CN101655379A - 一种陶瓷双电容式压力变送器电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种陶瓷双电容式压力变送器电路，包括双电容陶瓷感压膜片，所述双电容陶瓷感压膜片的公共电极、参考电极和测量电极经其引线分别与电容－电压转换芯片的输入端联接，电容－电压转换芯片的输出端与仪表放大器的输入端联接，仪表放大器的输出端与单运放的输入联接，单运放的输出再与电压－电流转换芯片的输入端联接。本电路将压力变化引起的电容变化经过电容－电压转换芯片，转化为电压信号，再经放大电路调整、电压－电流转换芯片进行V－I转换和非线性修正，最后输出4～20mA的直流电流信号。本发明的电路结构简洁，较好地解决了陶瓷双电容感压膜片的微小电容测量问题，满足了小规模生产的需要。

Description

一种陶瓷双电容式压力变送器电路

技术领域

本发明涉及微弱信号的检测与变换技术，尤其涉及到一种陶瓷双电容式压力变送器的检测与处理电路。

背景技术

陶瓷双电容式压力传感器是八十年代由美国kavlico公司发明的，目前世界上只有美国、德国和瑞士等几个国家有相关产品。陶瓷双电容式压力传感器利用电容变间隙式原理，采用厚膜传感技术和厚膜混合集成技术相结合，制成非充液空气介质的传感器，它具有以下特点：①温度稳定性好，本身发热很小，具有低的温漂；②结构简单，易于制造，适应性强，可实现高压力、高冲击和过载测量；③动态响应好，固有频率高，适合动态测量；④带电极间的静电引力小，所需输入力和输入能量小，可实现微压测试；⑤空气等介质的损耗小，允许电路高倍频放大，灵敏度高。

目前陶瓷双电容式压力传感器，及基于这种传感器的变送器在国内的使用量较大，除用于压力测量外，大多用于液位的间接测量。中国科学院合肥智能机械研究所在国内首先、也是唯一研制出陶瓷双电容式压力传感器的单位，(见中国专利ZL200610040162.3《一种双电容厚膜陶瓷感压元件的制备方法》)，其传感部分为陶瓷双电容感压膜片，结构如图1，它由陶瓷盖板和陶瓷弹性膜片作电极板，极板间隙为空气介质腔，在陶瓷弹性膜片上设置公共电极，在陶瓷盖板上设置同轴双电极，构成同轴环状的双电容结构。当弹性膜片受力时发生位移，使电容量产生变化，经信号处理电路转换为可输出的电信号。对于信号处理电路，实际上就是把电容信号转换为通常的电压或电流信号。对于这种电容信号的检测电路，未见到相关的报道。

陶瓷双电容式感压膜片的压力测量范围一般是几十Kpa到几百Kpa，相应的陶瓷电容的容值大约在40-100皮法，差动电容的变化量是几到十几皮法，这属于微小电容量级。对于微小电容的检测有多种方法，但不管用什么方法，若用分立元件来设计、试验，然后再做成专用集成或混合集成芯片，研制的工作量很大，费用也高，因为对于小电容量的电容传感器及变送器，不但要考虑其引线电容、电路设计的寄生电容以及环境变化的影响等，相关的调理电路复杂，并且由于分立元件过多，也将影响电容的测量精度。

发明内容

本发明的目的在于为陶瓷双电容感压膜片提供一种变送器电路，该电路可把感压膜片的电容变化量转换为标准的变送器输出信号，而且要求电路结构相对简洁，能满足小规模产品化生产的要求。

本发明采用的技术方案为：

一种陶瓷双电容压力变送器检测与变换电路，包括双电容陶瓷感压膜片，其公共电极、参考电极和测量电极经引线分别与电容-电压转换芯片输入端联接，电容-电压转换芯片输出端与仪表放大器的输入端联接，仪表放大器的输出端与单运放联接，单运放输出与电流-电压转换芯片的输入端联接。所述双电容陶瓷感压膜片将压力的变化引起电容的变化量输入电容电压转换芯片，电容-电压转换芯片将电容转化为电压形式，并用电阻分压形式输入仪表放大器，经仪表放大器调整信号大小，再通过电压-电流转化芯片进行V-I转化和非线性修正，最后输出4～20mA标准直流电流。在所述仪表放大器输出后级增设一单运算放大器作电压跟随器或信号微调。所述电压-电流转换芯片还联接有一个电压基准二极管。

所述电容电压转换芯片，是瑞士XEMICS公司的XE2004，供电电压范围为2.4V～5.5V，其输出端增设滤波电容。

所述仪表放大器，为AD623，单电源的情况下，允许供电范围为3.0V到12V之间。也可以使用其它单电源供电的运算放大器。

所述单运算放大器，为TLV2211或其它微功耗运算放大器；

所述电压电流转换芯片，为美国BB公司的XTR106，

所述电压基准二极管，为美国NS公司的LM385-1.2。

本发明是将由外界压力变化引起的双陶瓷电容的电容量变化通过XE2004芯片处理转化为电压信号，再经过适当调整之后输入XTR106芯片，进行线性修正和电压-电流转化后输出标准4～20mA直流电流信号。XTR106芯片是针对压阻式传感器而设计的，具有供电、放大、零点和满度调整、非线性调整、电压电流转化等功能一体化的专用集成电路，本发明主要是利用其非线性调整和电压电流转化的功能，为符合XTR106芯片的工作条件，本发明使用了一个电压基准二极管，来提升输入到XTR106芯片的零点和满度的电压值，使其满足信号的输入范围要求。

本发明的有益效果：可把微小电容变化量转换为标准的直流电流输出，带有零点和满量程调节、非线性调整功能，并较好地克服了寄生电容等影响，电路结构简洁、体积较小，可满足小批量生产时的要求。本发明的非线性调整方式还可用于其它类型的传感器。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细说明。

图1a、b是双电容陶瓷感压膜片结构展示示意图。图中21、公共电极引线，22、公共电极，23、参考电极引线，24、测量电极引线，25、通气孔，26、介质。

图2为电路原理图。图中，1为电容-电压转换芯片，2为双电容陶瓷感压膜片，3为仪表放大器，4为单运放，5为电压-电流转换芯片，6为电压基准二极管。

具体实施方式

电路原理图如图2。电容-电压转化电路选用XE2004芯片，XE2004芯片10、11、12管脚分别对应着双电容陶瓷感压膜片2的三个电极，通过公共电极引线21、参考电极引线23和测量电极引线24联接，参见图1。在使有用状态下，图1中的b部分盖在图1中的a部分上，公共电极22在图1中的b部分上，外圆环为介质26，通气孔25设在图1中的a部分。XE2004芯片内部有可编放大器、过载保护和可编程功能，供电电压范围为2.4V～5.5V，本电路使用5V供电，为了简化电路降低成本，没有对芯片内部进行编程，均采用默认值。在两极电容相等的情况下，电压输出的理论值为2.5V，但实际情况当中两极的电容不可能完全相等，XE2004输出的零点电压在2.5V左右。

XE2004的输出电压公式为：

$\mathrm{Vout}-\mathrm{Vref}=-K[\frac{C1-C2}{C1+C2-\mathrm{Ccomp}}*\mathrm{Vref}+\mathrm{Voff}]$

默认的情况下，Ccomp和Voff都为零，K为内部的可编放大倍数，默认值为8，在5V供电的情况下Vref为2.5V。

XE2004将电容转化为电压内部有一定的震荡信号需在输出端增加一个C1电容进行滤波。在此电路中使用XTR106的5V参考端为XE2004供电，5V电压供电使得XE2004的输出为2.5V左右，再把输出连接放大器的输入端，仪表放大器AD623可以单双电源供电，此电路选用单电源供电，负端接地。由稳压二极管D1对AD623提供电压，在单电源的情况下，AD623的允许供电范围为3.0V到12V之间，放大倍数可在1～1000之间调整，且只需一个电阻。

从XE2004的电压参考端引出参考电压，将此电压通过电阻R3和R4、R5分压为AD623提供共模信号，此电压值为Vref＝(VDD-VSS)/2，Vss接地，Vref为2.5V。AD623的放大倍数受到了共模信号和供电电压的限制，只能达到4.296V，但已经可以满足要求，为了增加输出电压的驱动能力输出增加了一个单运放作电压跟随器，陶瓷双电容和电路的非线性没有调整，大大简化了电路调试的难度。

非线性调整是通过电压-电流转化芯片XTR106进行的。XTR106芯片的供电电压范围为7.5V～36V之间，用其5V参考输出为XE2004供电，对XTR106芯片的供电电压最小应为8V，在使用2.5V参考时XTR106芯片可以调节的非线性范围-2.5％～+5％，在5V供电的情况下，XTR106芯片可以调节的非线性范围为±5％，调整率可达到20∶1。XTR106处理信号范围为1.1～3.5V之间，变化量在2.4V以内，XE2004的输出的电压范围不能满足XTR106的要求，使用LM385-1.2提供1.2V的电压参考同时提升零点和满度，在输入XTR106时进行电阻分压调整，在调理好合适的输出电压后确定输出电压的线性度和线性极性，输出是负线性则将芯片的1脚和12脚相连接，然后在1脚和11脚之间接入线性电阻；如是正线性则将6脚和12脚相连接，1脚和11脚相连接。

线性电阻的计算公式为： $R_{\mathrm{lin}}=\left|\mathrm{Klm}\frac{4B}{1-2B}\right|,$

B传感器的非线性，K_lin为非线性因素，在5V的参考电压下为6645Ω；在2.5V参考电压下为9905Ω。

$R_g=\frac{V_{\mathrm{FS}}}{400\mathrm{uA}}*\frac{1+2B}{1-2B},$ R_g为放大电阻，V_FS为电压的变化量

重新标定零点和满度，计算传感器的线性度，如达不到要求在这基础上微调线性电阻重新标定直到达到要求。按上面方法调试，电路简单、成本低、体积小、易实现。

实施例

在图2的电路中，零点和满度的输出信号在经过仪表放大器、单运放之后，大约在0.3V～3.2V之间，这一电压范围不能满足XTR106芯片的输入要求，为此，本电路中使用了一个1.2V的电压基准二极管，来提高零点和满度的电压相对值。经前级分压调整，使得输入到XTR106芯片的电压范围坐落在1.1～3.5V之间，调节图2可调变阻器RPT2来调整零点、RPT1调整满度，最后使零点和满度达到4.0～20.0mA，然后再计算非线性和确定非线性极性，此实例为负线性，则将XTR106的1脚和12脚相连接，然后在1脚和11脚之间接入线性电阻，根据公式选择合适的线性电阻，调整非线性，实验表明，本电路可以对非线性在±5％左右的陶瓷双电容感压膜片的电容信号改善至非线性在±0.2％以内的电流信号。表1为一实验例。

表1变送器的非线性调整    单位：压力(Kpa)电流(mA)

Claims (4)

1、一种陶瓷双电容式压力变送器电路，包括双电容陶瓷感压膜片(2)，其特征是：所述双电容陶瓷感压膜片(2)的公共电极、参考电极和测量电极经其引线分别与电容-电压转换芯片(1)输入端联接，电容-电压转换芯片(1)输出端与仪表放大器(3)的输入端联接，仪表放大器(3)的输出端与单运放(4)的输入联接，单运放(4)的输出再与电压-电流转换芯片(5)的输入端联接，电压-电流转换芯片(5)还与一基准电压(6)联接。

2、根据权利要求1所述的陶瓷双电容式压力变送器电路，其特征是：所述双电容陶瓷感压膜片(2)将压力变化引起的电容变化输入电容-电压转换芯片(1)，电容-电压转换芯片(1)将电容转化为电压形式，并通过电阻分压输入到仪表放大器(3)，仪表放大器(3)的输出再经过单运放(4)调整，并通过电阻分压后输入到电压-电流转换芯片(5)，电压-电流转化芯片(5)进行V-I变换、并作非线性修正，最后输出4-20mA的直流电流信号。

3、根据权利要求1所述的陶瓷双电容式压力变送器电路，其特征是：将压力变化引起陶瓷双电容的电容的变化量，使用电容-电压转化芯片XE2004，将电容信号转化为电压信号。

4、根据权利要求1所述的陶瓷双电容式压力变送器电路，其特征是：变送器信号的非线性调整，是通过电压-电流转化芯片XTR106来进行的。

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