阅读说明：本技术 一种阻容式传感器信号测量电路 (Resistance-capacitance sensor signal measuring circuit ) 是由 陈希 刘洋 蔡建程 陈赵江 王晖 毛和法 于 2019-12-01 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种阻容式传感器信号测量的电路,涉及一种仪器仪表,电子测量,传感器领域。具体为将阻容式传感器的阻容参数变化转换为不同时长的高低电平时序信号,并建立传感器阻容参数变化和不同时长的高低电平时序信号的关系。通过测量高低电平时序信号得出传感器阻容参数变化。本发明的有益效果在于：扩大测量范围,提高测试精度,简化电路,减小干扰,降低成本。(The invention discloses a circuit for measuring signals of a resistance-capacitance type sensor, and relates to the field of instruments, electronic measurement and sensors. Specifically, the variation of the resistance-capacitance parameters of the resistance-capacitance sensor is converted into high and low level time sequence signals with different durations, and the relationship between the variation of the resistance-capacitance parameters of the sensor and the high and low level time sequence signals with different durations is established. And obtaining the variation of the resistance-capacitance parameters of the sensor by measuring the high and low level time sequence signals. The invention has the beneficial effects that: the measuring range is enlarged, the measuring precision is improved, the circuit is simplified, the interference is reduced, and the cost is reduced.)

一种阻容式传感器信号测量电路

技术领域

本发明涉及一种仪器仪表，电子测量，传感器领域，具体为一种阻容式传感器信号测量的实现方法。

背景技术

传感器的输出信号形式有电阻式、电压式、电容式、电流式等。有些传感器在采用某种形式的输出方式时，往往伴随着其它输出方式。例如进过表面修饰的二氧化碳传感器，理论上是电阻输出型传感器，在环境发生变化时，电阻会发生变化。但因为表面修饰了特殊活性材料，使得活性传感材料的电阻随化学环境变化时，伴随着电容的变化。即输出电阻存在着寄生电容。可将此类传感器视作电阻、电容的并联。由于电容的存在，单纯的测量传感器电阻值变化，测量精度将受到影响。此类传感器常用的测量方法采用恒流源，即通过恒流源电路给传感器提供恒定电流，通过测量传感器两端的电压，进而根据欧姆定律得出传感器的值。用这种方法测量传感器电阻可以避免并联电容的影响。但此类传感器电阻变化范围很大，在10³～10⁹欧姆范围，因此只要流过微小的电流，即会产生很大的电压变化范围，从而使后续处理电路非常复杂，同时需要复杂昂贵的标定成本。

(仲崇权，兰敬辉,杨素英.一种消除分布电容影响的电阻测量方法[J].大连理工大学学报，2003，43(5)：372-376.)等文献提出了采用交流激励法来测量带有分布电容的电阻测量。此类方法需要提供交流激励信号源，导致测试系统电路复杂，测量精度不高，并且只给出了10⁶欧姆以下的测试结果，并没有给出在10⁹欧姆级别的测试结果。

发明内容

本发明的目的在于克服现有测量方法的不足，提出一种电路结构简单、测量范围宽、测试精度高、干扰小、成本低、测速快的测量电路。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

传感器等效电路为电阻R_s和电容C_s的并联。将传感器其中一端口与运放IC3的负输入端相连，并和积分电容C相连，电容C的另一端与IC3的输出端V₃相连，IC3的正输入端接地。将传感器另一端口V₁与放大增益为-A的IC2输入端相连。传感器两端口和数字电位器IC5并联。

IC2的输出端接入电阻R₁，电阻R₁和电阻R₂一端连接，电阻R₂另一端接入电压VCC。电阻R₁和电阻R₂的分压V₂接入单片机IC4内部比较器CP1负端。IC3的输出端V₃接入单片机IC4内部比较器CP1正端。

IC3的输出端V₃接入单片机IC4内部比较器CP2正端，比较器CP2负端与地连接。

IC4中的比较器CP1输出端V₄接入电压跟随器IC1正输入端，将IC1输出端和传感器端口V₁连接，并反馈至IC1负输入端。

数字电位器IC5由单片机IC4控制，控制端和IC4连接。

IC4中的比较器CP1输出端V₄接入IC6的A输入端和IC4的捕获端口CAP1。比较器CP2输出端V₅接入IC6的B输入端。IC6对输入端A和B进行异或操作，输出结果V₆接入单片机IC4的捕获端口CAP2实现波形脉宽和周期时间测量。

进一步地，IC4中的比较器CP1输出端V₄的输出信号周期为T_x，在T_x时间段内，输出结果V₆的脉宽为T_x1、T_x2、T_x3、T_x4。

V₄的输出信号周期T_x可用如下公式表示：

T_x＝4A(R_s//R_w)C-4(R_s//R_w)C_s

式中R_w为数字电位器IC5阻值。

传感器R_s的值计算采用如下公式：

R_s//R_w＝(T_x2+T_x4)/2AC

传感器C_s的值计算采用如下公式：

C_s＝AC(T_x2+T_x4-T_x1-T_x3)/2(T_x2+T_x4)

本发明的有益效果是：通过采用本发明可以简化电路，扩大测量范围，提高测试精度，减小干扰，降低成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

附图1为阻容式传感器信号测量电路原理图；

附图2为阻容式传感器信号测量电路不同节点电压波形示意图；

附图3为C_s为15pF时，传感器R_s的标准值R_r与实测值R_t对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所限定的范围。

一种阻容式传感器信号测量的电路，包括以下技术方案：

如图1所示，传感器等效电路为电阻和电容的并联，R_s、C_s分别为传感器的电阻和分布电容。将传感器其中一端口与运放IC3的负输入端相连，并和积分电容C相连，电容C的另一端与IC3的输出端V₃相连，IC3的正输入端接地。

将传感器另一端口V₁与放大增益为-A的IC2输入端相连。传感器两端口和数字电位器IC5并联。

IC2的输出端接入电阻R₁，电阻R₁和电阻R₂一端连接，电阻R₂另一端接入电压VCC。电阻R₁和电阻R₂的分压V₂接入单片机IC4内部比较器CP1负端。IC3的输出端V₃接入单片机IC4内部比较器CP1正端。

IC3的输出端V₃接入单片机IC4内部比较器CP2正端，比较器CP2负端与地连接。

IC4中的比较器CP1输出端V₄接入电压跟随器IC1正输入端，将IC1输出端和传感器端口V₁连接，并反馈至IC1负输入端。

数字电位器IC5由单片机IC4控制，控制端和IC4连接。

IC4中的比较器CP1输出端V₄接入IC6的A输入端和IC4的捕获端口CAP1。比较器CP2输出端V₅接入IC6的B输入端。IC6对输入端A和B进行异或操作，输出结果V₆接入单片机IC4的捕获端口CAP2实现波形脉宽和周期时间测量。

下面针对阻容式传感器信号测量的电路工作原理，来对本发明作进一步的介绍：

假设初始状态跟随器IC1输出的电压V₁为正电压，电流通过传感器等效电阻R_s和程控电位器IC5的电阻R_w给电容C充电。运放IC3输出端电压V₃变为负值，绝对值并不断增大，并与反向放大器IC2输出电压V₂＝-AV₁通过单片机IC4内部比较器CP1进行比较，比较输出电压V₄反馈至跟随器IC1，从而使电流通过R_s和R_w对电容C不断的进行充放电，产生振荡信号。在电容C为固定值时，振荡信号的周期由R_s决定。假设在充放电周期过程中R_s为恒定值，有：

式中，V₃(0)为初始状态值，T_x为充放电周期。当V₃减小到V₂＝-AV₁时，比较器发生反转，此时V₂＝AV₁，因此有：

V₃(T_x/2)＝-V₁(A-(T_x/2)/((R_s//R_w)C))＝AV₁ (2)

T_x＝4A(R_s//R_w)C (3)

图2为V₄、V₅、V₆节点波形示意图，由于传感器寄生电容C_s的存在，当V₄发生反转时，C_s和电容C之间有一个快速的充电或放电过程。因此V₃在V₄发生反转时有电压突变。考虑到C_s的影响，式(3)可写为：

T_x＝4A(R_s//R_w)C-4(R_s//R_w)C_s (4)

图1中单片机IC4内部比较器CP2将V₃信号分成两部分，一是当V₄发生反转进行充放电时，受C_s影响的部分，如图2中的T_x1、T_x3；二是只与R_s和R_w相关的部分，如图2中的T_x2、T_x4。T_x1、T_x2、T_x3、T_x4由V₄、V₅通过IC6异或操作获得，于是有：

R_s//R_w＝(T_x2+T_x4)/2AC (5)

C_s＝AC(T_x2+T_x4-T_x1-T_x3)/2(T_x2+T_x4) (6)

将V₄、V₆接入单片机IC4具有边沿捕获功能的CAP1、CAP2引脚，实现对T_x1、T_x2、T_x3、T_x4的测量，并根据式(5)、(6)算出传感器R_s、C_s值。

为获得快速测量，预设程控电位器IC5的电阻R_w为一个较小的值，并测量出T_x1，根据T_x1调整电阻R_w的值，使得R_s和R_w的并联电阻处于适当值。

图3为C_s＝15pF时，传感器R_s的标准值R_r与实测值R_t的对比，测试值与标准值一致，测量范围大。

以上仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。