专利名称：采用四相检测技术的杂散免疫工业电容传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型属一种工业电容传感器。
电容传感器广泛应用在工业和实验室，在许多场合下，被测对象的电容很小，小到几PF或更小，而杂散电容却很大，例如一米长的屏蔽电缆的电容就有100PF。目前市场上的电容传感器，不具有杂散免疫功能，也就是说，检测结果受杂散电容的影响。
本实用新型的目的是为了解决上述问题，提供基于四相检测技术的工业电容传感器，这种电容传感器具有杂散免疫功能，能精确识别小至1PF的电容，分辩率达0.001PF。
本实用新型的工业电容传感器由脉冲产生电路(1)(晶振X、六反相器U1)、十分频电路(2)(分频U2、转换开关s)、四分频电路(3)(双D触发器)、开关电路(4)(四双向模拟开关U4、被测电容Cx)、电流——电压转换电路(5)(运放1、运放2、电阻R1、R2、电容C1--C4)、差动放大电路(6)(运放3、电阻R3--R6)、补偿和线路增益调节电路(7)(运放4、电阻R8-R10，可变电阻W1、W2)，电压—电流转换电路(8)(运放U6、三极管T1、电阻R11-R16、可变电阻W3及二极管VD1、VD2)组成。本实用新型的线路连接方式是脉冲产生电路(1)中的六反相器U1的三个非门首尾串接，其输入端和另一个非门的输出端接晶振X；脉冲产生电路(1)产生的脉冲由六反相器U1接至十分频电路(2)中分频器U2的时钟脉冲输入端CP和转换开关s，分频器U2的使能控制端CPE和复位端R接地，进位输出端CO接转换开关s的另一端；转换开关s的输出端接四分频电路(3)中双D触发器U3A和U3B的时钟脉冲输入端CP，D触发器U3的信号输入端D分别接另一D触发器的输出端，复位端R和置位端s接地，输出端Q和Q输出的脉冲V01-V04送至开关电路(4)U4的控制端；流经被测电容Cx的电流分别经开关电路(4)的sW3和sW4接电流—电压转换电路(5)中运放1和运放2的反相输入端，同相输入端接地；运放1和运放2的输出电压分别经电阻R3、R4送至差动放大电路(6)中的运放3的反相和同相输入端；运放3的输出电路经电阻R7送至补偿和线路增益电路(7)中运放4的反相输入端。补偿调节电路接+15V和-15V之间，其输出端经电阻R10也接运放4的反相输入端；运放4的输出电压经电阻R11接电压--电流转换电路(8)中U6的反相输入端，U6的输出信号经电阻R14送至三极管T1的基极，输出电流从T1的发射极经电阻R6输出。
本实用新型的工作原理是图1是工业电容传感器的原理图。晶体振荡器(4096)产生4MHz脉冲。脉冲信号直接送到或者再经过十分频装置(4017)送到四分频装置(2×4013)。这个电路能选择1MHz或100MHz两种不同的频率。根据需要，也可再增加一些十分频电路，以得到更多种频率，扩大检测范围。
四分频器产生四个占空比50％的方波信号，相位分别是0°90°、180°和270°，如图2中V01、V02、V03和V04所示。这些信号用来控制四相检测线路工作。
要检测被测对象的未知电容Cx，二个方波信号--V01和V02加至二个CMOs开关sW1和sW2，以使Cx的左端或者接至+15V，或者接至地，15V方波有效地通过Cx形成电流。其余两个波信号(V03和V04)用来控制另外二个CMOs开关sW4和sW3。由方波形成的Cx上的电荷经过SW3释放到放1或者经sW4释放到运放2。理论上，电荷与方波幅度(15V)和测量的未知电容的容量成正比。运放1或运放2都把电荷电流转换成电压。两个运放输出的电压大小相等、符号相反。图中电容C1和C2(0.1μ)用来吸收尖峰，电阻R1、R2(10K)和电容C3、C4(4700PF)形成放大器的反馈回路。运放3是差动放大器，来自运放1和运放2的二个直流电压信号由运放3相加。运放4用来调节补偿和线路的增益。合成电压从运放4输出。
杂散电容是电容电极和地之间的电容。有两个杂散电容附加在Cx上，电容的一端是地。左端的杂散电容由电源产生，其输出阻抗可忽略，它不影响电容的测量。右端的杂散电容经由运放1或运放2，总是保持接在虚地上，它上面的电位是零，因此，这个杂散电容也不影响电容的测量。所以说，这个电容测量线路是杂散免疫的。
在工业上应用时，输送信号经常要用电流，而不是电压，这时就需要一个电压——电流转换器。来自运放4的电压信号被转变成符合工业标准的4--20mA的电流，这样就成为工业电容传感器。
本实用新型的优点是结构简单、成本低，具有杂散免疫功能，能精确识别小到1PF的电容，分辩率达0.001PF，灵敏度高。
图1本实用新型的工业电容传感器的电原理图图2双D触发器输出波形图1.脉冲产生电路 2.十分频电路 3.四分频电路 4.开关电路5.电流--电压转换电路 6.差动放大电路 7.补偿和线路增益电路 8.电压--电流转换电路电路中各元件参数值X4MHz晶振U1六反相器CD4069 U2十进制计数/分频CD4017 U3双D触发器CD4013 U4四双向模拟开关CD4017 U5、U6四运放器LM324 S钮子开关R1--710KR8、R95.1K R10--1510k；R16250ΩC1、C20.1μ C3、C44700PF C5、C60.1μ W11K W251K W3600Ω VD1、VD21N4148 T1DA150
权利要求1.采用四相检测技术的杂散免疫工业电容传感器，其特征在于它由脉冲产生电路(1)、十分频电路(2)、四分频电路(3)、开关电路(4)、电流--电压转换电路(5)、差动放大电路(6)、补偿和线路增益调节电路(7)及电压—电流转换电路(8)构成，各电路的组成及连接方式为a、脉冲产生电路(1)由晶振X、六反相器U1组成，六反相器U1中的三个非门首尾串接，其输入端和另一个非门输出端接晶振X，脉中信号送至分频器U2的时钟脉冲输入端CP及转换开关s；b、十分频电路(2)由分频器U2和转换开关s组成，分频器U2的使能控制端CPE和复位端R接地，进位输出端CO接转换天关s的另一端；s的输出端接双D触发器U3A和U3B的时钟脉冲输入端CP；c、四分频电路(3)由两个D触发器U3A和U3B组成，D触发器的信号输入端D分别接至另一D触发器的输出端Q和Q，复位端R和置位端s接地，输出端Q和Q输出的脉冲V01-V04送至开关电路U4的控制端；d、开关电路(4)由四双向模拟开关U4、被测电容Cx组成，流经被测电容Cx的电流分别经U4的sw3s和w4与接至运算放大器1和运算放大器2的反相输入端；e、电流--电压转换电路(5)由运算放大器1、运算放大器2、电阻R1、R2、电容器C1-C4组成，运放1和运放2的同相输入端接地，运放1和运放2的输出端分别经电阻R3、R4的差动运放电路中运放3的反相和同相输入端相连；f、差动放大电路(6)由运放3、电阻R3-R6组成，运放3的输出端经电阻R7与运放4的反相输入端相连；g、补偿和线路增益调节电路(7)由运放4、电阻R8-R10及可变电阻W1、W2组成，补偿调节电路接至+15V和-15V之间，其输出端经电阻R10接运放4的反相输入端，运放4的输出端经电阻R1接运放U6反相输入端。h.电压--电流转换电路(8)由运算放大器U6，三极管T1，电阻R11-R16，可变电阻W3及二级管VD1、VDz组成，运放U6的同相输入端通过电阻R12接地，并通过电阻R15接电流输出端；U6的输出信号经电阻R14至三极管T1的基极，T1的发射极经电阻R16至电流输出端，并经电阻R13和可变电阻W3反馈至U6的反相输入端；电流输出端输出4--20mA电流。
专利摘要本实用新型属一种工业电容传感器。它主要由脉冲产生电路、十分频电路、四分频电路、开关电路、电流－电压转换电路、差动放大电路、补偿和线路增益调节电路及电压－电流转换电路组成。其关键在于,本实用新型的电路采用四相检测技术,优点是结构简单、成本低,具有杂散免疫功能,能精确识别小到1PF的电容,分辨率达近0.001PF,灵敏度高。
文档编号G01R27/26GK2406254SQ9923805
公开日2000年11月15日 申请日期1999年7月7日 优先权日1999年7月7日
发明者杨三序, 杨五强 申请人:杨三序