阅读说明：本技术 一种差动电容交流电桥传感测控电路 (Differential capacitance alternating current bridge sensing control circuit ) 是由 陈征 李宏 吴立恒 董云开 王文博 于 2020-04-24 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种差动电容交流电桥传感测控电路,包括：交流激励源,在交流信号输出端设置2个反向输出的压控型运算放大器,形成双端差分输出的交流激励源；程控DAC单元为压控运算放大器提供参考电压；通过控制该参考电压,可以改变差分激励源两端信号的幅度,从而使差分激励的中心点发生双向偏移；差动电容传感器由三极板电容构成,两侧极板间距保持不变,中极板可向两侧移动；差动电容传感器的两侧极板分别与差分输出的交流激励源两端相连,形成交流电桥；通过调整差分激励源的中心点,可以使交流电桥达到近平衡状态；此时当中极板发生移动,由此导致的电桥不平衡电压经信号放大、相敏检波、低通滤波后输出,从而将电容中极板的位移转变为电压信号。(The invention provides a differential capacitance alternating current bridge sensing control circuit, which comprises: the alternating current excitation source is characterized in that 2 voltage-controlled operational amplifiers with reverse outputs are arranged at an alternating current signal output end to form a double-end differential output alternating current excitation source; the program-controlled DAC unit provides reference voltage for the voltage-controlled operational amplifier; by controlling the reference voltage, the amplitude of signals at two ends of the differential excitation source can be changed, so that the central point of the differential excitation is subjected to bidirectional offset; the differential capacitance sensor is composed of a three-pole capacitor, the distance between the pole plates at two sides is kept unchanged, and the middle pole plate can move towards two sides; two side electrode plates of the differential capacitance sensor are respectively connected with two ends of an alternating current excitation source of differential output to form an alternating current bridge; the alternating current bridge can reach a near-balance state by adjusting the central point of the differential excitation source; at the moment, the middle polar plate moves, so that the unbalanced voltage of the bridge caused by the movement is output after signal amplification, phase-sensitive detection and low-pass filtering, and the displacement of the polar plate in the capacitor is converted into a voltage signal.)

一种差动电容交流电桥传感测控电路

技术领域

本发明涉及位移测量、差动交流电桥测量技术领域，尤其涉及一种差动电容交流电桥传感测控电路。

背景技术

差动电容交流电桥电路是一种高精度的测量电路，经常被用于位移测量。现有技术中，电桥的平衡调节与测控一般通过改变比率变压器的中间抽头接地点，或者采用机械方式调节电容传感器的极板间距来实现。以上调节方式均需要引入专用的机械调节机构、电子开关部件或动力，会增大设备的硬件成本，并且会引入一定的干扰，影响测量电路的精度。

发明内容

针对现有技术的缺陷，提出了一种差动电容交流电桥传感测控电路，不需引入专用的机械调节机构，降低了硬件成本。

本发明的一种差动电容交流电桥传感测控电路，包括：差分交流激励源，程控DAC单元，压控型运算放大器，差动电容传感器以及调制解调电路，其中，所述差分交流激励源用于产生需要频率的正弦波信号，所述差分交流激励源的两个输出端由所述压控型运算放大器构成，所述程控DAC单元为所述压控型运算放大器提供参考电压，所述差分交流激励源与所述差动电容传感器形成交流电桥，所述差动电容传感器的输出端与所述调制解调电路连接，

所述程控DAC单元通过控制所述压控型运算放大器的参考电压来改变所述差分交流激励源两端信号的幅度，从而使所述差分交流激励源的中心点发生双向偏移，电桥达到平衡状态；当所述差动电容传感器产生电桥不平衡信号时，所述电桥不平衡信号经所述调制解调电路输出，从而将电容中极板的位移转变为电压信号。

优选地，在所述差分交流激励源的交流信号输出端设置2个反向输出的所述压控型运算放大器，形成双端差分输出的交流激励源。

优选地，所述程控DAC单元包括程控部件和DAC元件，所述程控部件控制所述DAC元件为所述压控型运算放大器提供参考电压。

优选地，所述差动电容传感器由三极板电容构成，两侧极板通过陶瓷垫片固定，使间距保持不变，中极板可向两侧移动，从而产生电桥不平衡信号。

优选地，所述差动电容传感器的所述两侧极板分别与差分输出的交流激励源两端相连，形成交流电桥。

优选地，所述调制解调电路包括信号放大电路、相敏检波电路和低通滤波电路。

本发明的有益效果：本发明不需引入专用的机械调节机构，只通过DAC等程控电子元件，在交流信号输出端设置2个反向输出的压控型运算放大器，形成双端差分输出的交流激励源。程控单元通过控制DAC元件为压控型运算放大器提供参考电压，通过控制压控型运算放大器的参考电压，改变差分激励源两端信号的幅度，从而使差分激励的中心点发生双向偏移。差动电容传感器两侧的极板分别与差分输出的交流激励源两端相连，形成交流电桥。程控单元通过调整2个反向输出的压控型运算放大器的输出幅度，就可以调节电桥的平衡。此时当电容传感器中极板发生移动时，中极板移动将导致交流电桥的不平衡，不平衡电压由中极板经信号放大、相敏检波、低通滤波后输出，从而能够将电容中极板的位移转变为电压信号。由于不需引入专用的机械调节机构，可降低硬件成本，并且不会引入干扰，能够提高测量电路的精度。

附图说明

图1是本发明的一种差动电容交流电桥传感测控电路的结构示意图；

图2是本发明的一种差动电容交流电桥传感测控电路的交流电桥的结构示意图。

图3是本发明的一种差动电容交流电桥传感测控电路的差动电容传感器的结构示意图。

图4是本发明的一种差动电容交流电桥传感测控电路的程控DAC单元的结构示意图。

图5是本发明的一种差动电容交流电桥传感测控电路的调制解调电路的结构示意图。

图6是本发明的一种差动电容交流电桥传感测控电路的相敏检波电路的原理图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步说明，其目的仅在于更好地理解本发明的研究内容而非限制本发明的保护范围。

图1是本发明的一种差动电容交流电桥传感测控电路的结构示意图。图2是本发明的一种差动电容交流电桥传感测控电路的程控DAC单元的结构示意图。图3是本发明的一种差动电容交流电桥传感测控电路的交流电桥的结构示意图。图4是本发明的一种差动电容交流电桥传感测控电路的差动电容传感器的结构示意图。图5是本发明的一种差动电容交流电桥传感测控电路的调制解调电路的结构示意图。图6是本发明的一种差动电容交流电桥传感测控电路的相敏检波电路的原理图。下面结合图1～6对本发明的结构进行详细说明。

如图1所示，本发明的测控电路包括差分交流激励源1，程控DAC(Digital AnalogConverter，数模转换器)单元2，压控型运算放大器3，差动电容传感器4以及调制解调电路5。

其中，差分交流激励源1用于产生需要频率的正弦波信号，差分交流激励源1的两个输出端由2个压控型运算放大器3构成。具体是在差分交流激励源1的交流信号输出端设置2个反向输出的压控型运算放大器3，形成双端差分输出的交流激励源。程控DAC单元2为压控型运算放大器3提供参考电压。差分交流激励源1与差动电容传感器4形成交流电桥。差动电容传感器4由三极板电容构成，两侧极板41通过性能稳定的陶瓷垫片43固定，使间距保持不变，中极板42可向两侧移动，从而产生电桥不平衡信号(见图4)。差动电容传感器4的所述两侧极板41分别与差分输出的交流激励源1的两端相连，从而形成交流电桥。差动电容传感器4的输出端与调制解调电路5连接。

基于上述结构，程控DAC单元2通过控制压控型运算放大器3的参考电压来改变差分交流激励源两端信号的幅度，从而使差分交流激励源1的中心点发生双向偏移，电桥达到平衡状态。当差动电容传感器4因中极板移动产生电桥不平衡信号时，该电桥不平衡信号经调制解调电路5输出，从而将电容中极板的位移转变为电压信号。

如图2所示，差分交流激励源1可以为高精度的信号发生单元(例如SWR200芯片)，可以根据需要串接不同的电容，得到所需频率的正弦波信号。该正弦波信号经由作为功放的第一运算放大器12，输出到第一压控型运算放大器31和第二压控型运算放大器32(例如VCA810)的输入端。该信号接第一压控型运算放大器31的正输入端，接第二压控型运算放大器32的负输入端，经两个压控型运算放大器31、32放大后输出两个反向的同源交流信号，并分别接入到差动电容传感器4的上下极板，形成电容电桥。

如图3所示，差动电容传感器4由三极板电容构成，两侧极板41通过性能稳定的陶瓷垫片43固定，使间距d保持不变，中极板42可向两侧移动，随着中极板42的位移形成差动电容(C1和C2之差)，中极板42输出的对地电压即为两个压控型运算放大器31、32输出的反向激励与差动电容形成的桥路不平衡电压。两个压控型运算放大器31、32(VCA810)的压控型放大倍数由参考电压VG0和VG1控制，通过改变VG0和VG1这两个参考电压，可使其输出电压在0～5V幅值范围变化。

如图4所示，程控DAC单元2由程控部件21和DAC元件22构成。参考电压VG0、VG1信号由DAC元件22(例如芯片LTC2666)产生。LTC2666可以为数控DAC，通过程控部件21(例如单片机89C2051)控制。单片机通过SPI总线，向LTC2666发送指令，使VG0、VG1产生0～5V/DC的输出变化。单片机通过TTL串口连接到用户端。

如上，通过调整两个压控型运算放大器31、32的输出电压幅度，可以使桥路达到平衡，即中极板42的输出电压为零，达到电容电桥平衡调节的目的。在一个实施例中，为了使平衡调节不影响测量电路的灵敏度，加载在传感器4两端的总的电压可以恒定为5V。之所以设定为5V，是因为两个压控型运算放大器31、32(VCA810)的供电电压为±5V，因此单边最大的电压输出不能超过5V。另外，由于DAC元件22(LTC2666)的额定输入工作电压也是5V，所以为了相互匹配，压控型运算放大器31、32(VCA810)也采用5V供电电压。

当桥路达到平衡之后，随着中极板42的位移，桥路的不平衡信号经由调制解调电路5输出，以将电容中极板的位移转变为电压信号。如图5所示，调制解调电路5包括信号放大电路51、相敏检波电路52和低通滤波电路53。放大电路51可以为两级放大电路。

如图6所示为相敏检波电路52的原理图。电容中极板42输出的经两级放大后的不平衡信号由第二运算放大器54分出一路反向信号，与Q1、Q2配合接成相敏检波电路。移相电路模块55和比较器电路56为相敏检波电路提供参考信号。移相电路模块55由第一运算放大器12输出的激励源提取信号Yi，并作移相处理，使参考信号与检波信号同相。比较器电路56将移相电路模块55的移相正弦信号变为反向的两路方波，控制Q1、Q2，形成选通乘法电路，将正弦信号变为半波正弦信号。最后二阶低通滤波电路53滤除信号的交流成分，保留信号的直流幅度信息，并由跟随器(未图示)输出，从而将电容中极板的位移转变为电压信号。

显然，本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围。