用于油料检测的电容传感器互补激励及线性检测方案的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于油料检测的电容传感器激励及检测电路方案，属于检测【技术领域】。该方案由电容传感器、参比电容、检流电阻、集成运算放大器等部件构成，参比电容的值与电容传感器在未感测油料时的电容值相等；电容传感器与参比电容串联，其公共端与运算放大器的反相输入端相连，两个非公共端分别与幅值相等相位相反的两路交流激励信号相连；检流电阻接在运算放大器的反相输入端和输出端之间，运算放大器的同相输入端接地；运算放大器输出端电压即为幅值与传感器电容变化量成线性关系的检测结果信号。本发明能线性检测电容传感器的电容变化量，电路简单、灵敏度高、稳定性好、动态范围宽、抗干扰能力强，非常适用于油料性能的电容传感检测。
【专利说明】用于油料检测的电容传感器互补激励及线性检测方案
【技术领域】
[0001] 本发明属于检测【技术领域】，特别涉及一种以互补激励方式激励电容传感器并线性 检测传感器电容变化量的检测电路方案。
【背景技术】
[0002] 油料是一种非常复杂的混合物，对其各种参数及性能进行检测是一项极具挑战性 的工作，各种新型传感技术、检测技术等新技术在油料检测中的应用也是油料检测领域的 研究重点。电容传感器是根据外界参量的作用引起传感器电容值的变化来检测外界参量 的，具有结构简单、动态响应快、环境适应能力强、工作可靠性高、具有平均效应等特点。用 电容传感器对油料的相关参量进行检测，具有很多其他检测方法和手段不可比拟的特殊优 势，这使电容传感器在油料检测中的应用越来越受到人们的重视。近年来，在油料的介电性 能、化学组成、种类识别、水分含量、油位高度等参量的检测方面，电容传感器的应用都逐渐 成为人们研究的重要方向。
[0003] 由于油料的特殊性质、以及电容传感器的自身原理特点，将电容传感器用于油料 检测时，相比于其他应用场合，对传感器的激励和检测电路都有更高的要求，这些要求主要 集中在以下几个方面 ：
[0004] 1、要求传感器的交流激励信号幅度尽量大，以便在被测参量一定的情况下，电容 传感器充放电电流的变化量尽量大，从而使传感器的检测灵敏度尽可能高。
[0005] 2、要求交流激励信号的幅度高度稳定，以便保证检测结果的高度稳定性和重复 性。
[0006] 3、由于油料的作用引起传感器电容值的变化量（Λ C)相对于其初始电容值（CK) 通常是很小的，因此希望检测电路的输出信号能直接反应传感器电容值的变化量（△ C)，而 不是传感器的总电容值（CK+△ C)，从而使传感电路具备较强的检测分辨力和较宽的动态检 测范围。
[0007] 4、要求检测电路的输出信号与传感器的电容变化量尽量满足线性关系。
[0008] 5、由于电容传感器的输出阻抗高，驱动负载能力差，因此要求检测电路的输入阻 抗高，输出阻抗低，从而降低检测电路对电容传感器的负载效应，并增强检测电路对后续信 号调理电路的驱动能力。
[0009] 6、电容传感器本身的原理要求其激励和检测电路都应当尽量彻底地排除寄生电 容对传感器的影响，从而增强传感器检测结果的准确性。
[0010]目前比较典型的电容传感器激励及检测方法有谐振测量法、自激振荡测量法、交 流桥式测量法、充放电测量法、双T形交流电桥法、环形二极管充放电法等等，但这些方案 都只能满足上述部分要求，电路结构也比较复杂，将这些方法用于电容传感器的油料检测 时很难获得满意的效果。
[0011] 比如，对于图1和图2这两种常见的交流桥式测量方法，就存在如下缺点：一是 由于两臂中参比电容CK(或取样电阻R)与传感器(^( = CK+AC)的串联分压作用，使传 感器cx本身所承受的真实激励电压比桥路的驱动电压泛小了很多，这降低了测量电路的 检测灵敏度；二是由于激励砍并非直接加到传感器(^的两端，导线电阻、分布参数及干扰 等的影响会导致传感器cx所承受的激励电压不稳定；三是两臂的输出?> σι和1^2的值都比 较大，而其中的有用信号（即由被测参量的作用导致cx变化AC而引起的的变 化量）却非常小，这大大限制了传感器电路的动态检测范围及分辨能力；四是检测电路的 输出"的值都很小（对图对图2: ?〇= Ζ^?ι~ Ζ^?ιΧ jaRC%01，ω为激励信号仏的频率），检测分辨力较低，同时
[^与Λ C之间为非线性关系，线性度差；五是对这两种检测方案，分布电容的存在都会影响 到和&?，从而降低检测结果的稳定性和准确度；六是电路的输出阻抗高，驱动后续调 理电路的能力弱。
[0012] 再如，对于图3所示激励及检测方案，尽管避免了图1和图2两种方 案的多个缺点，但由于有效信号Δ[> σι ( Δ?σι=->Λ ▲0·￡>,)依然只占' ()的很小一部分，而受电源供电的限制不可 能很大，从而使输出信号匕（仏-仏2 · AC · A )仍然很小，这也导致了该 检测方案的动态检测范围很窄、检测灵敏度及分辨力都很低。
[0013] 由上述分析可知，目前常用的电容传感器激励及检测方案满足不了油料检测应用 对其多方面的要求，需要新的激励及检测方案来克服现有缺点。
【发明内容】
[0014] 本发明的目的在于提供一种结构简单的，能满足油料检测应用多方面使用要求、 并克服现有常规方案缺点的电容传感器激励及检测电路方案，从而实现对传感器电容变化 值的高灵敏度、高稳定性、高精确度、大动态范围的线性检测。
[0015] 本发明提出的用于油料检测的电容传感器互补激励及线性检测电路方案如图4 所示，其特征在于：该方案的电路由电容传感器c x、参比电容CK、检流电阻Rs和集成运算放 大器A构成，其中，电容传感器C x和参比电容CK串联后，其公共端与运算放大器A的反相输 入端（_)相连；检流电阻馬接在运算放大器A的反相输入端和输出端之间，使运算放大器A 工作于负反馈状态；运算放大器A的同相输入端（+)接地，使电容传感器心和参比电容CK 的公共端处于虚地状态的零电位。
[0016] 在所述的电容传感器互补激励及线性检测电路方案中，参比电容CK的电容值与电 容传感器c x在不感受被测参量时的初始电容值相等，幅值相等相位相反的两路互补交流激 励信号+[>,和分别接至电容传感器cx和参比电容CK的非公共端，运算放大器A的输出 端电压即为代表传感器电容变化量△(：的检测结果信号。
[0017] 本发明的特点及效果：
[0018] 在本发明提出的电容传感器互补激励及线性检测方案中，由于电容传感器Cx和参 比电容C K的公共端处于虚地状态的零电位，互补的两路激励信号和又分别接在二 者的非公共端，因此二者所承受的激励信号大小都为100%的玟，激励信号幅度得到了最 大化，传感器的检测灵敏度得到了充分的保证。
[0019] 其次，检流电阻Rs直接将流过电容传感器(^和参比电容CK的电流之差转换为输 / · \ 出电压P使P + P 4 =-加(AC为被测参量的作用导致电容传感 U Ο， \^CX ^CR J 器cx在其初始值CK基础上的电容变化量）。由于该检测结果输出信号可覆盖很宽的电 压范围，并且只反映了传感器(^的电容值变化量AC，因此既充分保证了该方案具有极宽的 动态检测范围和极高的检测分辨力，同时也保证了检测结果与传感器电容变化量之间的理 想线性关系。
[0020] 第三，在该方案中，由于电容传感器Cx和参比电容CK的非公共端直接接激励信号 源和，非公共端的分布电容相当于与传感器C x或参比电容CK并联后接至相应激励 源；同时，由于传感器cx和参比电容CK的公共端处于虚地状态的零电位，其公共端的分布电 容相当于被短路至地。因此传感器cx和参比电容CK两端连线的分布电容都不会对其所承 受激励信号的稳定性构成干扰，保证了该方案具有很强的抗干扰能力，很高的检测准确性 和稳定性。
[0021] 第四，由于采用集成运放构成检测电路，因此该方案也具有高输入阻抗和低输出 阻抗的特点。
[0022] 由此可见，本发明能满足油料检测应用对电容传感器激励和检测电路的多方面要 求，能以一种简单经济的方式实现电容传感器电容变化值的高灵敏度、高稳定性、高精确 度、大动态范围的线性检测。
【专利附图】
【附图说明】
[0023] 图1是使用参比电容的电容传感器交流桥式激励和检测方案原理图。
[0024] 图2是使用参比电容和取样电阻的电容传感器交流桥式激励和检测电路原理图。
[0025] 图3是使用参比电容和集成运算放大器的电容传感器充放电检测方案原理图。
[0026] 图4是实现本发明的电路原理图。
[0027] 图5是本发明的实施例图。
【具体实施方式】：
[0028] 下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。
[0029] 本发明提出的用于油料检测的电容传感器互补激励及线性检测方案，其特征在 于：该方案的电路由电容传感器C x、参比电容CK、检流电阻Rs和集成运算放大器A构成，其 中，电容传感器C x和参比电容CK串联后，其公共端与运算放大器A的反相输入端（_)相连； 检流电阻R s接在运算放大器A的反相输入端和输出端之间，使运算放大器A工作于负反馈 状态；运算放大器A的同相输入端（+)接地，使电容传感器(^和参比电容C K的公共端处于 虚地状态的零电位。
[0030] 在所述的电容传感器互补激励及线性检测电路方案中，参比电容CK的电容值与电 容传感器C x在不感受被测参量时的初始电容值相等，幅值相等相位相反的两路互补交流激 励信号+认和分别接至电容传感器c x和参比电容CK的非公共端，运算放大器A的输出 端电压卩为代表传感器电容变化量△(：的检测结果信号。
[0031] 本发明实施例电路如图5所示，各部分的组成说明如下：
[0032] 1.本实施例电路包括互补信号产生电路和本发明所涉及的互补激励线性检测电 路两部分。
[0033] 2.本实施例的互补信号产生电路包含一个电压跟随器和一个电压反相器，用以将 信号源G变为两路互补的激励信号+认和-以。电压跟随器由运算放大器4和电阻Ri、R 2组 成；的一端与信号源泛的输出相连，另一端与运算放大器Ai的同相输入端（+)相连；R2 连接于运算放大器4的反相输入端（-)与输出端之间。电压反相器由运算放大器A2和电 阻R3、R 4组成；R3连接于信号源泛的输出和运算放大器A2的反相输入端（-)之间，R 4连接 于运算放大器A2的反相输入端（-)和输出端之间，A2的同相输入端接地。电阻凡?R 4皆 为精密电阻，且阻值相等，大小可取为10kQ?lOOkQ。运算放大器&和4应选择输入阻 抗高，失调电压小的运算放大器。
[0034] 互补信号产生电路除了可由本实施例中的运算放大器和电阻构成外，还可通过变 压器等其他途径来实现。
[0035] 3、本实施例的互补激励线性检测电路由运算放大器A、检流电阻Rs、参比电容C K、 电容传感器Cx构成。电容传感器Cx和参比电容CK相互串联后接于互补的激励信号+以和 之间，电容传感器Cx和参比电容CK的公共端接于运算放大器A的反相输入端（_)，检流 电阻馬接于运算放大器A的反相输入端（_)和输出端之间，运算放大器A的同相输入端（+) 接地。本实施例中电阻馬为精密固定电阻，但也可以是数字电位器或其他形式的电阻网络。 参比电容(^通常由另一个不感测被测对象的电容传感器&来构成，也可使用其他形式的电 容器来构成。运算放大器A为高输入阻抗，低偏置电流、失调电压的精密运算放大器，其输 出端电压为检测结果输出信号，该信号的幅值与电容传感器的电容变化量成线性关系。
[0036] 本发明能线性检测电容传感器的电容变化量，并且具有电路简单、灵敏度高、稳定 性好、动态范围宽、抗干扰能力强等优点，不但非常适用于油料的电容传感检测，也适用于 电容传感器对其他物质对象的检测。
【权利要求】
1. 一种适用于油料检测过程中以互补激励方式激励电容传感器并线性检测传感器电 容变化量的检测电路方案，其特征在于：该检测方案的基本电路部件包括电容传感器、参比 电容、检流电阻和集成运算放大器，其中，电容传感器与参比电容串联，其公共端与集成运 算放大器的反相输入端相连，检流电阻接在集成运算放大器的反相输入端和输出端之间， 集成运算放大器的同相输入端接地。
2. 权利要求1所述的检测方案，其特征在于，参比电容的电容值与电容传感器在不感 测被测对象时的初始电容值相等。
3. 权利要求1所述的检测方案，其特征在于，串联的电容传感器与参比电容的两个非 公共端分别与幅值相等相位相反的两路互补交流激励信号相连。
4. 权利要求1所述的检测方案，其特征在于，集成运算放大器输出端的电压信号为电 容传感器电容变化量的检测结果输出信号。
【文档编号】G01R27/26GK104062327SQ201410325942
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年7月10日 优先权日:2014年7月10日
【发明者】熊刚 申请人:熊刚