监测电容式传感器电容变化的方法与流程

本发明属于电容式传感器领域，特别涉及监测电容式传感器电容变化的方法。

背景技术：

电容式传感器是将被测物理量转换成为电容量变化的一种转换装置，由于具有结构简单、耐高温、耐辐射、分辨率高、动态响应特性好等优点，因而广泛用于液位、厚度、压力、位移、加速度、振动等测量中。

电容式传感器的使用，离不开监测其电容变化的电路及方法。现有技术中，已有监测(或检测)电容式传感器电容变化的专用芯片，如：pcap01、ad7745、ad7746、fdc1004等。但由此类专用芯片构成监测电容式传感器电容变化的器件或装置的制作成本或购置成本很高，例如，应用广泛的电容式接近开关就是一种基于电容式传感器原理来监测运动物体位置变化的器件，由于成本问题，目前的电容式接近开关一般采用分离元件构成的振荡电路来监测传感器的电容变化，基于这种电路的电容式接近开关的售价比一个专用电容检测芯片还要低，但这类电容式接近开关的灵敏度与被监测对象的材质相关，因此给其应用带来不便。

cn201720584516.4公开了监测电导率不为零的液体液位高度的电容式液位检测电路，该电路包括单片机、运算放大器、第一模拟开关、第二模拟开关和容量已知的标准电容。该电路与电容式液位传感器配合使用，虽然有效消除了被监测液位高度的电导率不为零的液体的等效阻抗不确定性对液位高度监测结果造成的不良影响，大幅度提高了液位高度的监测精度，在智米加湿器的水位监测中成功获得了应用，且成本与专用芯片相比降低，但其电路结构中的器件仍较多，对运放和模拟开关的性能要求较高，这些不仅影响制作成本，而且影响了监测精度的一致性及稳定性。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供电路结构更为简化的监测电容式传感器电容变化的方法，以进一步提高性能、降低成本，拓展应用范围。

本发明所述监测电容式传感器电容变化的方法，使用的监测电路主要由带有ad/io多功能口的单片机和容量已知的标准电容cs组成，容量已知的标准电容cs的一端与所述单片机的一个ad/io口连接，容量已知的标准电容cs的另一端与所述单片机的一个io口或另一个ad/io口连接。

本发明所述监测电容式传感器电容变化的方法，原理如下：首先利用监测电路中单片机与标准电容cs和电容式传感器中的被监测电容cx连接的端口状态的变化对所述被监测电容cx充电，并设充电完成后被监测电容cx两端的电压vcx＝vcc，然后再通过监测电路中单片机与标准电容cs和电容式传感器中的被监测电容cx连接的端口状态的变化使cx中通过充电而获取的电荷q＝vcc×cx向所述标准电容cs转移，经过时间δt后两个电容上的电压相等(即达到平衡状态)，将达到平衡状态后的cs或cx两端的电压记为vcs，则vcs与所述电荷q之间的关系为：

vcs＝q/(cs+cx)＝vcc×cx/(cs+cx)

由上式可得：

本发明所述监测电容式传感器电容变化的方法适用于各类电容式传感器，下面以图5所示的本发明使用的监测电路与监测电导率不为零的液体的液位高度的电容式液位传感器的等效电路进行说明。实际上，电容式液位传感器中的电容是由两个导电极板及夹在两个导电极板之间的介质构成的，等效电路中的被监测电容cx是随液位高度变化的电容。在用于检测液位高度变化的电容式液位传感器的内部，第一电极4-1与被监测电容cx的一个金属极板连接，构成被监测电容cx的介质包裹在这个金属极板上，第二电极4-2与一个金属导体连接，当电容式液位传感器插入被监测的液体后，作为被监测电容cx的介质的外表面被电导率不为零的液体包围，包围在被监测电容cx介质外表面的液体构成被监测电容cx的另一个极板，浸没在液体中的与第二电极4-2连接的金属导体与被监测的液体(即cx的另一个极板)连接，rx是包围在被监测电容cx介质外表面的液体到与第二电极4-2连接的金属导体之间的等效电阻。rx的值与液体介质的成分、温度等参数相关，具有不确定性，它影响监测过程中对被监测电容cx的充放电及电荷转移达到平衡状态所需的时间δt，但它不影响本发明所述方法的监测精度，当rx＝0时，图5中的传感器就成了广义的电容式传感器，所以，本发明所述监测电容式传感器电容变化的方法适用于各类电容式传感器。

本发明所述监测电容式传感器电容变化的方法，在监测电容式传感器的电容变化时，电容式传感器与所述监测电路的连接有以下三种方式：

第一种方式，将电容式传感器的第一电极与所述监测电路中标准电容cs与单片机的ad/io口连接的接点连接，将电容式传感器的第二电极与所述监测电路中单片机的接地的接点连接。

第二种方式，将电容式传感器的第一电极与所述监测电路中标准电容cs与单片机的ad/io口连接的接点连接，将电容式传感器的第二电极与所述监测电路中单片机的接电源的接点连接。

第三种方式，将电容式传感器的第一电极与所述监测电路中标准电容cs与单片机的ad/io口连接的接点连接，将电容式传感器的第二电极与所述监测电路中单片机未被使用的io口或ad/io口连接。

基于不同的连接方式，监测电容式传感器电容变化的操作步骤不同。

1、当电容式传感器与所述监测电路的连接为第一种方式时，监测电容式传感器电容变化的操作步骤为：

①将监测电路中的单片机与标准电容cs两端相连的两个端口设置为输出口，并将它们同时置为高电平vcc，该操作强制标准电容cs两端等电位使标准电容cs中的电荷为零同时使与单片机的ad/io口连接的电容式传感器的第一电极为高电平vcc，进而通过第一电极向电容式传感器中的被监测电容cx充电，当被监测电容cx两端的电压vcx被充电到vcx＝vcc后，被监测电容cx被注入的电荷量为q＝vcc×cx；

②将监测电路中的单片机与标准电容cs和电容式传感器的第一电极连接的ad/io口设置成ad口，同时将单片机与标准电容cs另一端连接的呈输出状态的io口或ad/io口置为低电平0，该操作使监测电路中的标准电容cs与电容式传感器的第一电极、第二电极呈并联状态且使标准电容cs跨接到单片机的ad口与地之间，使被监测电容cx在上一操作步骤中获取的电荷q向监测电路中的标准电容cs转移；

③电容式传感器中的被监测电容cx向监测电路中的标准电容cs转移的电荷达到平衡状态后，启动监测电路中单片机的ad转换功能，测得所述ad口的电压vad，由于步骤②的操作使标准电容cs跨接在单片机的ad口和地之间，则标准电容cs两端的电压vcs＝vad，将vcs代入下式

即可得到被监测电容cx的值。

2、当电容式传感器与所述监测电路的连接为第二种方式时，监测电容式传感器电容变化的操作步骤为：

①将监测电路中的单片机与标准电容cs两端相连的两个端口设置为输出口，并将它们同时置为低电平0，该操作强制标准电容cs两端等电位使标准电容cs中的电荷为零同时使与单片机的ad/io口连接的电容式传感器的第一电极为低电平0，进而通过与单片机的接电源的接点连接的电容式传感器的第二电极向电容式传感器中的被监测电容cx充电，当被监测电容cx两端的电压vcx被充电到vcx＝vcc后，被监测电容cx被注入的电荷量为q＝vcc×cx；

②将监测电路中的单片机与标准电容cs和电容式传感器的第一电极相连的ad/io口设置成ad口，同时将监测电路中单片机与标准电容cs另一端连接的呈输出状态的io口或ad/io口置为高电平vcc，该操作使监测电路中的标准电容cs与电容式传感器的第一电极、第二电极呈并联状态且使标准电容cs跨接到单片机的电源与ad口之间，使被监测电容cx在上一操作步骤中获取的电荷q向监测电路中的标准电容cs转移；

③当电容式传感器中的被监测电容cx向监测电路中的标准电容cs转移的电荷达到平衡状态后，启动监测电路中单片机的ad转换功能，测得ad端口的电压vad，由于步骤②的操作使标准电容cs跨接在单片机的电源与ad口之间，则标准电容cs两端的电压vcs＝vcc-vad，将vcs代入下式

即可得到被监测电容cx的值。

3、当电容式传感器与所述监测电路的连接为第三种方式时，监测电容式传感器电容变化的操作步骤为：

①将监测电路中单片机与电容式传感器的第二电极连接的io口或ad/io口设置成输出口并置成低电平0；

②将监测电路中的单片机与标准电容cs两端相连的两个端口设置为输出口，并将它们同时置为高电平vcc，该操作强制标准电容cs两端等电位使标准电容cs中的电荷为零同时使与单片机的ad/io口连接的电容式传感器的第一电极为高电平vcc，进而通过第一电极向电容式传感器中的被监测电容cx充电，当被监测电容cx两端的电压vcx被充电到vcx＝vcc后，被监测电容cx被注入的电荷量为q＝vcc×cx；

③将监测电路中的单片机与标准电容cs和电容式传感器的第一电极连接的ad/io口设置成ad口，同时将单片机与标准电容cs另一端连接的呈输出状态的io口或ad/io口置为低电平0，该操作使监测电路中的标准电容cs与电容式传感器的第一电极、第二电极呈并联状态且使标准电容cs跨接到单片机的ad口与地之间，使被监测电容cx在上一操作步骤中获取的电荷q向监测电路中的标准电容cs转移；

④电容式传感器中的被监测电容cx向监测电路中的标准电容cs转移的电荷达到平衡状态后，启动监测电路中单片机的ad转换功能，测得所述ad口的电压vad，由于步骤③的操作使标准电容cs跨接在单片机的ad口和地之间，则标准电容cs两端的电压vcs＝vad，将vcs代入下式

即可得到被监测电容cx的值；

或者监测电容式传感器电容变化的操作步骤为：

①将监测电路中单片机与电容式传感器的第二电极连接的io口或ad/io口设置成输出口并置成高电平vcc；

②将监测电路中的单片机与标准电容cs两端相连的两个端口设置为输出口，并将它们同时置为低电平0，该操作强制标准电容cs两端等电位使标准电容cs中的电荷为零同时使与单片机的ad/io口连接的电容式传感器的第一电极为低电平0，进而通过与单片机的被置为高电平的io口或ad/io口连接的电容式传感器的第二电极向电容式传感器中的被监测电容cx充电，当被监测电容cx两端的电压vcx被充电到vcx＝vcc后，被监测电容cx被注入的电荷量为q＝vcc×cx；

③将监测电路中的单片机与标准电容cs和电容式传感器的第一电极相连的ad/io口设置成ad口，同时将监测电路中单片机与标准电容cs另一端连接的呈输出状态的io口或ad/io口置为高电平vcc，该操作使监测电路中的标准电容cs与电容式传感器的第一电极、第二电极呈并联状态且使标准电容cs跨接到单片机的电源与ad口之间，使被监测电容cx在上一操作步骤中获取的电荷q向监测电路中的标准电容cs转移；

④当电容式传感器中的被监测电容cx向监测电路中的标准电容cs转移的电荷达到平衡状态后，启动监测电路中单片机的ad转换功能，测得ad端口的电压vad，由于步骤③的操作使标准电容cs跨接在单片机的电源与ad口之间，则标准电容cs两端的电压vcs＝vcc-vad，将vcs代入下式

即可得到被监测电容cx的值。

当所述监测电路如图1所示，由带有ad/io多功能口的单片机和容量已知的标准电容cs组成时，如果需要监测电容式传感器电容变化的装置的主板或其它功能板的单片机带有ad/io多功能口，可将所述标准电容cs的两端按图1所述方式与需要监测电容式传感器电容变化的装置的主板或其它功能板的单片机连接，即以需要监测电容式传感器电容变化的装置的主板或其它功能板的单片机代替图1中的带有ad/io多功能口的单片机，使监测电路的成本进一步降低。

本发明所述监测电容式传感器电容变化的方法，使用的监测电路还包括第一连接器，所述第一连接器通过所含的第一接点与容量已知的标准电容cs连接单片机ad/io口的一端连接，通过所含的第二接点与单片机接地的接点连接，或者通过所含的第二接点与单片机的接电源的接点连接，或者通过所含的第二接点与单片机未被使用的io口或ad/io口连接；监测电容式传感器的电容变化时，将电容式传感器的第一电极与第一连接器中的第一接点连接，将电容式传感器的第二电极与第一连接器中的第二接点连接。

本发明所述监测电容式传感器电容变化的方法，使用的监测电路还包括第一连接器和第二连接器，即由带有ad/io多功能口的单片机、容量已知的标准电容cs、第一连接器和第二连接器构成监测电路模块(如图2、图3、图4所示)；所述第一连接器通过所含的第一接点与容量已知的标准电容cs连接单片机ad/io口的一端连接，通过所含的第二接点与单片机接地的接点连接，或者通过所含的第二接点与单片机的接电源的接点连接，或者通过所含的第二接点与单片机未被使用的io口或ad/io口连接；所述第二连接器通过所含的第一接点、第二接点、第三接点、第四接点、第五接点分别与单片机的电源、通讯发送口、通讯接收口、复位口及接地的接点连接；监测电容式传感器的电容变化时，将电容式传感器的第一电极与第一连接器中的第一接点连接，将电容式传感器的第二电极与第一连接器中的第二接点连接。

本发明所述监测电容式传感器电容变化的方法，具有以下有益效果：

1、与cn201720584516.4提供的电容式液位检测电路相比，本发明所述方法在确保对电容变化的监测精度的前提下大大简化了电路结构、降低了成本，提高了稳定性。如果需要监测电容式传感器电容变化的装置的主板或其它功能板的单片机带有ad/io多功能口，可以用需要监测电容式传感器电容变化的装置的主板或其它功能板的单片机代替监测电路中的带有ad/io多功能口的单片机，使监测电路的成本进一步降低。

2、本发明所述方法，适用于各类电容式传感器中电容变化的监测，不仅可用于液位监测，还可用于位置、位移、厚度、压力等物理量或参数的监测。在大多数应用中，与目前的专用芯片相比，成本会降低几倍乃至几十倍。以业内广泛应用的接近开关为例，为降低成本，目前的电容式接近开关的检测电容变化的电路一般采用分立元件构成的振荡电路来实现，整个接近开关的市场售价远低于一个专用的电容检测芯片的价格。这种接近开关的缺点是，当灵敏度调整固定后，感知不同材料的被监测对象的位置(或距离)的差异很大，而基于本发明提供的监测电路具有智能监测功能，可以用电容变化过程中出现的电容最大值来对应被监测对象的位置，使定位精度与被监测对象的材质无关，其定位精度远高于采用分离元件构成的接近开关，而其成本却与现有的电容式接近开关的监测电路的成本相当。

附图说明

图1是本发明所述监测电容式传感器电容变化的方法使用的监测电路的第一种结构示意图；

图2是本发明所述监测电容式传感器电容变化的方法使用的监测电路的第二种结构示意图；

图3是本发明所述监测电容式传感器电容变化的方法使用的监测电路的三种结构示意图；

图4是本发明所述监测电容式传感器电容变化的方法使用的监测电路的第四种结构示意图；

图5是构建本发明所述监测电容式传感器电容变化的方法的原理示意图；

图6是使用本发明所述方法监测电导率不为零的液体液位高度的电路示意图；

图7是使用本发明所述方法监测物体位置的电容式接近开关的电路示意图；

图8是电容式接近开关的机械结构示意图及电容式接近开关与被测物体的相对位置示意图。

图中，1—带有ad/io多功能口的单片机，2—第一连接器，2-1—第一连接器的第一接点，2-2—第一连接器的第二接点，3—第二连接器，3-1—第二连接器的第一接点，3-2—第二连接器的第二接点，3-3—第二连接器的第三接点，3-4—第二连接器的第四接点，3-5—第二连接器的第五接点，4—电容式传感器，4-1—电容式传感器的第一电极，4-2—电容式传感器的第二电极，5—加湿器主控板的连接器，6—接近开关，6-1—电路板，6-2—金属屏蔽外壳，6-3—金属片，7—被测物体。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明所述监测电容式传感器电容变化的方法作进一步说明。

下述实施例中，单片机、第一连接器和第二连接器均可通过市场购买。

实施例1

本实施例实时监测加湿器的水位高度变化，使用由带有ad/io多功能口的单片机1、容量已知的标准电容cs、第一连接器2和第二连接器3组成的监测电路模块，如图6所示；单片机1的型号为n76e003，单片机的p1.1口为ad/io多功能口、p1.2口为输入输出io口，标准电容cs为容量100p的npo电容，第一连接器2和第二连接器3分别是2芯和5芯的脚间距为2.54mm印制板插座；容量已知的标准电容cs的一端与所述单片机的p1.1口连接，容量已知的标准电容cs的另一端与所述单片机的p1.2口连接；所述第一连接器2通过所含的第一接点2-1与容量已知的标准电容cs连接单片机p1.1口的一端连接，通过所含的第二接点2-2与单片机接地的接点连接；所述第二连接器3通过所含的第一接点3-1、第二接点3-2、第三接点3-3、第四接点3-4、第五接点3-5分别与单片机1的电源vcc、通讯发送口txd、通讯接收口rxd、复位口rst及接地gnd的接点连接。制备监测电路模块时，第二连接器3用于程序下载，实际使用时，第二连接器3与加湿器主控板的连接器5连接，监测电路模块与加湿器主控板之间的接口连接方式如图6所示，通过这种连接关系实现加湿器主控板对监测电路模块提供电源并进行数据交换。

监测加湿器的水位高度变化通过监测电容式传感器4的电容变化实现，电容式传感器4为电容式液位传感器，插入被监测的液体中后的等效电路如图6所示，监测其电容变化时，将电容式传感器的第一电极4-1与监测电路模块的第一连接器2中的第一接点2-1连接，将电容式传感器的第二电极4-2与监测电路模块的第一连接器2中的第二接点2-2连接。

监测电容式传感器4电容变化的操作步骤为：

①将监测电路模块中的单片机1与标准电容cs两端相连的p1.1口和p1.2口设置为输出口，并将它们同时置为高电平vcc，该操作强制标准电容cs两端等电位使标准电容cs中的电荷为零同时使与单片机1的p1.1口连接的电容式传感器4的第一电极4-1为高电平vcc，进而通过第一电极4-1向电容式传感器中的被监测电容cx充电，当被监测电容cx两端的电压vcx被充电到vcx＝vcc后，被监测电容cx被注入的电荷量为q＝vcc×cx；

②将监测电路模块中的单片机1与标准电容cs和电容式传感器4的第一电极4-1连接的p1.1口设置成ad口，同时将单片机1与标准电容cs另一端连接的呈输出状态的p1.2口置为低电平0，该操作使监测电路模块中的标准电容cs与电容式传感器4的第一电极4-1、第二电极4-2呈并联状态且使标准电容cs跨接到单片机1的ad口与地之间，使被监测电容cx在上一操作步骤中获取的电荷q向监测电路中的标准电容cs转移；

③经过时间δt(本实施例取δt＝200us)，电容式传感器中的被监测电容cx向监测电路模块中的标准电容cs转移的电荷达到平衡状态后，启动监测电路模块中单片机1的ad转换功能，测得p1.1口的电压vad，由于步骤②的操作使标准电容cs跨接在单片机1的p1.1口和地之间，则标准电容cs两端的电压vcs＝vad，由于cs、vcc的值已知，将vcs代入下式

即可得到被监测电容cx的值。

由于加湿器的水位高度与被监测电容cx呈线性关系，通过将vad值与实际水位高度值进行标定，即可直接通过vad值得到液位高度值。

本实施例中，加湿器的下限液位与上限液位之间的高度差为120mm，满量程监测精度可达±1％，分辨率可达0.5mm。

实施例2

本实施例实时监测物体的位置变化，使用由带有ad/io多功能口的单片机1和容量已知的标准电容cs组成的监测电路，如图7所示。单片机1的型号为n76e003，单片机的p1.1口为ad/io多功能口、p1.2口为输入输出io口、p1.3口为输入输出io口，标准电容cs为容量10p的npo电容；容量已知的标准电容cs的一端与所述单片机的p1.1口连接，容量已知的标准电容cs的另一端与所述单片机的p1.2口连接。上述监测电路与电容式传感器4的电容极板集成到一起构成电容式接近开关6，如图7、图8所示。从图8可以看出，接近开关6主要由安装有监测电路的电路板6-1、金属屏蔽外壳6-2和金属片6-3构成，安装有监测电路的电路板6-1位于金属屏蔽外壳6-2内，金属片6-3安装在金属屏蔽外壳6-2端口处。所述金属屏蔽外壳6-2构成电容式传感器中的被监测电容cx的一个极板，金属片6-3构成电容式传感器中的被监测电容cx的另一个极板；构成被监测电容cx的介质分布在金属片6-3的左右两侧且左侧介质的平均介电常数随被测物体7的有、无及远、近而变化，在没有被测物体7接近金属片6-3外表面时，位于金属片6-3左侧的介质为空气，当被测物体7靠近金属片外表面时，位于金属片6-3左侧的介质主要为被测物体，由于被测物体的介电常数大于空气介质的介电常数，因而当被测物体靠近金属片6-3时，被监测电容cx的介质的平均介电常数增大，使得被监测电容cx的容量变大，用被监测电容cx变化过程中出现的电容最大值来对应被测物体7的位置。

本实施例中，监测电容式传感器4电容变化的操作步骤为与实施例1相同。

由于在实施例2中没有rx的影响(rx＝0)，所以，实施例2的响应速度远高于实施例1。由于本发明提供的方法可以实时监测构成电容式接近开关的电容式传感器中被监测电容cx的变化，可以用电容变化过程中出现的电容最大值来对应被测物体的位置，使定位精度与被测物体的材质无关，因而其定位精度远高于采用分离元件构成的接近开关。