發布日期：2022-10-09 點擊率：61
引 言
差動電容式傳感器的靈敏度高、非線性誤差小，同時還能減小靜電引力給測量帶來的影響，并能有效地改善由于溫度等環境影響所造成的誤差，因而在許多測量控制場合中，用到的電容式傳感器大多是差動式電容傳感器。然而，電容式傳感器的電容值十分微小，必須借助信號調理電路，將微小電容的變化轉換成與其成正比的電壓、電流或頻率的變化，這樣才可以顯示、記錄以及傳輸。目前，大多數電容式傳感器信號調理電路使用分立元件或者專門去開發專用集成電路(ASIC)。因為差動電容式傳感器的電容量很小，傳感器的調理電路往往受到寄生電容和環境變化的影響而難以實現高精度測量；而由德國AMG公司開發的CAV424集成電路則能有效地減小這些影響所帶來的誤差，因而具有較大的應用靈活性。
設計中的傾角傳感器是新型變質面積電容式傾角傳感器。該傾角傳感器技術是為數不多的能夠兼有結構簡單、可靠性高、有通用傳感器集成電路等優點的傾角傳感器技術之一。在測量儀器儀表、建筑機械、天線定位、機器人技術、汽車四輪定位等方面有廣泛應用。
1 系統工作原理
系統硬件結構模塊框圖如圖1所示，主要由差動電容、CAV424、運放、單片機和顯示電路等組成。系統由差動電容檢測到傾角傳感器安裝位置的傾斜角度，并把角度變化轉換成電容量變化。此差動電容在一個增大的同時另一個減小，然后把兩個電容的變化值分別送入2片CAV424中，由2片CAV424把電容的變化值轉換成兩個不同的電壓值。這兩路電壓經過差動放大后送入單片機進行處理。最后由顯示電路顯示出被檢測對象的傾斜角度大小。由上述原理可知，被檢測對象的傾斜角度經過了三級差動處理，同時CAV424自帶有溫度傳感器。此傳感器的輸出信號又送入單片機內進行溫度補償處理。因而該系統具有較高的精度和靈敏度。
2 系統各部分電路設計
2.1 差動電容／電壓轉換電路設計
考慮到差動電容的容量很小，傳感器的調理電路往往易受到寄生電容和環境變化的影響，因此采用德國AMG公司開發的CAV424作為差動電容的信號調理電路。又因為單片CAV424只能檢測到1個電容，因而采用2片CAV424來完成差動電容的檢測。
（1）CAV424簡介
CAV424是一個多用途的處理各種電容式傳感器信號的完整的轉換接口集成電路。它同時具有信號采集(相對電容量變化)、處理和差分電壓輸出的功能，能夠測量出一個被測電容和參考電容的差值。在相對于參考電容值(10 pF~1nF)5％～100％的范圍內，可以檢測0pF一2nF的電容值，且其輸出差分電壓最大可達士1．4 V；同時，CAV424還具有內置溫度傳感器，可以直接給微處理器提供溫度信號用于溫度補償，從而簡化整個傳感器系統，原理如圖2所示。
(2)CAV424的檢測原理
1個通過電容Cosc確定頻率的參考振蕩器驅動2個構造對稱的積分器，并使它們在時間和相位上同步。這2個積分器的振幅通過電容Cxl和Cx2確定(如圖2)。這里，Cxl作為參考電容，而Cx2作為被測電容。由于積分器具有很高的共模抑制比和分辨率，所以比較2個振幅的差值得到的信號反映出2個電容Cxl和Cx2的相對變化量。該差分信號通過1個二級低通濾波器轉換成直流電壓信號，并經過輸出可調的差分級輸出。只要簡單調整很少的元件，就可以改變低通濾波器的濾波常數和放大倍數。
參考振蕩器對外接的振蕩器電容Cosc和與它相關的內部寄生電容Cosc，PAR，INT以及外接的寄生電容Cosc．PAR．EXT充電，然后放電。振蕩器的電容近似地取為Coc=1．6Cxl。參考振蕩器電流Iosc=VM／Rosc。實測振蕩器的輸出波形，即任一片CAV424的12腳輸出波形，如參考文獻[1]的圖2所示。
電容式積分器的工作方式與參考振蕩器的工作方式接近，區別在于前者放電時間是參考振蕩器的一半，其次前者的放電電壓被鉗制在一個內部固定的電壓VCLAAMP上，實測2片CAV424的14腳和16腳(電容積分器的輸出電壓)，輸出波形可從參考文獻[1]中查找。
兩個積分器的輸出電壓經內部信號調理后的輸出，在理想狀況下應為
VLPOUT=VDIFF+VM
其中差分信號VDIFF=3／8(Vcx1-Vx2)，VM為參考電壓。
（3)實際硬件電路及電路參數設計
實際的差動電容／電壓轉換電路如圖3所示。
傾角傳感器放在水平位置時，差動電容C10=C20=50pF，所以應選CAV424的參考電容C11=C21=50pF，振蕩電容C12=C22=1.6C11=80pF，低通濾波電容C13=C14=C23=C24=200C11=10nF，穩定參考電壓VM的電容負載C15=C25=100 nF，電流調整電阻R11=R12=R21
=R22=500kΩ。參考振蕩器電流設定電阻R13=R23=250kΩ。為了調整VLPOUT，把輸出級電阻均調整為100kΩ的電位器。另外，為了提高電路的穩定性，在CAV424的引腳4和地之間接了10nF的電容C16和C26。
2. 2運算放大器電路設計
運放電路用來合成和放大2片CAV424輸出的電壓信號，使其轉換為易被單片機處理的O～5V直流電壓。若按一般設計原則，這里應選用儀用放大器；但考慮到儀用放大器成本較高，而且由于前級使用了兩片CAV424，其輸出電壓已經較高，所以這里選用了性價比較高的四運放TL084作為信號調理電路。實驗表明其精度完全達到了預定的設計要求。考慮到后級電路的簡易性，這里采用兩級運放。第一級用兩片CAV424的VLPOUT分別作為運放的正反相輸入，使傾角傳感器在±90°變化時，Vol輸出為±2.5V，用2片CV424的任一VM端作為第二級運放的同相輸入端，使V02輸出電壓為0～5V。然后，再把此信號作為單片機的模擬輸入信號，實際電路如圖4所示。
這里，選取R1=R2=R3=R4=R5=Rf2=10 kΩ，Rf1=Rp1=100 kΩ，則
Uol=Rfl/R1(Vlpoutl-Vlpout2) (1)
Uo=VM-Uol(2)
把式(1)代入式(2)，可得Uo=VM+Rf1／R1(Vlpout1-Vlpout2)；同時，調整Rf2和Rp1，使傾角傳感器在±90°內變化時，Uo在0～5V內變化。
2．3單片機及其顯示系統的軟硬件設計
(1)硬件設計
考慮到運算放大器輸出的是0～5V模擬電壓信號，同時CAV424的溫度傳感器輸出也是模擬電壓信號，一般單片機無法直接處理，因此這里選用Microchip公司生產的PIC16F872作為系統的微處理器。它除了具有一般PIC系列單片機的精簡指令集(RISC，Reduced Instruetion Set Computer)、哈佛(Harvard)雙總線和兩級指令流水線結構等特征外，還自帶有5個10位A／D轉換部件，2K×14位的Flash存儲器，為開發系統提供了極大的方便。
另外，考慮到傾角傳感器既要顯示傾斜角度的大小，又要顯示角度的正負，同時考慮到編程方便和傾角傳感器的顯示精度問題，本設計選用HD7279作為8段數碼管顯示驅動電路，用以顯示傾角的大小及正負。
這部分的設計電路如圖5所示。
(2)軟件設計
本系統的軟件設計主要包括A／D轉換、工程量轉換和顯示等幾部分。主程序流程如圖6所示。
結語
實驗證明，該傾角傳感器的測量精度及靈敏度均達預期要求。該設計是一個通用型模塊，把傾角傳感器的差動電容換成其他的差動電容式傳感器，就可以進行振動、加速度、差壓、液面等基于差動電容原理的精確測量，因此該系統的設計方案具有很大的應用價值。(end)
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