電容傳感器的模擬裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及電容傳感器技術領域，特別涉及一種電容傳感器的模擬裝置。
【背景技術】
[0002]用電測法測量非電學量時，首先必須將被測的非電學量轉換為電學量而后進行顯示或者記錄。根據不同非電學量的特點設計成的有關轉換裝置被稱為傳感器，而將被測的力學量(例如位移、力、速度等)轉換成電容變化的傳感器被稱為電容傳感器。電容傳感器具有結構簡單、靈敏度高、動態響應快、易實現非接觸測量等特點，可用于激光法、超聲波法等測量手段所不能完成的許多場合。從能量轉換的角度而言，電容傳感器為無源傳感器，因而需要借助激勵源和檢測電路將電容傳感器的電容變化量轉換為輸出電壓的電壓變化量。
[0003]圖1是常見的一種電容傳感器的檢測系統的結構示意圖，所述檢測系統包括激勵源U10、電容傳感器組10、切換開關KlO以及檢測電路，其中，所述電容傳感器組包括多個分布在待測位置處的電容傳感器，所述檢測電路包括運算放大器A10、反饋電容ClO以及輸入電阻R10。所述檢測系統中各器件之間的具體連接關系如圖1所示，在此不再贅述。進行力學量檢測時，由所述激勵源UlO提供激勵信號。通過改變所述切換開關KlO連接的電容傳感器，所述檢測電路依次將各個電容傳感器的電容變化量轉換為輸出電壓Vout的電壓變化量。由于待測力學量和所述輸出電壓Vout之間的對應關系是已知的，根據所述輸出電壓Vout的電壓值可以獲得待測力學量。
[0004]電容傳感器的等效電容不同，對所述檢測電路的影響也不一樣，因而需要對電容傳感器進行模擬。現有技術中通過所述檢測電路外接可調的精密電容來模擬電容傳感器工作，然而由于可調的精密電容的電容值很小(通常為皮法級)，模擬結果易受線路的分布電容影響和外部條件干擾，且可調的精密電容的電容值變化范圍小，在模擬過程中依靠手動調節改變可調的精密電容的電容值，上述各種因素導致模擬結果的精度很低。并且，可調的精密電容成本也高。
【實用新型內容】
[0005]本實用新型所要解決的是采用可調的精密電容模擬電容傳感器成本高、模擬結果精度低的問題。
[0006]為解決上述問題，本實用新型提供一種電容傳感器的模擬裝置，包括主控制器和至少一個電容模擬器；所述主控制器與上位機連接，適于將用戶通過上位機設置的仿真電容值轉發至所述電容模擬器；所述電容模擬器與所述主控制器連接，適于根據激勵信號和所述仿真電容值產生仿真信號，所述仿真信號的頻率與所述激勵信號的頻率相同，所述仿真信號的幅度為VinX (Cs + Cr)，其中，Cs為所述仿真電容值，Vin為所述激勵信號的幅度，Cr為預設的參考電容值。本實用新型實施例提供的電容傳感器的模擬裝置，基于電壓的變化對應電容的變化關系，使用電子技術模擬與實際物理電容等效的變化規律，將電容變化量轉換為電壓變化量。用戶通過上位機設置不同的仿真電容值，可以連續模擬寬范圍的電容變化。模擬裝置中仿真電容值的變化響應速度快、電容值穩定，電容的分辨率可以達到lpF，提高了模擬結果精度，降低了對電容傳感器進行模擬的成本。
[0007]可選的，所述電容模擬器包括從控制器、至少一個模擬輸入通道以及至少一個模擬輸出通道；所述模擬輸入通道與激勵源連接，適于對所述激勵信號進行模數轉換處理以獲得第一數字信號；所述從控制器與所述模擬輸入通道和所述主控制器連接，適于對所述第一數字信號和所述仿真電容值進行數字乘法處理以獲得第二數字信號；所述模擬輸出通道與所述從控制器連接適于對所述第二數字信號進行信號輸出調理適配以獲得所述仿真信號。
[0008]可選的，所述模擬輸入通道包括模數轉換器。
[0009]可選的，所述模擬輸出通道包括數模轉換器、帶通濾波器、輸出接口電路以及參考電容，所述參考電容適于提供所述參考電容值；所述數模轉換器與所述從控制器連接，適于對所述第二數字信號進行數模轉換處理以獲得第一模擬信號；所述帶通濾波器與所述數模轉換器連接，適于對所述第一模擬信號進行帶通濾波處理以獲得第二模擬信號；所述輸出接口電路與所述帶通濾波器連接，適于對所述第二模擬信號進行放大以及驅動能力增強處理以獲得第三模擬信號；所述參考電容的一端適于接收所述第三模擬信號，所述參考電容的另一端適于輸出所述仿真信號。
[0010]可選的，所述輸出接口電路包括運算放大器、相位補償電容、第一電阻以及第二電阻；所述運算放大器的同相輸入端適于接收所述第二模擬信號，所述運算放大器的反相輸入端連接所述相位補償電容的一端和所述第一電阻的一端，所述運算放大器的輸出端連接所述相位補償電容的另一端和所述第二電阻的一端，所述第一電阻的另一端連接所述第二電阻的另一端并適于輸出所述第三模擬信號。通過設置所述輸出接口電路，可以提高線路的驅動能力，適應不同負載需求。
[0011]可選的，所述參考電容為聚苯乙烯薄膜電容。
[0012]可選的，所述主控制器通過USB接口與上位機連接。
[0013]與現有技術相比，本實用新型具有以下優點:
[0014]本實用新型提供的電容傳感器的模擬裝置，使用電子技術模擬與實際物理電容等效的變化規律，可以與自動測試系統融合，提高了線路的驅動能力，測試信號不易受到外部信號干擾，穩定性和仿真結果精度高。使用先進的控制技術，使模擬裝置可以適應更高要求的電容傳感器的模擬測試要求。
【附圖說明】
[0015]圖1是常見的一種電容傳感器的檢測系統的結構示意圖；
[0016]圖2是電容傳感器的檢測電路圖；
[0017]圖3是圖2所示檢測電路的一種等效電路圖；
[0018]圖4是圖2所示檢測電路的另一種等效電路圖；
[0019]圖5是本實用新型實施例的電容傳感器的模擬裝置的結構示意圖；
[0020]圖6是本實用新型實施例的模擬輸出通道的結構示意圖；
[0021]圖7是本實用新型實施例的輸出接口電路的電路圖。
【具體實施方式】
[0022]圖2是電容傳感器的檢測電路圖。激勵源U20施加在電容傳感器上，提供幅度為Vin的激勵信號，由運算放大器A20、反饋電容C20以及輸入電阻R20組成的檢測電路檢測電容傳感器的電容C21變化，產生幅度為Vout的輸出信號。輸出信號的幅度Vout和激勵信號的幅度Vin之間的關系可以表示為:
[0023]Vout=-VinX (C21 + C20)......等式(I)
[0024]由于激勵信號的幅度Vin和電容傳感器的電容C21均為變量，二者中任意一個發生變化均會引起輸出信號的幅度Vout變化。
[0025]將激勵信號的幅度Vin看作常量、電容傳感器的電容C21看作變量，圖3是圖2所示檢測電路的一種等效電路圖，圖中各個關系表示為:
[0026]Δ Vout=-Vin X ( Δ Ci + C20 )......等式(2 )
[0027]其中，AVout為輸出信號的幅度變化量，ACi為電容變化量。將激勵信號的幅度Vin看作變量、電容傳感器的電容C21看作常量，圖4是圖2所示檢測電路的另一種等效電路圖，圖中各個關系表示為:
[0028]Δ Vout=- AViX (Cin +C20)......等式(3)
[0029]其中，AVi為激勵信號的幅度變化量，Cin為固定電容。
[0030]由以上對圖3和圖4的分析可以得出:要使圖4可以替代圖3的功能，也就是等式
(2)和等式(3)中的AVout相等，符合以下等式即可:
[0031]VinX ACi=AViXCin......等式(4)
[0032]則在圖4中電容模擬器的輸出可以模擬電容傳感器的電容的變化對電信號的影響。由等式(4)推導得到:
[0033]AVi= VinX (ACi + Cin)......等式(5)
[0034]等式(5)反映出了電壓的變化對應電容的變化關系，即將電容變化量轉換成了電壓變化量。基于等式(5)，本實用新型實施例提供一種圖5所示的電容傳感器的模擬裝置，所述電容傳感器的模擬裝置包括主控制器51和至少一個電容模擬器。在本實施例中，以包括電容模擬器52和電容模擬器53為例進行說明。
[0035]具體地，所述主控制器51適于控制各個電容模擬器與上位機50進行通信，將用戶通過所述上位機50設置的仿真電容值轉發至各個電容模擬器。進一步，所述主控制器51通過USB接口與所述上位機50連接，所述上位機50為計算機，用戶可以通過鍵盤或者觸摸屏輸入仿真電容值。所述主控制器51可以為單片機或者FPGA，用于直