CAV电容式压力传感器测量电路设计方案.docx

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CAV电容式压力传感器测量电路设计方案

封面

作者：

PanHongliang

仅供个人学习

基于CAV424的油品含水率在线测量仪的研制

摘　要：

提出了一种电容传感器调理电路的新方法，引入了用于电容／电压信号转换的集成电路CAV424，以及CAV424在油品含水率测量仪中的应用。

关键词：

电容传感器；CAV424；油品含水率

Designoftheinstrumentofonlinemeasurementforwaterin　oilpercentagebasedonintegratecircuitCAV424

DINGZhenrong1,CHENWeimin2

（1InstituteofDetectionTechnology,ZhejiangUniversity，

ZhejiangHangzhou310027，China;

2.ChinaJiliangUniversity）

　　Abstract：

Thepaperdiscussesanewmethodabouttheprocessofcapacitancesensor,introducestheintegratecircuitCAV424usedforcapacitancetovoltagesignalconvert,andthedevelopedonlinemeasuringinstrumentforwaterinoilpercentagebasedonCAV424.

　　Keywords：

capacitancesensor;CAV424;waterinoilpercentage

在当今检测领域中，电容式传感器以其结构简单、动态响应好、灵敏度高、能在恶劣环境下工作等优点而被广泛使用。

但是由于电容式传感器的电容量一般很小，传感器的调理电路往往受到寄生电容和环境变化的影响而难以实现高精度测量。

CAV424是一种将各种电容式传感器电容信号转换成电压信号的集成电路芯片，具有信号的采集（相对电容量变化）处理和差分电压输出的功能。

它可以检则到与参考电容值（10pF到20nF）的5%～100%的变化范围内的电容值，并将变化电容转变为相应的差分电压输出，具有高检测灵敏度。

同时它还集成了内置温度传感器，当需要数字化信号修正时可直接用来检测温度。

利用CAV424作为电容传感器的调理电路，可克服寄生电容和环境变化的影响。

同时传感器的处理电路也较简单，仪器体积小。

1CAV424的测量原理

CAV424的测量原理是通过一个外接电容Cosc与内部构成一个频率可调的参考振荡器驱动二个构造对称的积分器并使它们在时间和相位上同步。

如图1所示，二个被控制的积分器的振幅是由电容CX1和CX2来决定，CX1作参考电容而CX2作为被测电容。

CX1和CX2包含了输入端与地端的所有电容，并在特性上一致，这样环境变化时芯片的两个输入端同时变化，其差值基本保持不变。

当被测电容传感器电容变化时，由于积分器具有很高的共模抑制比和分辨率，所以比较二个振幅的差值得到的信号反映出CX1和CX2的相对变化量，该差值信号通过后级的低通滤波器整流滤波到达可调增益的差分输出级。

　　参考振荡器对外接的振荡器电容Cosc和与它相关的内部寄生电容以及外接的寄生电容进行充电，然后放电。

振荡器的电容近似地取为：

Cosc＝16CX1。

参考振荡器电流Iosc由外接电阻Rosc和参考电压VM来确定：

Iosc＝Vm／Rosc，参考振荡器的电压输出见图2。

二个对称构造的内置电容式积分器的作用原理与上述的参考振荡器相似。

区别在于放电时间是充电时间的一半，其次，它的放电电压被钳制在一个内置的固定电压VCLMP上，图3中显示出电容CX1和CX2的电压信号。

由图3所示的理想信号经过低通滤波器得：

　　其中：

差分信号VDIFF,0＝3／8（VCX1－VCX2），它可再经过输出放大器放大；

VM为参考电压源。

2基于CAV424的油品含水率在线测量仪设计

2.1油品中含水率测量原理及传感器探头的设计

　　油品含水率测量的基本思路是：

对于某种油品，其含水量不同，对应的介电常数亦不同，利用这种油／水介电常数数值差异的电物理特性，采用变介电常数电容式传感器原理，可将被测信号的变化转换成电容量变化，再利用CAV424将电容信号转换为电压信号，通过A／D采样和单片机处理即可测出油品中的含水量。

电容传感器探头设计示意图见图4［1］。

同轴柱状电容传感器探头内电极半径为r，内电极表面涂绝缘材料，其绝缘层厚度为δ，绝缘材料介电常数为ε1，外电极内表面半径为R，电极长度为h，ε2为混合液介电常数，根据同轴柱状电容器容量计算公式，可得绝缘层和混合液对应的电容C1、C2分别为：

由式（3）可知，ε2与原油含水率有关，因此根据测得的电容C即可换算为含水率［2，3］。

2.2基于CAV424的电容电压转换电路设计及实验结果

从以上的分析，含水率在0～10%的范围内，取H＝160mm，R＝6.5mm，r＝4mm，绝缘材料选用聚四氟乙稀（ε1＝2.0）、厚度δ＝200μm，选用高线轧机润滑油作为传感器介质试验，在纯润滑油时有ε2＝2.3，电容量约为C＝41.5pF，在含水量为10%时计算混合介电常数，ε2＝5.1，电容量约为C＝80.79pF，然后经过CAV424将电容变化量ΔC（80.79－41.50＝39.29pF）转换成电压信号经差动放大为0～1V的电压输出，其设计电路如图5。

其中，RCX1和RCX2是用作零点调整的，COSC是参考振荡器的电容，CX1是标准电容，CX2是被测电容。

CL1和CL2决定低通滤波器1和低通滤波器2的角频率。

ROSC用来设定参考振荡器的电流。

RL1和RL2用来调整放大器的增益，由于CAV424是差动输出，经放大器INA101转化为单端电压输出。

在测量系统的后续电路中，将电容转换得到的电压信号经过A／D转换为数字信号送给单片机处理。

该仪器先通过实验进行标定，测出含水率与输出电压的对应曲线，并将该曲线以1%含水率间隔逐点用表格形式存入E2ROM，实际测量时根据被测电压与表格中相应的数据比较，用线性插值法计算出含水率。

实际上，水的介电常数ε是随温度变化的，为消除温度变化对测量结果的影响，该仪器用软件实现温度补偿。

在介质为高线轧机润滑油、水；温度为36℃；压力为0.02MPa；流速为1.8m／s的条件下，对仪器进行测试，其实验数据如表1所示。

3结论

当前，油品含水率在线检测大都使用电容或电导的方法，其测量方法基本上都是测量电容传感器介质的阻抗特性来确定含水率，这种方法要求激励信号的频率往往要达到10MHz以上，因而电路复杂且成本较大，并受环境的影响难以实现高精度在线检测。

该仪器电路简单，体积大大缩小，测量精度高、重复性好、响应快，方便使用。

参考文献

［1］王莉田.电荷转移式原油含水率传感器的研究［J］.传感器技术，1999

（2）：

19－23.

［2］马世勇.射频电容式传感器的研究与应用［J］.传感器技术，2001

（2）：

43－45.

［3］黄正华.电容式传感器敏感探头［J］.仪表技术与传感器，1996（5）：

15－17.

基于CAV424的电容式压力传感器测量电路设计

　　摘要：

随着差动式硅电容传感器广泛应用于各行各业中，对差动电容信号的检测至关重要。

文中提出基于CAV424电容检测芯片作为前置检测单元，实现了电容压力传感器测量电路。

该电路具有稳定性好，抗干扰性强，且通过非线性补偿有良好的线性。

实验结果表明，实际电路与理论分析具有良好的一致性。

　　0引言

　　硅电容压力传感器是利用硅基材料，应用电容原理，采用MEMS工艺制作的一类新型压力传感器。

因其具有稳定性好，非线性和可靠性优越的性能被广泛用于工业控制和测量领域。

但是差动电容式压力传感器的输出差动电容信号通常都非常微弱，因此，如何将微小电容变化量检测及转换为后续电路容易处理的信号至关重要。

目前，比较常用的检测调理电路如谐振法、振荡法、开关电容法、AC电桥法、运算放大器检测法等。

这些调理电路都是采用分离元件设计而成的，而文中将采用一款电容专用检测转换芯片CAV424作为调理电路的核心部件。

实验表明该电路稳定性高，功耗低，且非线性度在02%~01%,非常适合使用干电池供电的仪表仪器。

　　1CAV424工作原理

　　1.1测量原理

　　CAV424是专门用于电容检测转换的集成芯片，其工作原理图及外围连接图如图1所示。

图1CAV424工作原理图及外围连接图

　　由图1可知，通过电容Cosc调整参考振荡器的频率来驱动2个构造对称的积分器并使它们在时间和相位上同步。

2个被控制的积分器的振幅分别由电容CX1和CX2来决定，这里CX1作参考电容，CX2作为测量电容。

由于积分器具有很高的共模抑制比和分辨率，所以2个振幅的差值所提供的信号就反映出2个电容CX1和CX2的差值。

这个电压差值通过后面的有源滤波器滤波为直流电源信号（整流效应），然后送到可调的放大器，调整RL1和RL2的值，可得到所需要的输出电压值。

如果2个电容CX1和CX2值相同，那么经过整流和滤波得到的一个直流电压信号就是零。

如果测量CX2电容改变了△CX2,那么得到的输出电压与之是成正比的。

如果2个电容CX1和CX2值不相同，那么当CX2=0时，在输出端得到的是一个偏置值，它始终是叠加在直流电压信号上的。

1.2测量输出

　　根据CAV424工作原理及外围电路连接图，可得测量输出表达式：

　　这里取ICX1=ICX2=IC,所以输出表达式

（1）可简化为：

　　式中：

　　VM为参考电压25V;Ic为2个积分器的充电电流，这里取常数5A;fOSC为参考振荡器频率范围，其由被测电容的最小值决定。

　　2硬件电路及软件设计

　　2.1系统设计

　　该系统主要以CAV424检测芯片和微处理器控制模块为核心，另外还有输出显示模块以及电源模块等。

系统框图如图2所示。

图2系统框图。

　　CAV424检测芯片在系统中主要任务是将传感器的差动电容信号转换为可测的电压信号。

差动式压力传感器的低压端连接CX1参考电容端，高压端连接CX2被测电容端，这样连接可以保证输出电压始终为正。

　　2.2电容检测电路设计

　　根据硅电容压力传感器核心器件可看成由中心可动电极和两边的固定电极组成的2个可变电容，其敏感电容可以简单地认为是平板电容，而平板电容公式为：

　　并且将CX1参连接到差压的高压端，CX2连接到低压端。

由此可得CX1参和CX2表达式：

　　因此可得式

（2）最终表达式：

　　式中：

ε为两极板间介质的介电常数；S为两极板相对有效面积；δ为两极板的间隙

因此，在小位移情况下，外加压力和△δ成比例关系，可见电容的倒数差与输入压力成线性关系。

所以文中将CAV424的CX1作为参考电容端连接到差压的高压端是合适的，这样的线性关系减少了系统误差的影响，提高了系统的可靠性和准确性。

CAV424检测转换原理如图3所示。

图3CAV424检测原理图

　　2.3控制及显示电路设计

　　控制显示电路以单片机为核心，选用PIC16F877单片机为控制器，其内部含有10位高精度A/D转化器，能够直接处理模拟电压，调整CAV424的GLP,可以使输出电压范围在25~35V之间，满足单片处理信号的要求。

显示器件选用LCM046液晶模块，其功耗低，工作电流只有μA级，并且其与处理器连接简单。

连接图如图4所示。

图4液晶连接图

　　2.4软件设计

软件设计主要包括A/D转换程序和LCM046数据显示两部分。

另外还有非线性补偿部分，在线性不好的情况下可以采用插值法进行必要的线性补偿。

软件流程图设计如图5、图6、图7所示。

　　3实验与结果分析

　　试验中差动式电容传感器的低压端连接CAV424的CX2管脚，高压端连接CX1管脚。

根据差动电容值的变化范围，Cosc这里取82pF,则fOSC=29.036kHz;GLP=1+RL1/RL2中的RL1,RL2分别取300Ω 和100 Ω,这样使得CAV424输出的电压范围在25~375V,在ADC模拟输入范围内。

试验中选取两种量程的电容传感器作为实验的测试对象，分别是130Pa和10MPa两种。

　　在实验环境相同情况下，实验测得常温下数据如表1、表2所示。

表1130Pa对应输出电压值

表210MPa对应输出电压值

　　从表1、表2可以看出实际测量值与理论值差值范围在000147~00003,误差小于02%,且线性也比较理想。

整体性能符合实际要求，因此利用1片CAV424作为测量电路检测前端是可行的，有很好的实用性。

CAV424倾角传感器的检测系统设计

引言

差动电容式传感器的灵敏度高、非线性误差小，同时还能减小静电引力给测量带来的影响，并能有效地改善由于温度等环境影响所造成的误差，因而在许多测量控制场合中，用到的电容式传感器大多是差动式电容传感器。

然而，电容式传感器的电容值十分微小，必须借助信号调理电路，将微小电容的变化转换成与其成正比的电压、电流或频率的变化，这样才可以显示、记录以及传输。

目前，大多数电容式传感器信号调理电路使用分立元件或者专门去开发专用集成电路（ASIC）。

因为差动电容式传感器的电容量很小，传感器的调理电路往往受到寄生电容和环境变化的影响而难以实现高精度测量；而由德国AMG公司开发的CAV424集成电路则能有效地减小这些影响所带来的误差，因而具有较大的应用灵活性。

设计中的倾角传感器是新型变质面积电容式倾角传感器。

该倾角传感器技术是为数不多的能够兼有结构简单、可靠性高、有通用传感器集成电路等优点的倾角传感器技术之一。

在测量仪器仪表、建筑机械、天线定位、机器人技术、汽车四轮定位等方面有广泛应用。

1系统工作原理

系统硬件结构模块框图如图1所示，主要由差动电容、CAV424、运放、单片机和显示电路等组成。

系统由差动电容检测到倾角传感器安装位置的倾斜角度，并把角度变化转换成电容量变化。

此差动电容在一个增大的同时另一个减小，然后把两个电容的变化值分别送入2片CAV424中，由2片CAV424把电容的变化值转换成两个不同的电压值。

这两路电压经过差动放大后送入单片机进行处理。

最后由显示电路显示出被检测对象的倾斜角度大小。

由上述原理可知，被检测对象的倾斜角度经过了三级差动处理，同时CAV424自带有温度传感器。

此传感器的输出信号又送入单片机内进行温度补偿处理。

因而该系统具有较高的精度和灵敏度。

2系统各部分电路设计

2.1差动电容／电压转换电路设计

考虑到差动电容的容量很小，传感器的调理电路往往易受到寄生电容和环境变化的影响，因此采用德国AMG公司开发的CAV424作为差动电容的信号调理电路。

又因为单片CAV424只能检测到1个电容，因而采用2片CAV424来完成差动电容的检测。

CAV424简介

CAV424是一个多用途的处理各种电容式传感器信号的完整的转换接口集成电路。

它同时具有信号采集（相对电容量变化）、处理和差分电压输出的功能，能够测量出一个被测电容和参考电容的差值。

在相对于参考电容值（10pF~1nF）5％～100％的范围内，可以检测0pF一2nF的电容值，且其输出差分电压最大可达士1．4V；同时，CAV424还具有内置温度传感器，可以直接给微处理器提供温度信号用于温度补偿，从而简化整个传感器系统，原理如图2所示。

（2）CAV424的检测原理

1个通过电容Cosc确定频率的参考振荡器驱动2个构造对称的积分器，并使它们在时间和相位上同步。

这2个积分器的振幅通过电容Cxl和Cx2确定（如图2）。

这里，Cxl作为参考电容，而Cx2作为被测电容。

由于积分器具有很高的共模抑制比和分辨率，所以比较2个振幅的差值得到的信号反映出2个电容Cxl和Cx2的相对变化量。

该差分信号通过1个二级低通滤波器转换成直流电压信号，并经过输出可调的差分级输出。

只要简单调整很少的元件，就可以改变低通滤波器的滤波常数和放大倍数。

参考振荡器对外接的振荡器电容Cosc和与它相关的内部寄生电容Cosc，PAR，INT以及外接的寄生电容Cosc．PAR．EXT充电，然后放电。

振荡器的电容近似地取为Coc=1．6Cxl。

参考振荡器电流Iosc=VM／Rosc。

实测振荡器的输出波形，即任一片CAV424的12脚输出波形，如参考文献[1]的图2所示。

电容式积分器的工作方式与参考振荡器的工作方式接近，区别在于前者放电时间是参考振荡器的一半，其次前者的放电电压被钳制在一个内部固定的电压VCLAAMP上，实测2片CAV424的14脚和16脚（电容积分器的输出电压），输出波形可从参考文献[1]中查找。

、两个积分器的输出电压经内部信号调理后的输出，在理想状况下应为

VLPOUT=VDIFF+VM

其中差分信号VDIFF=3／8（Vcx1-Vx2），VM为参考电压。

（3）实际硬件电路及电路参数设计

实际的差动电容／电压转换电路如图3所示。

倾角传感器放在水平位置时，差动电容C10=C20=50pF，所以应选CAV424的参考电容C11=C21=50pF，振荡电容C12=C22=1.6C11=80pF，低通滤波电容C13=C14=C23=C24=200C11=10nF，稳定参考电压VM的电容负载C15=C25=100nF，电流调整电阻R11=R12=R21=R22=500kΩ。

参考振荡器电流设定电阻R13=R23=250kΩ。

为了调整VLPOUT，把输出级电阻均调整为100kΩ的电位器。

另外，为了提高电路的稳定性，在CAV424的引脚4和地之间接了10nF的电容C16和C26。

2.2运算放大器电路设计

运放电路用来合成和放大2片CAV424输出的电压信号，使其转换为易被单片机处理的O～5V直流电压。

若按一般设计原则，这里应选用仪用放大器；但考虑到仪用放大器成本较高，而且由于前级使用了两片CAV424，其输出电压已经较高，所以这里选用了性价比较高的四运放TL084作为信号调理电路。

实验表明其精度完全达到了预定的设计要求。

考虑到后级电路的简易性，这里采用两级运放。

第一级用两片CAV424的VLPOUT分别作为运放的正反相输入，使倾角传感器在±90°变化时，Vol输出为±2.5V，用2片CV424的任一VM端作为第二级运放的同相输入端，使V02输出电压为0～5V。

然后，再把此信号作为单片机的模拟输入信号，实际电路如图4所示。

这里，选取R1=R2=R3=R4=R5=Rf2=10kΩ，Rf1=Rp1=100kΩ，则

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）；同时，调整Rf2和Rp1，使倾角传感器在±90°内变化时，Uo在0～5V内变化。

2．3单片机及其显示系统的软硬件设计

（1）硬件设计

考虑到运算放大器输出的是0～5V模拟电压信号，同时CAV424的温度传感器输出也是模拟电压信号，一般单片机无法直接处理，因此这里选用Microchip公司生产的PIC16F872作为系统的微处理器。

它除了具有一般PIC系列单片机的精简指令集（RISC，ReducedInstruetionSetComputer）、哈佛（Harvard）双总线和两级指令流水线结构等特征外，还自带有5个10位A／D转换部件，2K×14位的Flash存储器，为开发系统提供了极大的方便。

另外，考虑到倾角传感器既要显示倾斜角度的大小，又要显示角度的正负，同时考虑到编程方便和倾角传感器的显示精度问题，本设计选用HD7279作为8段数码管显示驱动电路，用以显示倾角的大小及正负。

这部分的设计电路如图5所示。

（2）软件设计

本系统的软件设计主要包括A／D转换、工程量转换和显示等几部分。

主程序流程如图6所示。

结语

实验证明，该倾角传感器的测量精度及灵敏度均达预期要求。

该设计是一个通用型模块，把倾角传感器的差动电容换成其他的差动电容式传感器，就可以进行振动、加速度、差压、液面等基于差动电容原理的精确测量，因此该系统的设计方案具有很大的应用价值。

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