电容传感器的模拟装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及电容传感器技术领域，特别涉及一种电容传感器的模拟装置。
【背景技术】
[0002]用电测法测量非电学量时，首先必须将被测的非电学量转换为电学量而后进行显示或者记录。根据不同非电学量的特点设计成的有关转换装置被称为传感器，而将被测的力学量(例如位移、力、速度等)转换成电容变化的传感器被称为电容传感器。电容传感器具有结构简单、灵敏度高、动态响应快、易实现非接触测量等特点，可用于激光法、超声波法等测量手段所不能完成的许多场合。从能量转换的角度而言，电容传感器为无源传感器，因而需要借助激励源和检测电路将电容传感器的电容变化量转换为输出电压的电压变化量。
[0003]图1是常见的一种电容传感器的检测系统的结构示意图，所述检测系统包括激励源U10、电容传感器组10、切换开关KlO以及检测电路，其中，所述电容传感器组包括多个分布在待测位置处的电容传感器，所述检测电路包括运算放大器A10、反馈电容ClO以及输入电阻R10。所述检测系统中各器件之间的具体连接关系如图1所示，在此不再赘述。进行力学量检测时，由所述激励源UlO提供激励信号。通过改变所述切换开关KlO连接的电容传感器，所述检测电路依次将各个电容传感器的电容变化量转换为输出电压Vout的电压变化量。由于待测力学量和所述输出电压Vout之间的对应关系是已知的，根据所述输出电压Vout的电压值可以获得待测力学量。
[0004]电容传感器的等效电容不同，对所述检测电路的影响也不一样，因而需要对电容传感器进行模拟。现有技术中通过所述检测电路外接可调的精密电容来模拟电容传感器工作，然而由于可调的精密电容的电容值很小(通常为皮法级)，模拟结果易受线路的分布电容影响和外部条件干扰，且可调的精密电容的电容值变化范围小，在模拟过程中依靠手动调节改变可调的精密电容的电容值，上述各种因素导致模拟结果的精度很低。并且，可调的精密电容成本也高。
【实用新型内容】
[0005]本实用新型所要解决的是采用可调的精密电容模拟电容传感器成本高、模拟结果精度低的问题。
[0006]为解决上述问题，本实用新型提供一种电容传感器的模拟装置，包括主控制器和至少一个电容模拟器；所述主控制器与上位机连接，适于将用户通过上位机设置的仿真电容值转发至所述电容模拟器；所述电容模拟器与所述主控制器连接，适于根据激励信号和所述仿真电容值产生仿真信号，所述仿真信号的频率与所述激励信号的频率相同，所述仿真信号的幅度为VinX (Cs + Cr)，其中，Cs为所述仿真电容值，Vin为所述激励信号的幅度，Cr为预设的参考电容值。本实用新型实施例提供的电容传感器的模拟装置，基于电压的变化对应电容的变化关系，使用电子技术模拟与实际物理电容等效的变化规律，将电容变化量转换为电压变化量。用户通过上位机设置不同的仿真电容值，可以连续模拟宽范围的电容变化。模拟装置中仿真电容值的变化响应速度快、电容值稳定，电容的分辨率可以达到lpF，提高了模拟结果精度，降低了对电容传感器进行模拟的成本。
[0007]可选的，所述电容模拟器包括从控制器、至少一个模拟输入通道以及至少一个模拟输出通道；所述模拟输入通道与激励源连接，适于对所述激励信号进行模数转换处理以获得第一数字信号；所述从控制器与所述模拟输入通道和所述主控制器连接，适于对所述第一数字信号和所述仿真电容值进行数字乘法处理以获得第二数字信号；所述模拟输出通道与所述从控制器连接适于对所述第二数字信号进行信号输出调理适配以获得所述仿真信号。
[0008]可选的，所述模拟输入通道包括模数转换器。
[0009]可选的，所述模拟输出通道包括数模转换器、带通滤波器、输出接口电路以及参考电容，所述参考电容适于提供所述参考电容值；所述数模转换器与所述从控制器连接，适于对所述第二数字信号进行数模转换处理以获得第一模拟信号；所述带通滤波器与所述数模转换器连接，适于对所述第一模拟信号进行带通滤波处理以获得第二模拟信号；所述输出接口电路与所述带通滤波器连接，适于对所述第二模拟信号进行放大以及驱动能力增强处理以获得第三模拟信号；所述参考电容的一端适于接收所述第三模拟信号，所述参考电容的另一端适于输出所述仿真信号。
[0010]可选的，所述输出接口电路包括运算放大器、相位补偿电容、第一电阻以及第二电阻；所述运算放大器的同相输入端适于接收所述第二模拟信号，所述运算放大器的反相输入端连接所述相位补偿电容的一端和所述第一电阻的一端，所述运算放大器的输出端连接所述相位补偿电容的另一端和所述第二电阻的一端，所述第一电阻的另一端连接所述第二电阻的另一端并适于输出所述第三模拟信号。通过设置所述输出接口电路，可以提高线路的驱动能力，适应不同负载需求。
[0011]可选的，所述参考电容为聚苯乙烯薄膜电容。
[0012]可选的，所述主控制器通过USB接口与上位机连接。
[0013]与现有技术相比，本实用新型具有以下优点:
[0014]本实用新型提供的电容传感器的模拟装置，使用电子技术模拟与实际物理电容等效的变化规律，可以与自动测试系统融合，提高了线路的驱动能力，测试信号不易受到外部信号干扰，稳定性和仿真结果精度高。使用先进的控制技术，使模拟装置可以适应更高要求的电容传感器的模拟测试要求。
【附图说明】
[0015]图1是常见的一种电容传感器的检测系统的结构示意图；
[0016]图2是电容传感器的检测电路图；
[0017]图3是图2所示检测电路的一种等效电路图；
[0018]图4是图2所示检测电路的另一种等效电路图；
[0019]图5是本实用新型实施例的电容传感器的模拟装置的结构示意图；
[0020]图6是本实用新型实施例的模拟输出通道的结构示意图；
[0021]图7是本实用新型实施例的输出接口电路的电路图。
【具体实施方式】
[0022]图2是电容传感器的检测电路图。激励源U20施加在电容传感器上，提供幅度为Vin的激励信号，由运算放大器A20、反馈电容C20以及输入电阻R20组成的检测电路检测电容传感器的电容C21变化，产生幅度为Vout的输出信号。输出信号的幅度Vout和激励信号的幅度Vin之间的关系可以表示为:
[0023]Vout=-VinX (C21 + C20)......等式(I)
[0024]由于激励信号的幅度Vin和电容传感器的电容C21均为变量，二者中任意一个发生变化均会引起输出信号的幅度Vout变化。
[0025]将激励信号的幅度Vin看作常量、电容传感器的电容C21看作变量，图3是图2所示检测电路的一种等效电路图，图中各个关系表示为:
[0026]Δ Vout=-Vin X ( Δ Ci + C20 )......等式(2 )
[0027]其中，AVout为输出信号的幅度变化量，ACi为电容变化量。将激励信号的幅度Vin看作变量、电容传感器的电容C21看作常量，图4是图2所示检测电路的另一种等效电路图，图中各个关系表示为:
[0028]Δ Vout=- AViX (Cin +C20)......等式(3)
[0029]其中，AVi为激励信号的幅度变化量，Cin为固定电容。
[0030]由以上对图3和图4的分析可以得出:要使图4可以替代图3的功能，也就是等式
(2)和等式(3)中的AVout相等，符合以下等式即可:
[0031]VinX ACi=AViXCin......等式(4)
[0032]则在图4中电容模拟器的输出可以模拟电容传感器的电容的变化对电信号的影响。由等式(4)推导得到:
[0033]AVi= VinX (ACi + Cin)......等式(5)
[0034]等式(5)反映出了电压的变化对应电容的变化关系，即将电容变化量转换成了电压变化量。基于等式(5)，本实用新型实施例提供一种图5所示的电容传感器的模拟装置，所述电容传感器的模拟装置包括主控制器51和至少一个电容模拟器。在本实施例中，以包括电容模拟器52和电容模拟器53为例进行说明。
[0035]具体地，所述主控制器51适于控制各个电容模拟器与上位机50进行通信，将用户通过所述上位机50设置的仿真电容值转发至各个电容模拟器。进一步，所述主控制器51通过USB接口与所述上位机50连接，所述上位机50为计算机，用户可以通过键盘或者触摸屏输入仿真电容值。所述主控制器51可以为单片机或者FPGA，用于直