本发明专利技术公开了一种基于二极管开关的充放电式电容传感器，包括：双极性方波发生器、开关电路、跨阻放大器和差分‑单端转换电路；双极性方波发生器用于产生双极性方波，开关电路为二极管开关电路，双极性方波在所述开关电路的控制下对差分变化的待测电容对进行充放电控制；跨阻放大器用于将充放电电流转换为一对等大反向的电压；差分‑单端转换电路用于将跨阻放大器输出的一对等大反向的电压转换为单端电压并输出；在所述开关电路、跨阻放大器和差分‑单端转换电路的相互配合下，将待测电容对的相对电容转换成易测的电压值；提高了电容差检测的精度。本发明专利技术可以获得高灵敏度、高分辨率性能，同时具有电路结构相对简单、功耗较低等优点。
A charge discharge capacitance sensor based on diode switch
【技术实现步骤摘要】
一种基于二极管开关的充放电式电容传感器
本专利技术属于高精度电容检测领域，更具体地，涉及一种基于二极管开关的充放电式电容传感器。
技术介绍
高精度电容式位移传感器作为一种传统非接触式传感器，具有灵敏度与分辨率高、线性度好、抗干扰能力强等优点，广泛应用于惯性测量器件中，如加速度计、陀螺仪、地震仪、重力仪、重力梯度仪等精密测量器件中，这类仪器在空间科学、地球科学等领域具有广泛的用途和重要的地位。目前应用较多的是基于变压器的桥式电容位移传感器，该传感器的分辨率极高，但是电路结构相对复杂，后期处理电路相对繁琐，不利于实现低功耗的设计要求。基于电容充放电原理的电容传感器通常采用模拟开关器件控制充放电过程(如中国专利技术专利CN105652099B、CN103888128B)，需要外部控制信号，结构较为复杂，且其动态性能易受到模拟开关器件的动态响应时间、导通电阻等因素的限制。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种可以实现高精度电容差检测、同时结构相对简单的充放电式电容传感器。本专利技术提供了一种基于二极管开关的充放电式电容传感器，包括：双极性方波发生器、开关电路、跨阻放大器和差分-单端转换电路；双极性方波发生器用于产生双极性方波，开关电路为二极管开关电路，双极性方波在所述开关电路的控制下对差分变化的待测电容对进行充放电控制；跨阻放大器用于将充放电电流转换为一对等大反向的电压；差分-单端转换电路用于将跨阻放大器输出的一对等大反向的电压转换为单端电压并输出；在所述开关电路、跨阻放大器和差分-单端转换电路的相互配合下，将待测电容对的相对电容转换成易测的电压值；提高了电容差检测的精度。更进一步地，双极性方波发生器包括：晶振、计数器、电压参考源模块和模拟开关；晶振产生的频率经过所述计数器进行分频后，在所述模拟开关的作用下，与电压参考源模块组合而成一个频率、幅值在一定范围内可调的双极性方波，其频率由晶振和计数器确定，双极性电压幅值由基准电压源确定。其中，电压参考源模块可以由多个电压参考源并联，以具有噪声抑制的效果。更进一步地，可以选取二极管作为开关控制器件，与双极性方波配合使用，可以自动的对待测电容对进行充放电，不需要外部开关控制信号。具体地，开关电路包括：二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4。二极管D1的阳极与二极管D2的阴极连接待测电容对中的Ca的非公共端，二极管D1的阴极与二极管D3的阳极连接跨阻放大器的第1路输入端；二极管D4的阳极与二极管D3的阴极连接待测电容对中的Cb的非公共端，二极管D4的阴极与二极管D2的阳极连接跨阻放大器的第2路输入端。其中，二极管D1、D2、D3和D4采用开关二极管型号。优选地，为提高导通电压等性能参数的一致性，二极管选用双路或四路集成式高速开关二极管。其中，使用双极性方波作为调制载波信号，用于对待测电容进行周期性充放电。优选地，方波发生器应采用幅值、频率可调，且稳定性较好的方案。其中，使用跨阻放大器将充放电电流转换为一对等大反向的电压，优选地，跨阻放大器采用具有低输入噪声电流的运算放大器。其中，所用跨阻放大器优选等效输入电流噪声谱密度在10Hz附近且不超过20fA/Hz1/2、等效输入电压噪声谱密度在10Hz附近且不超过20nV/Hz1/2的运算放大器。其中，可以选用差分到单端转换电路，将跨阻放大器输出的一对等大反向的电压转换为单端电压输出，增大该单端电压信号的信噪比，提高传感电路的分辨率水平。本专利技术实现了将差分待测电容对的相对电容转换成了易测的电压值，同时在没有外界时序控制电路的作用下，利用二极管开关电路对待测电容进行充放电控制。本专利技术的灵敏度仅取决于反馈电阻Rf、方波周期f、方波的幅值Vp与Vn以及二极管的导通电压Vd。本专利技术利用一种采用并联基准电压源的开关式方波发生器产生的幅值稳定性较高的双极性方波，采用双路或四路集成式高速开关二极管抑制其导通电压差异的影响，以获得高灵敏度、高分辨率性能，同时本专利技术还具有电路结构相对简单、功耗较低等优点。附图说明图1为本专利技术提供的基于二极管开关的充放电式电容传感器的原理示意图。图2为本专利技术提供的基于二极管开关的充放电式电容传感器的具体实施示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术具体涉及一种基于充放电原理并使用二极管作为开关控制器件的结构简单的差分电容传感器，适用于需求高精度、低功耗、高可靠性电容传感器的领域，如空间惯性传感器等惯性仪表或地球物理测量仪器中。本专利技术提供的基于二极管开关的充放电式电容传感器，不仅可以实现高精度位移的检测，也保证了电路具有结构简单、功耗较低的特性。本专利技术提供的一种基于二极管开关的充放电式电容位移传感电路的原理图如图1所示，该电路的功能单元说明如下：1是双极性方波发生器，输出方波的高低电平幅值等大反向，分别为+Vp、-Vn；2是差分变化的待测电容对；3是二极管开关电路；4是跨阻放大器；5是差分到单端转换电路。该传感电路的原理概述如下：待测电容Ca和电容Cb是对某个物理量(如加速度)敏感、随之产生差分变化的一对电容，在外界输入物理量为零时Ca和Cb大小相等，当输入物理量不为零时，电容Ca和Cb大小发生差分变化(一个增大，另一个减小，变化量相等)。利用双极性方波发生器1产生的双极性方波，在二极管开关电路3的控制下对电容Ca和Cb进行充、放电。当方波电压由负变正时，该方波对电容Ca和Cb充电，同时二极管D1与D4导通；当方波电压由正变负时，电容Ca和Cb放电之后反向充电，同时二极管D2与D3导通。通过以下公式计算一个方波周期内电容器Ca和Cb电荷量的改变：Qa＝(Vp+Vn-2Vd)×Ca，Qb＝(Vp+Vn-2Vd)×Cb。在一个方波周期内进入两个跨阻放大器的电量分别为：Qa0＝(Vp+Vn-2Vd)×(Ca-Cb)，Qb0＝-(Vp+Vn-2Vd)×(Ca-Cb)。由于方波频率为f，则进入两个跨阻放大器的电流分别为：Ia＝Qa0×f，Ib＝Qb0×f。跨阻放大器的增益取决于反馈电阻Rf的值，并且经过差分电路的作用，最终的输出电压为：Vout＝2Rf×(Vp+Vn-2Vd)×(Ca-Cb)。令ΔC＝Ca-Cb，则该电路的灵敏度系数为：K＝Vout/ΔC＝2Rf×f×(Vp+Vn-2Vd)。通过测量电路的最终电压值即可得出该电容对的相对变化，且该电路的灵敏度取决于反馈电阻Rf、方波周期f、方波的幅值Vp与Vn以及二极管的导通电压Vd。为抑制二极管导通电压Vd对灵敏度的影响，优选地，方波选取幅值Vp与Vn较大的双极性方波。为抑制跨阻放大器噪声的影响，优选地，采用频率较高方波，以提高传感电路灵敏度。为抑制二极管导通电压及不同二极管的差异对本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于二极管开关的充放电式电容传感器，其特征在于，包括：双极性方波发生器(1)、开关电路(3)、跨阻放大器(4)和差分-单端转换电路(5)；/n所述双极性方波发生器(1)用于产生双极性方波，加载于待测电容对(2)的公共端；/n所述开关电路(3)为二极管开关电路，所述双极性方波在所述开关电路(3)的控制下对差分变化的待测电容对(2)进行充放电控制；/n所述跨阻放大器(4)用于将充放电电流转换为一对等大反向的电压；/n所述差分-单端转换电路(5)用于将跨阻放大器输出的一对等大反向的电压转换为单端电压并输出；/n在所述开关电路(3)、跨阻放大器(4)和差分-单端转换电路(5)的相互配合下，将待测电容对(2)的相对电容转换成易测的电压值；提高了电容差检测的精度。/n
【技术特征摘要】
1.一种基于二极管开关的充放电式电容传感器，其特征在于，包括：双极性方波发生器(1)、开关电路(3)、跨阻放大器(4)和差分-单端转换电路(5)；
所述双极性方波发生器(1)用于产生双极性方波，加载于待测电容对(2)的公共端；
所述开关电路(3)为二极管开关电路，所述双极性方波在所述开关电路(3)的控制下对差分变化的待测电容对(2)进行充放电控制；
所述跨阻放大器(4)用于将充放电电流转换为一对等大反向的电压；
所述差分-单端转换电路(5)用于将跨阻放大器输出的一对等大反向的电压转换为单端电压并输出；
在所述开关电路(3)、跨阻放大器(4)和差分-单端转换电路(5)的相互配合下，将待测电容对(2)的相对电容转换成易测的电压值；提高了电容差检测的精度。
2.如权利要求1所述的充放电式电容传感器，其特征在于，所述双极性方波发生器(1)包括：晶振(11)、计数器(12)、电压参考源模块(13)和模拟开关(14)；
所述晶振(11)产生的频率经过所述计数器(12)进行分频后，在所述模拟开关(14)的作用下，与所述电压参考源模块(13)组合而成一个频率、幅值在一定范围内可调的双极性方波，其频率由晶振(11)和计数器(12)确定，双极性电压幅值由基准电压源(13)确定。
3.如权利要求2所述的充放电式电容传感器，...
【专利技术属性】
技术研发人员：屈少波，王磊，白彦峥，周泽兵，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。