测电容Cx两端的电压VCX被充电到VCX＝VCC后，被监测电容Cx被注入的电荷量为Q＝Vcc×Cx；②将监测电路中的单片机与标准电容Cs和电容式传感器的第一电极相连的AD/IO口设置成AD口，同时将监测电路中单片机与标准电容Cs另一端本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种监测电容式传感器电容变化的方法，其特征在于使用的监测电路主要由带有AD/IO多功能口的单片机(1)和容量已知的标准电容Cs组成，容量已知的标准电容Cs的一端与所述单片机(1)的一个AD/IO口连接，容量已知的标准电容Cs的另一端与所述单片机(1)的一个IO口或另一个AD/IO口连接；监测电容式传感器的电容变化时，将电容式传感器(4)的第一电极(4‑1)与所述监测电路中标准电容Cs与单片机(1)的AD/IO口连接的接点连接，将电容式传感器(4)的第二电极(4‑2)与所述监测电路中单片机(1)的接地的接点连接；监测电容式传感器电容变化的操作步骤为：①将监测电路中的单片机(1)与标准电容Cs两端相连的两个端口设置为输出口，并将它们同时置为高电平Vcc，该操作使标准电容Cs中的电荷为零，并使电容式传感器中被监测电容Cx被注入的电荷量为Q＝VCC×Cx；②将监测电路中的单片机(1)与标准电容Cs和电容式传感器(4)的第一电极(4‑1)连接的AD/IO口设置成AD口，同时将单片机(1)与标准电容Cs另一端连接的呈输出状态的IO口或AD/IO口置为低电平0，该操作使被监测电容Cx在上一操作步骤中获取的电荷Q向监测电路中的标准电容Cs转移；③电容式传感器中的被监测电容Cx向监测电路中的标准电容Cs转移的电荷达到平衡状态后，启动监测电路中单片机(1)的AD转换功能，测得所述AD口的电压VAD，而标准电容Cs两端的电压Vcs＝VAD，将Vcs代入下式...

【技术特征摘要】
1.一种监测电容式传感器电容变化的方法，其特征在于使用的监测电路主要由带有AD/IO多功能口的单片机(1)和容量已知的标准电容Cs组成，容量已知的标准电容Cs的一端与所述单片机(1)的一个AD/IO口连接，容量已知的标准电容Cs的另一端与所述单片机(1)的一个IO口或另一个AD/IO口连接；监测电容式传感器的电容变化时，将电容式传感器(4)的第一电极(4-1)与所述监测电路中标准电容Cs与单片机(1)的AD/IO口连接的接点连接，将电容式传感器(4)的第二电极(4-2)与所述监测电路中单片机(1)的接地的接点连接；监测电容式传感器电容变化的操作步骤为：①将监测电路中的单片机(1)与标准电容Cs两端相连的两个端口设置为输出口，并将它们同时置为高电平Vcc，该操作使标准电容Cs中的电荷为零，并使电容式传感器中被监测电容Cx被注入的电荷量为Q＝VCC×Cx；②将监测电路中的单片机(1)与标准电容Cs和电容式传感器(4)的第一电极(4-1)连接的AD/IO口设置成AD口，同时将单片机(1)与标准电容Cs另一端连接的呈输出状态的IO口或AD/IO口置为低电平0，该操作使被监测电容Cx在上一操作步骤中获取的电荷Q向监测电路中的标准电容Cs转移；③电容式传感器中的被监测电容Cx向监测电路中的标准电容Cs转移的电荷达到平衡状态后，启动监测电路中单片机(1)的AD转换功能，测得所述AD口的电压VAD，而标准电容Cs两端的电压Vcs＝VAD，将Vcs代入下式即可得到被监测电容Cx的值。2.一种监测电容式传感器电容变化的方法，其特征在于使用的监测电路主要由带有AD/IO多功能口的单片机(1)和容量已知的标准电容Cs组成，容量已知的标准电容Cs的一端与所述单片机(1)的一个AD/IO口连接，容量已知的标准电容Cs的另一端与所述单片机(1)的一个IO口或另一个AD/IO口连接；监测电容式传感器的电容变化时，将电容式传感器(4)的第一电极(4-1)与所述监测电路中标准电容Cs与单片机(1)的AD/IO口连接的接点连接，将电容式传感器(4)的第二电极(4-2)与所述监测电路中单片机(1)的接电源的接点连接；监测电容式传感器电容变化的操作步骤为：①将监测电路中的单片机(1)与标准电容Cs两端相连的两个端口设置为输出口，并将它们同时置为低电平0，该操作使标准电容Cs中的电荷为零，并使电容式传感器中被监测电容Cx被注入的电荷量为Q＝Vcc×Cx；②将监测电路中的单片机(1)与标准电容Cs和电容式传感器(4)的第一电极(4-1)相连的AD/IO口设置成AD口，同时将监测电路中单片机(1)与标准电容Cs另一端连接的呈输出状态的IO口或AD/IO口置为高电平Vcc，该操作使被监测电容Cx在上一操作步骤中获取的电荷Q向监测电路中的标准电容Cs转移；③当电容式传感器中的被监测电容Cx向监测电路中的标准电容Cs转移的电荷达到平衡状态后，启动监测电路中单片机(1)的AD转换功能，测得AD端口的电压VAD，而标准电容Cs两端的电压Vcs＝Vcc-VAD，将Vcs代入下式即可得到被监测电容Cx的值。3.一种监测电容式传感器电容变化的方法，其特征在于使用的监测电路主要由带有AD/IO多功能口的单片机(1)和容量已知的标准电容Cs组成，容量已知的标准电容Cs的一端与所述单片机(1)的一个AD/IO口连接，容量已知的标准电容Cs的另一端与所述单片机(1)的一个IO口或另一个AD/IO口连接；监测电容式传感器的电容变化时，将电...

【专利技术属性】
技术研发人员：王富元，田济民，熊进中，廖芹，
申请(专利权)人：成都祥民科技发展有限责任公司，田济民，王富元，皮体斌，熊进中，廖芹，
类型：发明
国别省市：四川,51