一种电容类传感器测量电路的制作方法

1.本实用新型涉及一种测量电路，具体的说，涉及一种电容测量电路，属于电容测量装置技术领域。


背景技术：

2.随着物联网、工业4.0的不断推进，市场各类传感器层出不穷。其中在非接触式测量、液体测量、超低温测量等领域，电容式传感器占据绝对优势，但是传统的电容测量电路要么调试极其麻烦，不适合大规模生产，要么芯片价格昂贵，供货还要受制于人。
3.传统的电容测试方案一般有以下几种：
4.1.采用fdc2214或pcap01等进口芯片做模数处理后提供给mcu采集，经过芯片手册指定的公式计算还原电容的实际值。此方案精度较高，稳定性非常好，但是会带来很高的生产成本，而且测量量程受限于芯片，不能大幅度自由调整。
5.2.通过交流电桥方法测量，此方案电路调试极其复杂，而且数据处理过程有大量的浮点运算，不适合mcu进行处理，大量的分立器件也会导致温飘现象比较严重。
6.3.采用555组成的多谐振荡器，成本低廉，电路简单，但是精度较差，占用空间也比较大。
7.4. 采用恒流源充放电，通过adc测量一定时间后的电压，根据公式vt=e*exp(-t/rc)， t=rcln[e/vt]，得到电容的实际值，但是这种方法不适合非常小的电容。


技术实现要素：

[0008]
本实用新型的目的在于克服上述传统技术的不足之处，提供一种电容类传感器测量电路，性能稳定，精度较高，同时，单只四通道比较器可测量四通道电容值，适合大规模生产，而且成本低。
[0009]
本实用新型的目的是通过以下技术措施来达到的：一种电容类传感器测量电路，包括集成电路d1，集成电路d1为双向二极管bav99，集成电路d1的1脚接地，集成电路d1的2脚接vcc，集成电路d1的3脚经电容c1接地，集成电路d1的3脚接电阻r8的一端，电阻r8的另一端分别接电阻r7的一端和双电压比较器集成电路ic1的正相输入端。
[0010]
作为上述技术方案的进一步改进：
[0011]
所述电阻r7的另一端接电阻r6的一端，电阻r6的另一端经电阻r3接vcc，电阻r6的另一端经电阻r9接地，电阻r6的另一端接双电压比较器集成电路ic1的反相输入端，双电压比较器集成电路ic1的输出端经电阻r4接vcc。
[0012]
所述双电压比较器集成电路ic1的输出端经电阻r5接地，双电压比较器集成电路ic1的输出端接三极管q1的基极，三极管q1的发射极接地。
[0013]
所述三极管q1的集电极分别接电阻r1的一端和电阻r2的一端，电阻r1的另一端接vcc。
[0014]
所述三极管q1的集电极接电阻r10的一端，电阻r10的另一端分别接电阻r1的一端
和电阻r2的一端，电阻r1的另一端接vcc。
[0015]
所述双电压比较器集成电路ic1的型号为lm393。
[0016]
由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本实用新型的优点是：本实用新型性能稳定，精度较高，根据量程不同，1pf可对应几十到几千hz的变化，可实现极高分辨率，同时，单只四通道比较器可测量四通道电容值，适合大规模生产；另外，本实用新型中的元器件成本极低，而且很多mcu内置比较器，无需额外购买，大多数情况此电路只需要零点几元的物料成本，而且几乎所有的半导体厂家都会有生产，不用担心供货周期及限购问题。
[0017]
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步说明。
附图说明
[0018]
图1为本实用新型实施例1中一种电容类传感器测量电路的电路图；
[0019]
图2为本实用新型实施例2中一种电容类传感器测量电路的电路图。
具体实施方式
[0020]
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0021]
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、
ꢀ“
右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、
“ꢀ
顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
[0022]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0023]
实施例1：
[0024]
如图1所示，一种电容类传感器测量电路，包括集成电路d1，集成电路d1为双向二极管bav99，集成电路d1的1脚接地，集成电路d1的2脚接vcc，集成电路d1的3脚经电容c1接地，集成电路d1的3脚接电阻r8的一端，电阻r8的另一端分别接电阻r7的一端和双电压比较器集成电路ic1的正相输入端，双电压比较器集成电路ic1的型号为lm393，电阻r7的另一端接电阻r6的一端，电阻r6的另一端经电阻r3接vcc，电阻r6的另一端经电阻r9接地，电阻r6的另一端接双电压比较器集成电路ic1的反相输入端，双电压比较器集成电路ic1的输出端经电阻r4接vcc，双电压比较器集成电路ic1的输出端经电阻r5接地，双电压比较器集成电路ic1的输出端接三极管q1的基极，三极管q1的发射极接地，三极管q1的集电极分别接电阻r1的一端和电阻r2的一端，电阻r1的另一端接vcc。
[0025]
电路工作流程：
[0026]
1.电路上电后，因为电容c1充电cap点无电压，双电压比较器集成电路ic1的反相
输入端为约1/2vcc，双电压比较器集成电路ic1的反相输入端大于双电压比较器集成电路ic1的正相输入端，输出低电平，三极管q1截止，op1点被电阻r1上拉至高电平。
[0027]
2.op1点高电平经过电阻r6把双电压比较器集成电路ic1的反相输入端拉高至接近2/3vcc，同时经过电阻r7、电阻r8给电容c1充电，经过一定时间电阻r7、电阻r8电压超过2/3vcc，此时，双电压比较器集成电路ic1的正相输入端大于双电压比较器集成电路ic1的反相输入端，输出高电平，三极管q1导通，op1点被下拉到低电平。
[0028]
3.op1点低电平经过电阻r6把双电压比较器集成电路ic1的反相输入端拉低至接近1/3 vcc，同时经过电阻r7、电阻r8给电容c1放电，经过一定时间电阻r7、电阻r8电压低于1/3 vcc，此时双电压比较器集成电路ic1的正相输入端小于双电压比较器集成电路ic1的反相输入端，输出低电平，三极管q1截止，op1点被电阻r1上拉至高电平。
[0029]
经过上述步骤不断重复，可根据电容容量产生非常稳定的方波，经mcu引脚输入，使用计数器计算方波的频率，通过查表或者电容充放电时间公式还原出准确的电容值，从而还原出原始的信号量。
[0030]
电容充放电时间公式为：
[0031]
指数公式：y = 9239.4e-0.141x
[0032]
多项式：y =
ꢀ‑
0.4934x
3 + 34.396x
2 ‑ꢀ
856.27x + 7880.4
[0033]
其中，y为方波的频率，x为电容值。
[0034]
本实用新型利用最基本的电容充放电工作原理，通过充放电时长产生一定频率的方波，当电容变大时频率降低，反之频率上升，改变充电电阻可非常方便的改变线路量程，可以通过电容充放电时间公式计算当前电容值，也可以通过查表法计算当前电容值。
[0035]
由于充放电电压与参考电压是等比例关系，频率的周期只受电容值影响，所以抗干扰能力非常强。而且工作电压宽度非常宽，等同于双电压比较器集成电路ic1的工作电压，在不同的电压下会得到相同的频率，工作频率范围等同于比较器工作频率范围，大多数比较器都能工作在0-500khz的频率以上，部分高速器件甚至可达70m以上，使得此电路可测量的电容范围非常宽泛，一般从几十pf到几百nf之间，通过调整充放电电阻，还可以测量更多的有效范围。
[0036]
实施例2：
[0037]
如图2所示，一种电容类传感器测量电路，包括集成电路d1，集成电路d1为双向二极管bav99，集成电路d1的1脚接地，集成电路d1的2脚接vcc，集成电路d1的3脚经电容c1接地，集成电路d1的3脚接电阻r8的一端，电阻r8的另一端分别接电阻r7的一端和双电压比较器集成电路ic1的正相输入端，电阻r7的另一端接电阻r6的一端，电阻r6的另一端经电阻r3接vcc，电阻r6的另一端经电阻r9接地，电阻r6的另一端接双电压比较器集成电路ic1的反相输入端，双电压比较器集成电路ic1的输出端经电阻r4接vcc，双电压比较器集成电路ic1的输出端经电阻r5接地，双电压比较器集成电路ic1的输出端接三极管q1的基极，三极管q1的发射极接地，三极管q1的集电极接电阻r10的一端，电阻r10的另一端分别接电阻r1的一端和电阻r2的一端，电阻r1的另一端接vcc。
[0038]
在op1点与三极管q1之间增加电阻r10，可灵活的调整方波的占空比，同时微调充放电速度，使得此电路几乎可测量任何量程范围的电容值。
[0039]
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本
实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。