本发明涉及传感器测量领域，特别涉及电容传感器的微弱电容变化测量电路。
背景技术：
电容式传感器基本原理是把某种物理量，例如位移、面积、电介质等转化为电容，然后通过测量电容来间接测量所求物理量。电容传感器具有十分广泛的用途。尤其是在高精度检测领域，电容传感器具有无可替代的地位。电容传感器具有灵敏度高、响应快的优点，但是测量电路较为复杂。大部分情况下，电容传感器的电容变化量比较微弱，电路容易受到自身寄生参数、环境变化的影响，这使得问题变得更加复杂。
常见的微弱电容测量技术有直流充放电法、交流电桥法、v/t转换法和基于运算放大器的负反馈交流激励法。直流充放电法采用直流激励，测量精度容易受到放大器失调电压漂移的影响。另外，该方法要对电容进行快速充放电，需要用到电子开关，电路精度容易受电子开关电荷注入效应的影响。交流电桥法调零比较繁琐，而且容易受到电路寄生电容的影响，实际实施过程中需要复杂的屏蔽措施。该法对小电容的微弱变化测量较为困难。v/t转换法是利用测量电容充放电时间来测量电容值，同直流充放电法一样，测量精度容易受电路直流电压漂移和电子开关注入电荷的影响；从部分公开文献来看，目前微弱电容检测实际应用中测量精度最高的电路是基于运算放大器的负反馈交流激励法。该方法具有很高的分辨率，而且抗寄生电容能力强。另外还有一种高压双边激励检测方法，需要用到高频高压激励信号，仅使用于特定对象和场合，限制条件较多。
在上述电容检测方法中多用于电容的静态测量，然而在许多应用中需要测量电容相对变化量随时间的变化。
在某些实际应用中，因为机构、材料等方面的原因，传感器基础电容量比较小，大约在pf的数量级，这个电容值远小于线缆的寄生电容。而电容变化量则更小，大约在ff以下量级。如何准确、动态地测量出微弱的电容变化量，是一个非常棘手的技术问题。
技术实现要素：
为了解决上述技术问题，本发明的目的是公开一种电容传感器的微弱电容变化测量电路，用于精确地检测电容传感器的微弱电容变化量。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
电容传感器的微弱电容变化测量电路，包括单片机、正弦波信号发生器、ca转换电路、平衡电路、幅度解调电路、电平偏移电路和采样反馈电路；单片机输出方波信号到正弦波信号发生器的输入端，正弦波信号发生器的输出端分别连接平衡电路的输入端、ca转换电路的第一输入端、幅度解调电路的第一输入端；平衡电路的输出端连接ca转换电路的第二输入端；ca转换电路的输出端连接幅度解调电路的第二输入端，幅度解调电路的输出端连接电平偏移电路的第一输入端；单片机输出偏移量到电平偏移电路的第二输入端，电平偏移电路的输出端连接单片机的第一片内模数转换器；采样反馈电路分别采样ca转换电路、平衡电路和幅度解调电路输出的正弦波信号，经均方根电路取得信号幅值后输入到单片机第二片内模数转换器。
进一步地，所述的正弦波信号发生器将来自单片机的方波信号转换为正弦激励信号后输出。
进一步地，所述的幅度解调电路包括移相电路、第一固定增益器(k1)、第二固定增益器(k2)、模拟乘法器、第一低通滤波电路和第二低通滤波电路；移相电路的输入端作为幅度解调电路的第二输入端，移相电路的输出端经第二固定增益器(k2)后连接到模拟乘法器的第二输入端，ca转换电路输出的正弦波信号依次经第一固定增益器(k1)、第一低通滤波电路后输入到模拟乘法器的第一输入端,模拟乘法器的输出端经第二低通滤波电路后连接到电平偏移电路。
进一步地，所述的ca转换电路包括第一电容(cz)、第二电容(cr)、第一电阻(r0)和第一运算放大器(u1-b)；第一运算放大器(u1-b)的反相输入端作为ca转换电路的第一输入端，第一电容(cz)的一端作为ca转换电路的第二输入端，第一电容(cz)的另一端连接第一运算放大器(u1-b)的反相输入端；第一运算放大器(u1-b)的同相输入端接地，第一运算放大器(u1-b)的输出端作为ca转换电路的输出端；第一电阻(r0)和第二电容(cr)分别连接在第一运算放大器(u1-b)的反相输入端的输出端之间。
进一步地，所述的移相电路包括第二电阻(r1)、第三电阻(r2)、第二运算放大器(u1-a)、第一数字电位器(u3)和第三电容(c1)，第三电阻(r2)的一端和第一数字电位器(u3)的一端连接，并作为移相电路的输入端，第三电阻(r2)的另一端连接第二电阻(r1)的一端和第二运算放大器(u1-a)的反相输入端；第一数字电位器(u3)的另一端连接第三电容(c1)的一端和第二运算放大器(u1-a)的同相输入端，第三电容(c1)的另一端接地；第二电阻(r1)的另一端连接第二运算放大器(u1-a)的输出端并作为移相电路的输出端。
进一步地，所述的平衡电路包括第四电阻(r3)、第二数字电位器(u4)、第三运算放大器(u7-b)；第四电阻(r3)的一端作为平衡电路的输入端，第四电阻(r3)的另一端连接第三运算放大器(u7-b)的反相输入端；第三运算放大器(u7-b)的正相输入端接地，第三运算放大器(u7-b)的输出端作为平衡电路的输出端；第二数字电位器(u4)连接在第三运算放大器(u7-b)的反相输入端和输出端之间。
进一步地，所述的采样反馈电路包括一个多路选择开关和均方根电路，多路选择开关的一端分别连接ca转换电路的输出端、平衡电路的输出端、第一低通滤波电路的输出端和第二固定增益器(k2)的输出端，多路选择开关的另一端连接均方根电路的输入端，均方根电路的输出端连接到单片机的第二片内模数转换器。
进一步地，所述的电平偏移电路是加法电路。
本发明不同于大多数电容传感器的检测方案，仅能检测静态电容值。本发明的测量电路对电容传感器具有极强的适应性，对于初始电容值(也称静态电容值)在一定范围内的电容传感器，本发明的测量电路可在单片机控制下自动调零，无须人工调试，测量精度高、速度快。特别适用于电容量变化特别微弱的电容传感器，例如电容式精密位移传感器、压力传感器等。
附图说明
图1为本发明的电容传感器的微弱电容变化测量电路的电路框图；
图2为本发明的ca转换电路的电路原理图；
图3为本发明的移相电路的电路原理图；
图4为本发明的平衡电路的电路原理图。
具体实施例
下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。
以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
实施例一
本发明所用的电容-电压转换方法基于电容测量的交流负反馈法，并在此基础上进行大量地改进，使得电路直接输出正比于电容相对变化率的直流电压信号。先将电容传感器的电容变化量(相对于初始电容值的变化量)变换为一个正弦波(激励信号)的幅值，该幅值正比于电容传感器的电容相对变化率。把电容传感器的静态电容的作用抵消后，ca转换电路输出仅包含电容传感器的电容变化量。该电容变化量被模拟乘法器检出，最后通过一个低通滤波器后，输出正比于传感器的电容相对变化率的直流信号。该电路也可以间接测量出传感器的绝对电容量。
图1为本发明的电容传感器的微弱电容变化测量电路的电路框图，包括单片机mcu、正弦波信号发生器、ca转换电路、平衡电路、幅度解调电路、电平偏移电路和采样反馈电路。mcu具有io端口，通过io端口输出方波信号ds0。mcu具有控制总线接口bus0、bus1、bus2，通过控制总线接口bus0输出控制信号ds1，通过控制总线接口bus1输出控制信号ds2，通过控制总线接口bus2输出控制信号ds3。mcu还具有片内模数转换器adc0/adc1、片内数模转换器dac0。mcu也可以采用具有相同功能的其他控制电路来实现。正弦波信号发生器具有输入端和输出端。ca转换电路具有第一输入端、第二输入端和输出端。平衡电路具有输入端和输出端。幅度解调电路具有第一输入端、第二输入端和输出端。电平偏移电路具有第一输入端、第二输入端和输出端。采样反馈电路具有输入端和输出端。
mcu通过io端口输出方波信号ds0到正弦波信号发生器的输入端，正弦波信号发生器的输出端分别连接平衡电路的输入端、ca转换电路的第一输入端、幅度解调电路的第一输入端，待测的电容传感器接入正弦波信号发生器的输出端和ca转换电路的第一输入端之间。平衡电路的输出端连接ca转换电路的第二输入端。ca转换电路的输出端连接幅度解调电路的第二输入端，幅度解调电路的输出端连接电平偏移电路的第一输入端。mcu通过片内数模转换器dac0输出偏移量到电平偏移电路的第二输入端，电平偏移电路的输出端最终输出有用的直流信号到mcu的片内模数转换器adc0中。采样反馈电路分别采样ca转换电路、平衡电路和幅度解调电路输出的正弦波信号，经均方根电路取得信号幅值后输出到mcu的第二片内模数转换器adc1中。
正弦波信号发生器输出幅值和频率稳定的正弦波信号，为整个测量电路提供初始信号源。正弦波信号发生器将来自mcu的方波信号ds0转变为正弦波信号as0后，该正弦波信号as0作为正弦激励信号输入到平衡电路的输入端和幅度解调电路的第一输入端，并使该正弦激励信号经电容传感器的等效电容后输入到ca转换电路的第一输入端。
ca转换电路的作用是把电容传感器的电容量(c)转换为电压量(信号幅值a)，是本发明的核心电路。ca转换电路基于微弱电容检测的基本方法之一的交流负反馈法，但不同之处在于把基本电路配置成了一个加法电路，通过加法电路可以把电容传感器的静态电容抵消，从而只输出与微弱电容变化量有关的正弦波信号as2。ca转换电路的电路原理图如图2所示，包括电容cz、电容cr、电阻r0和运算放大器u1-b。图中cx为电容传感器的等效电容；运算放大器u1-b的反相输入端作为ca转换电路的第一输入端，电容cz的一端作为ca转换电路的第二输入端，电容cz的另一端连接运算放大器u1-b的反相输入端；运算放大器u1-b的同相输入端接地，运算放大器u1-b的输出端作为ca转换电路的输出端；电阻r0和电容cr分别连接在运算放大器u1-b的反相输入端的输出端之间。
平衡电路的作用是产生一个幅度受mcu控制的与输入信号反相的平衡信号(即正弦波信号as1)，调节该信号的幅值，使之与as0幅值成某种比例关系，从而抵消电容传感器的静态电容的作用。平衡电路包括反相器和增益控制电路，平衡电路中的反相器的作用是使输入的正弦波信号相位颠倒180°。具体的电路原理图如图4所示，包括电阻r3、数字电位器u4、运算放大器u7-b；电阻r3的一端作为平衡电路的输入端输入正弦波信号as0，电阻r3的另一端连接运算放大器u7-b的反相输入端；运算放大器u7-b的正相输入端接地，运算放大器u7-b的输出端作为平衡电路的输出端；数字电位器u4连接在运算放大器u7-b的反相输入端和输出端之间。通过控制数字电位器u4的控制数字电位器u4的阻值从而控制平衡电路输出的正弦波信号的幅值。
幅度解调电路的作用是将ca转换电路输出的与微弱电容变化量有关的正弦波信号as2进行放大且幅度解调后输出给电平偏移电路。幅度解调电路包括移相电路、固定增益器k2、固定增益器k1、模拟乘法器、低通滤波电路1和低通滤波电路2。移相电路的输入端作为幅度解调电路的第二输入端，移相电路的输出端经固定增益k2后连接到模拟乘法器的第二输入端，ca转换电路输出的正弦波信号依次经固定增益k1、低通滤波电路1后输入到模拟乘法器的第一输入端,模拟乘法器的输出端经低通滤波电路2后连接到电平偏移电路。
移相电路的作用是改变正弦波信号as0的相位，输出一个与as0相位相反幅值相等的正弦波信号。其电路原理图如图3所示，包括电阻r1、电阻r2、运算放大器u1-a、数字电位器u3、电容c1。电阻r2的一端和数字电位器u3的一端连接，并作为移相电路的输入端输入正弦波信号as0，电阻r2的另一端连接电组r1的一端和运算放大器u1-a的反相输入端。数字电位器u3的另一端连接电容c1的一端和运算放大器u1-a的同相输入端，电容c1的另一端接地。电阻r1的另一端连接运算放大器u1-a的输出端并作为移相电路的输出端输出移相后的正弦波信号shift1，shift1与as0相位相反。
采样反馈电路包括n:1的多路选择开关和均方根电路，n:1开关分别连接ca转换电路输出的正弦波信号as2、增益控制电路输出的正弦波信号as1、低通滤波电路1输出的正弦波信号as3’、以及移相电路经固定增益k2后输出的正弦波信号as4，n:1开关选通一路后输出给均方根电路，均方根电路的输出端连接到mcu的片内模数转换器adc1。采样反馈电路的作用是分别采集正弦波信号as1、as2、as3’、as4，仅在调零时起作用。
结合图1至图4说明本发明的电路原理：
mcu通过io端口输出一个方波信号ds0给正弦信号发生器，正弦信号发生器接收单片机输出的方波信号ds0，经低通滤波后输出幅值和频率稳定的正弦波信号as0，为整个系统提供初始信号源。本实例中，用使方波信号经过一个低通滤波器滤除谐波保留基频正弦信号的方法实现信号发生器，也可以通过其它方法得到正弦波。正弦波信号as0的幅值表示为：
fas0＝a0·sin(ωt)公式(1)
a0为正弦波信号as0的振幅，ω为角频率，相位定义为0。
平衡电路实际上就相当于一个反相放大电路，正弦波信号as0经电阻r3和运算放大器u7-b后实现反相，再通过调整数字电位器u4的阻值来调整正弦波信号的幅值。最终通过运算放大器u7-b的输出端输出一个平衡信号as1，用于抵消电容传感器的静态电容所产生的正弦波信号。平衡信号as1的相位与初始信号源反相，幅度通过数字电位器来控制。数字电位器的阻值大小由mcu通过数据总线ds2来控制。平衡信号as1的幅值可以表示为：
fas1＝-g·a0·sin(ωt)公式(2)
其中g为增益值，由muc通过数据总线ds2来控制数字电位器的阻值，从而控制g的大小。
ca转换电路把电容传感器的被测电容量(c)转换为电压量(信号幅值a)，是方案的核心电路。ca转换电路基于微弱电容检测的基本方法之一的交流负反馈法，但不同之处在于把基本电路配置成了一个加法电路。通过加法电路可以把电容传感器的静态电容的作用抵消。
图2中电容cz为平衡电容，cx为待测电容传感器的等效电容，cr为参考电容，r0为直流误差负反馈电阻。一定条件下，ca转换电路的输出正弦波信号as2的幅值表示为：
其中cz为平衡电容值，cr为参考电容值，c0为静态电容值，△c为待测电容传感器的等效电容相对于静态电容的电容变化量(即cx-c0)。
上式由两部分组成，第一部分与传感器静态电容、平衡电容、增益值有关，第二部分仅与电容传感器的电容变化量有关。
增益值g可以通过muc控制。当电容传感器的电容变化量为零时，调节g，直到fas2输出为0，即完成自动调零。该过程被称为调零过程，此时有：
c0＝g·cz公式(4)
当c0＝g·cz时，fas2可表示为：
通过采样反馈电路采集调零完成时的平衡信号as1的幅值a1。系统激励信号源as0的幅值为固定值a0(已知量)，则传感器静态电容可以计算得到：
调零完成后，mcu会存储平衡电路的参数。之后每进行一次测量之前都会加载这两个参数，使电路处于调零完成状态。
加载调零参数后，当电容传感器的电容值发生变化时(相对于静态电容值)，输入到ca转换电路的第一输入端的正弦波信号会发生轻微变化，被电容传感器的电容变化量和电容传感器的静态电容量两个作用影响。静态电容量的作用引起的输出被as1信号通过相加的方式抵消(经ca转换电路中的加法电路)。因此，ca转换电路的目的就是去除电容传感器的静态电容值的作用，使得输出的正弦波信号as2中仅包含电容变化量的成分。
正弦波信号as2经过一个固定增益器k1后再经过低通滤波器1，得到正弦波信号as3。低通滤波器1滤除正弦波信号as2信号中携带的部分噪声。经过低通滤波器1后得到了与电容变化量有关的正弦波as3’。
移相电路的输入信号为信号发生器输出的正弦波信号as0。as0信号经过移相电路和固定增益器k2后输出一个相位可调的信号as4。该信号可以被称之为参考信号。通过总线ds3，mcu可以调节参考信号as4的相位。
模拟乘法电路的两个输入端分别输入as3’和as4，输出端输出as3。本实例中，选用单片通用四象限模拟乘法器集成电路来实现。模拟乘法电路的输出信号正比于两个输入信号的乘积。为了消除信号中直流误差的影响，可通过电容耦合输入信号。
模拟乘法电路的目的是测量微弱的正弦波信号as3的幅值fas3，其输出为：
其中k1为固定增益电路k1设置的固定增益值,k2为固定增益电路k2设置的固定增益值。
从公式(7)可以看出，as3由两项组成，第一项为直流项，其值正比于电容传感器的电容变化率。第二项为交流项，频率为激励频率的倍频。as3信号经过后续低通滤波电路2后滤除交流项，得到正比于传感器电容变化率的直流量的正弦波信号as7。用该方法测量微弱正弦波幅度具有非常高的噪声抑制能力，测量精度较高。
正弦波信号as7的表达式为：
为了使测量电路得到最高灵敏度，需要调节移相电路，使得信号as4和as3’的相位差
采样反馈电路用于调零时各路正弦信号的幅值采集。仅在调零时起作用，为了达到较高的测量精度可以允许较长的测量时间。因此对采样反馈电路的响应时间要求不高，可以用通用均方根电路实现。使用n:1的多路选择开关分时复用同一个均方根电路测量多个正弦信号的幅值。在调零过程中，as1、as2、as3’和as4的幅值被均方根电路分时测量，测量结果as6被反馈给mcu的片内模数转换器adc1。mcu在算法的判断下，根据as1、as2、as3’和as4的幅值，判断电路是否实现调零。
幅度解调电路的直流输出信号输入到电平偏移电路，电平偏移电路对输出信号作适当的偏移，以减少实际调零残余误差对adc(模数转换器)输入有用量程的占用。电平偏移电路接收单片机dac(数模转换器)输出的偏移量和幅度解调电路的输出直流信号，最终输出有用直流信号到单片机adc中。
电平偏移电路用一个加法电路实现，其偏移量as8来自单片机的片内dac0输出。因此偏移量可以被单片机调节。正弦波信号as7经过电平偏移电路后，得到最终测量结果as9被单片机adc采集。其输出结果可以表示为：
公式(9)中vref为adc参考电压，vzero为调零误差，vas8为单片机输出的偏移控制电压，其取值范围为0～vref，因此电平偏移电路的偏移量调节范围为
本发明的所述的连接指电连接，可以是直接电连接，也可以是通过某个器件间接电连接。
以上仅为说明本发明的实施方式，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，不经过创造性劳动所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
1.电容传感器的微弱电容变化测量电路，其特征在于，包括单片机、正弦波信号发生器、ca转换电路、平衡电路、幅度解调电路、电平偏移电路和采样反馈电路；单片机输出方波信号到正弦波信号发生器的输入端，正弦波信号发生器的输出端分别连接平衡电路的输入端、ca转换电路的第一输入端、幅度解调电路的第一输入端；平衡电路的输出端连接ca转换电路的第二输入端；ca转换电路的输出端连接幅度解调电路的第二输入端，幅度解调电路的输出端连接电平偏移电路的第一输入端；单片机输出偏移量到电平偏移电路的第二输入端，电平偏移电路的输出端连接单片机的第一片内模数转换器；采样反馈电路分别采样ca转换电路、平衡电路和幅度解调电路输出的正弦波信号，经均方根电路取得信号幅值后输出到单片机的第二片内模数转换器。
2.根据权利要求1所述的电容传感器的微弱电容变化测量电路，其特征在于，所述的正弦波信号发生器将来自单片机的方波信号转换为正弦激励信号后输出。
3.根据权利要求1所述的电容传感器的微弱电容变化测量电路，其特征在于，所述的幅度解调电路包括移相电路、第一固定增益器(k1)、第二固定增益器(k2)、模拟乘法器、第一低通滤波电路和第二低通滤波电路；移相电路的输入端作为幅度解调电路的第二输入端，移相电路的输出端经第二固定增益器(k2)后连接到模拟乘法器的第二输入端，ca转换电路输出的正弦波信号依次经第一固定增益器(k1)、第一低通滤波电路后输入到模拟乘法器的第一输入端,模拟乘法器的输出端经第二低通滤波电路后连接到电平偏移电路。
4.根据权利要求1所述的电容传感器的微弱电容变化测量电路，其特征在于，所述的ca转换电路包括第一电容(cz)、第二电容(cr)、第一电阻(r0)和第一运算放大器(u1-b)；第一运算放大器(u1-b)的反相输入端作为ca转换电路的第一输入端，第一电容(cz)的一端作为ca转换电路的第二输入端，第一电容(cz)的另一端连接第一运算放大器(u1-b)的反相输入端；第一运算放大器(u1-b)的同相输入端接地，第一运算放大器(u1-b)的输出端作为ca转换电路的输出端；第一电阻(r0)和第二电容(cr)分别连接在第一运算放大器(u1-b)的反相输入端的输出端之间。
5.根据权利要求3所述的电容传感器的微弱电容变化测量电路，其特征在于，所述的移相电路包括第二电阻(r1)、第三电阻(r2)、第二运算放大器(u1-a)、第一数字电位器(u3)和第三电容(c1)，第三电阻(r2)的一端和第一数字电位器(u3)的一端连接，并作为移相电路的输入端，第三电阻(r2)的另一端连接第二电阻(r1)的一端和第二运算放大器(u1-a)的反相输入端；第一数字电位器(u3)的另一端连接第三电容(c1)的一端和第二运算放大器(u1-a)的同相输入端，第三电容(c1)的另一端接地；第二电阻(r1)的另一端连接第二运算放大器(u1-a)的输出端并作为移相电路的输出端。
6.根据权利要求1所述的电容传感器的微弱电容变化测量电路，其特征在于，所述的平衡电路包括第四电阻(r3)、第二数字电位器(u4)、第三运算放大器(u7-b)；第四电阻(r3)的一端作为平衡电路的输入端，第四电阻(r3)的另一端连接第三运算放大器(u7-b)的反相输入端；第三运算放大器(u7-b)的正相输入端接地，第三运算放大器(u7-b)的输出端作为平衡电路的输出端；第二数字电位器(u4)连接在第三运算放大器(u7-b)的反相输入端和输出端之间。
7.根据权利要求3所述的电容传感器的微弱电容变化测量电路，其特征在于，所述的采样反馈电路包括一个多路选择开关和均方根电路，多路选择开关的一端分别连接ca转换电路的输出端、平衡电路的输出端、第一低通滤波电路的输出端和第二固定增益器(k2)的输出端，多路选择开关的另一端连接均方根电路的输入端，均方根电路的输出端连接到单片机的第二片内模数转换器。
8.根据权利要求1所述的电容传感器的微弱电容变化测量电路，其特征在于，所述的电平偏移电路是加法电路。
技术总结