专利名称：一种差容式微振动传感器接口电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种差容式微振动传感器接口电路，属于微弱信号检测技术领域。
背景技术：
振动传感器在海陆空天飞行器的惯性导航，对地观测，深空探测，以及高技术武器的精确制导中一直发挥着重要作用，在新一代的航天型号任务中，对高精度高可靠的微振动传感器有着迫切的需求。电容式振动传感器因其在测量精度，温度特性，低功耗，宽动态响应范围及结构简单等特点，近年来格外受到重视，尤其在μ g级高精度微振动应用领域，更是得到广泛的应用。电容式传感器的敏感信号是电容，其原理一般是由敏感质量块和衬底之间形成一个平行板电容器，当被测基体发生振动时，敏感质量块与传感器壳体会产生一个相对位移，引起敏感电容两极板的正对面积或间距发生变化，从而导致电容值发生变化，通过接口电路检测电容变化并向外界输出敏感轴方向上的振动信号的模拟或数字信号。对于差容式微振动传感器，其接口电路必须有足够高的灵敏度和稳定性以检测微小电容的变化，同时必须具备良好灵活性，可以微振动传感器普遍存在的零偏，正负灵敏度不对称，温漂等问题进行电路补偿。目前公开的大部分差分电容检测方面的专利，如专利号为 200710139662. 7，200810055943. 9，200910072974. X 和 201010512682. 6 等专利，均不能同时满足精度、稳定性和灵活性的要求，难以应用在精度和可靠性要求很高的军用微振动传感器的差分电容检测。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种差容式微振动传感器的接口电路，该电路具有很高的检测精度，而且电路原理简单，稳定性好，灵活性好，成本低廉， 可以应用于高可靠性要求的军用高精度微振动传感器的差分电容检测。本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的—种差容式微振动传感器接口电路，包括电源稳压电路、方波激励电路、C-V转换电路、放大滤波电路和微振动传感器敏感元件，其中电源稳压电路将外部电源输入的Vin转换成稳定的正电源Vp，分别给方波激励电路、C-V转换电路、放大滤波电路和微振动传感器敏感元件供电，同时接收方波激励电路产生的方波激励信号，产生负电源\为放大滤波电路供电，实现双电源供电；方波激励电路产生方波激励信号分别输出给电源稳压电路和C-V转换电路；C-V转换电路接收方波激励电路输入的方波激励信号和微振动传感器敏感元件输入的差分电容信号，将所述方波激励信号分成两路同源方波信号分别加载到微振动传感器敏感元件的上固定极板和下固定极板上，对敏感电容Csl和Cs2进行充放电，微振动传感器敏感元件的中间移动极板与C-V转换电路共地连接；将所述差分电容信号转换成单电压信号Vsmse输出给放大滤波电路，并通过匹配电阻Rvl、Rv2和电容Cn3、Cfl、Cf2，对微振动传感器敏感元件的正负灵敏度进行调整；放大滤波电路接收C-V转换电路输入的电压信号Vsmse,并对输入的电压信号 Vsense进行放大、滤波处理，并输出电压v。ut，同时对微振动传感器敏感元件的正零偏和负零偏进行补偿；微振动传感器敏感元件将被测物体的振动信号转换成差分电容信号并输出给 C-V转换电路。在上述差容式微振动传感器接口电路中，电源稳压电路采用由两个二极管D6和 D7，两个电容C4和C5组成的电路产生负电源Vn，其中电容C4的一端接方波激励电路产生的方波激励信号，另一端与二极管D6的负端和D7的正端连接在一起，电容C5的一端和D7的负端同时接地，电容C5的另一端和二极管D6的正端连接。在上述差容式微振动传感器接口电路中，C-V转换电路接收的差分电容信号经过由二极管Di、D2、D3和D4,电容Cfl、Cf2和Cn3，电阻Rvi和Rv2形成的环形网络线性转换成单电压信号Vsmse,其中二极管D1的负端和二极管&的正端与上固定极板连接，电容Cfl的两端分别连接二极管D1的正端和二极管&的负端，其中与二极管D1正端连接的一端接地；二极管 D3的负端和二极管D4的正端通过电容Cn3与下固定极板连接，电容Cf2的两端分别连接二极管D3的正端和二极管D4的负端，其中与二极管D3正端连接的一端接地；电阻Rvi的一端连接电容Cfl和二极管D2的负端，另一端与电阻Rv2的一端形成公共端输出单电压信号V— 电阻Rv2的另一端则连接电容Cf2和二极管D3的正端。在上述差容式微振动传感器接口电路中，放大滤波电路由集成双运放U3a和U3b，电阻& I^12，电容C7 Cltl组成，其中集成双运放U3a和U3b的正负电源分别由电源稳压电路输出电压的Vp和Vn供电；C-V转换电路的输出电压Vsense经电阻&后接入到U3a的反相端， U3a的同相端接地，U3a的反相端与U3a的输出端通过电阻&和电容C8并联支路连接；U3a的输出端经过由电阻&和电容C7构成的RC低通滤波电路后，接入到U3b的反相端，U3b的反相端通过电容C7接地，的同相端接地，^的反相端与U3b的输出端通过电阻&和电容C9并联支路连接，的输出端经过由电阻R7和电容Cltl构成的第二级滤波电路后输出电压V。ut ； 电阻Rltl, R11和R12构成T型电阻网络，电阻R11的一端接正电源Vp，电阻R12的一端接地，电阻1^的一端接到U3a的反向端或U3b的反向端，分别对微振动传感器的正零偏和负零偏进行补偿。在上述差容式微振动传感器接口电路中，方波激励电路采用RC晶振芯片U2，所述 RC晶振芯片U2的Cs使能端通过上拉电阻R4接正电源VP，RC晶振芯片U2的输出端5脚通过反馈电阻R3与RC晶振芯片U2的反馈端1脚连接，RC晶振芯片U2的反馈端1脚通过电解电容C6接地。在上述差容式微振动传感器接口电路中，RC晶振芯片U2的输出频率由反馈电阻民
和电解电容C6决定，其计算公式如下 _8] / = ㈣其中Ii1为频率系数。本发明与现有技术相比具有如下有益效果①本发明对电容检测接口电路的电源部分进行了创新性的设计，整个电路只需外部单电源输入，采用直流电源调节芯片输出稳定的正电源Vp，内部利用二极管和电容的简单组合方式，无需采用额外的电源芯片，便可实现对内部器件进行正负双电源供电，简化了电路设计，降低了功耗需求，可靠性高；②本发明采用方波信号对敏感电容进行激励，采用RC晶振芯片输出稳定性好，温漂系数低的方波信号，方波信号的输出频率由外接电阻R3和电容C6决定，根据被测传感器的不同可以灵活调整；③本发明采用由二极管、电阻和电容等简单器件组成的电路进行C-V转换，将方波信号分成两路同源激励信号分别加载到微振动传感器敏感元件的上下固定极板上，对两个敏感电容Csl和Cs2进行充放电，有效的消除了传统双源信号激励方式存在的电源波动对测量精度的影响，提高了检测精度，C-V转换电路与微振动传感器的中间极板共地连接，有效提高了电路的抗干扰能力；④本发明C-V转换电路原理简单灵活，可以通过匹配电阻Rvl，Rv2和电容Cn3，对微振动传感器的正负灵敏度进行调整；⑤本发明中采用集成双运放实现对微弱信号的两级放大滤波，通过匹配电阻R11 和R12可以对微振动传感器的零偏和温漂进行补偿；⑥本发明中采用的器件和芯片功能简单，成本低廉，高等级芯片的可获得性好，适用于军用微振动传感器的差分电容检测。
图1为本发明差容式微振动传感器接口电路的原理框图2为本发明电源稳压电路原理图3为本发明方波激励电路原理图4为本发明C-V转换电路原理图5为本发明放大滤波电路原理图6为本发明接口电路差分电容输入与电压输出的变化曲线图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的实施例给出了详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。如图1所示为本发明差容式微振动传感器接口电路的原理框图，由图可知该接口电路电源稳压电路、方波激励电路、C-V转换电路、放大滤波电路和微振动传感器敏感元件， 其中电源稳压电路将外部电源输入的Vin转换成稳定的正电源Vp，分别给方波激励电路、 C-V转换电路、放大滤波电路和微振动传感器敏感元件供电，同时接收方波激励电路产生的方波激励信号，产生负电源Vn为放大滤波电路供电，实现双电源供电；方波激励电路产生方波激励信号分别输出给电源稳压电路和C-V转换电路。C-V转换电路接收方波激励电路输入的方波激励信号，将方波激励信号分成两路同源方波信号分别加载到微振动传感器敏感元件的上固定极板7和下固定极板8上，对敏感电容Csl和Cs2进行充放电，微振动传感器敏感元件的中间移动极板6与C-V转换电路共地连接；接收微振动传感器敏感元件输入的差分电容信号，将差分电容信号转换成单电压信号输出给放大滤波电路，并通过匹配电阻Rvl、Rv2和电容Cn3、Cfl、Cf2，对微振动传感器敏感元件的正负灵敏度进行调整。放大滤波电路接收C-V转换电路输入的电压信号Vsmse，并对输入的电压信号Vsmse 进行放大、滤波处理，并输出电压V。ut，同时对微振动传感器敏感元件的正零偏和负零偏进行补偿。微振动传感器敏感元件将被测物体的振动信号转换成差分电容信号并输出给C-V 转换电路。如图2所示为本发明电源稳压电路的原理图，本发明中采用单电源供电，内部采用直流电源调节芯片输出稳定的正电源Vp，本实施例中电源调节芯片U1采用Micrel公司的直流电源调节芯片MIC2951，外部单电源输入\ 接仏的输入端，仏输出端V-通过电阻 R1连接U1的反馈端FBj1的反馈端FB通过电阻&接地。U1输出端V。ut的输出电压Vp与电阻队和电阻&的阻值相关，计算公式如下
权利要求
1.一种差容式微振动传感器接口电路，其特征在于包括电源稳压电路、方波激励电路、C-V转换电路、放大滤波电路和微振动传感器敏感元件，其中电源稳压电路将外部电源输入的Vin转换成稳定的正电源Vp，分别给方波激励电路、 C-V转换电路、放大滤波电路和微振动传感器敏感元件供电，同时接收方波激励电路产生的方波激励信号，产生负电源Vn为放大滤波电路供电，实现双电源供电；方波激励电路产生方波激励信号分别输出给电源稳压电路和C-V转换电路；C-V转换电路接收方波激励电路输入的方波激励信号和微振动传感器敏感元件输入的差分电容信号，将所述方波激励信号分成两路同源方波信号分别加载到微振动传感器敏感元件的上固定极板(7)和下固定极板(8)上，对敏感电容Csl和Cs2进行充放电，微振动传感器敏感元件的中间移动极板(6)与C-V转换电路共地连接；将所述差分电容信号转换成单电压信号Vsmse输出给放大滤波电路，并通过匹配电阻Rvl、Rv2和电容Cn3、Cfl、Cf2，对微振动传感器敏感元件的正负灵敏度进行调整；放大滤波电路接收C-V转换电路输入的电压信号Vsmse,并对输入的电压信号Vsmse进行放大、滤波处理，并输出电压V。ut，同时对微振动传感器敏感元件的正零偏和负零偏进行补偿；微振动传感器敏感元件将被测物体的振动信号转换成差分电容信号并输出给C-V转换电路。
2.根据权利要求1所述的一种差容式微振动传感器接口电路，其特征在于所述电源稳压电路采用由两个二极管D6和D7,两个电容C4和C5组成的电路产生负电源Vn，其中电容 C4的一端接方波激励电路产生的方波激励信号，另一端与二极管D6的负端和D7的正端连接在一起，电容C5的一端和D7的负端同时接地，电容C5的另一端和二极管D6的正端连接。
3.根据权利要求1所述的一种差容式微振动传感器接口电路，其特征在于所述C-V 转换电路接收的差分电容信号经过由二极管Dp D2, D3和D4,电容Cfl、Cf2和Cn3，电阻Rvi和 Rv2形成的环形网络线性转换成单电压信号Vsmse，其中二极管D1的负端和二极管D2的正端与上固定极板(7)连接，电容Cfl的两端分别连接二极管D1的正端和二极管&的负端，其中与二极管D1正端连接的一端接地；二极管D3的负端和二极管D4的正端通过电容Cn3与下固定极板(8)连接，电容Cf2的两端分别连接二极管D3的正端和二极管D4的负端，其中与二极管D3正端连接的一端接地；电阻Rvi的一端连接电容Cfl和二极管D2的负端，另一端与电阻 Rv2的一端形成公共端输出单电压信号V一’电阻Rv2的另一端则连接电容Cf2和二极管D3 的正端。
4.根据权利要求1所述的一种差容式微振动传感器接口电路，其特征在于所述放大滤波电路由集成双运放U3a和U3b，电阻& Ii12，电容C7 Cltl组成，其中集成双运放U3a和 U3B的正负电源分别由电源稳压电路输出电压的Vp和￥ 供电；C-V转换电路的输出电压Vsmse 经电阻&后接入到U3a的反相端，U3a的同相端接地，U3a的反相端与U3a的输出端通过电阻 R8和电容C8并联支路连接；U3a的输出端经过由电阻&和电容C7构成的RC低通滤波电路后，接入到U3b的反相端，U3b的反相端通过电容C7接地，U3b的同相端接地，U3b的反相端与 U3b的输出端通过电阻&和电容C9并联支路连接，U3b的输出端经过由电阻R7和电容Cltl构成的第二级滤波电路后输出电压v。ut ；电阻1^0，R11和R12构成T型电阻网络，电阻R11的一端接正电源\，电阻R12的一端接地，电阻Rltl的一端接到U3a的反向端或U3b的反向端，分别对微振动传感器的正零偏和负零偏进行补偿。
5.根据权利要求1所述的一种差容式微振动传感器接口电路，其特征在于所述方波激励电路采用RC晶振芯片U2，所述RC晶振芯片U2的Cs使能端通过上拉电阻R4接正电源 Vp, RC晶振芯片U2的输出端5脚通过反馈电阻R3与RC晶振芯片U2的反馈端1脚连接，RC 晶振芯片U2的反馈端1脚通过电解电容C6接地。
6.根据权利要求5所述的一种差容式微振动传感器接口电路，其特征在于所述RC晶振芯片U2的输出频率由反馈电阻R3和电解电容C6决定，其计算公式如下f =(Hz)其中&为频率系数。
全文摘要
本发明涉及一种差容式微振动传感器检接口电路，由电源稳压电路、方波激励电路、C-V转换电路、放大滤波电路和微振动传感器敏感元件组成，其中接口电路为单电源供电，内部采用二极管D1，D2和两个电容C4，C5生成负电源给内部器件供电，方波激励信号由RC晶振芯片产生，经过电阻Rs1后，分成两路信号分别经过电容Cn1和Cn2对敏感电容Cs1和Cs2进行充放电，由C-V转换电路将差分电容ΔC线性转换成单电压信号Vsense，再经过放大滤波后输出，本发明原理简单，无大规模集成芯片，成本低廉且易于实现小型化和低功耗；设计灵活，可以分别进行温度补偿，零位调整，正负灵敏度调整等；对差容式微振动传感器产生的微弱信号检测精度高，噪声水平低，稳定性好。
文档编号G01H11/06GK102494759SQ20111045931
公开日2012年6月13日 申请日期2011年12月29日 优先权日2011年12月29日
发明者彭泳卿, 王鲜然, 陈喆, 陈青松 申请人:北京遥测技术研究所