專利名稱：：一種陶瓷雙電容式壓力變送器電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及微弱信號(hào)的檢測(cè)與變換技術(shù)，尤其涉及到一種陶瓷雙電容式壓力變送器的檢測(cè)與處理電路。
背景技術(shù)：
：陶瓷雙電容式壓力傳感器是八十年代由美國(guó)kavlico公司發(fā)明的，目前世界上只有美國(guó)、德國(guó)和瑞士等幾個(gè)國(guó)家有相關(guān)產(chǎn)品。陶瓷雙電容式壓力傳感器利用電容變間隙式原理，采用厚膜傳感技術(shù)和厚膜混合集成技術(shù)相結(jié)合，制成非充液空氣介質(zhì)的傳感器，它具有以下特點(diǎn)①溫度穩(wěn)定性好，本身發(fā)熱很小，具有低的溫漂；②結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造，適應(yīng)性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)高壓力、高沖擊和過(guò)載測(cè)量；③動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，固有頻率高，適合動(dòng)態(tài)測(cè)量；④帶電極間的靜電引力小，所需輸入力和輸入能量小，可實(shí)現(xiàn)微壓測(cè)試；⑤空氣等介質(zhì)的損耗小，允許電路高倍頻放大，靈敏度高。目前陶瓷雙電容式壓力傳感器，及基于這種傳感器的變送器在國(guó)內(nèi)的使用量較大，除用于壓力測(cè)量外，大多用于液位的間接測(cè)量。中國(guó)科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所在國(guó)內(nèi)首先、也是唯一研制出陶瓷雙電容式壓力傳感器的單位，(見(jiàn)中國(guó)專利ZL200610040162.3《一種雙電容厚膜陶瓷感壓元件的制備方法》)，其傳感部分為陶瓷雙電容感壓膜片，結(jié)構(gòu)如圖l，它由陶瓷蓋板和陶瓷彈性膜片作電極板，極板間隙為空氣介質(zhì)腔，在陶瓷彈性膜片上設(shè)置公共電極,在陶瓷蓋板上設(shè)置同軸雙電極，構(gòu)成同軸環(huán)狀的雙電容結(jié)構(gòu)。當(dāng)彈性膜片受力時(shí)發(fā)生位移，使電容量產(chǎn)生變化，經(jīng)信號(hào)處理電路轉(zhuǎn)換為可輸出的電信號(hào)。對(duì)于信號(hào)處理電路，實(shí)際上就是把電容信號(hào)轉(zhuǎn)換為通常的電壓或電流信號(hào)。對(duì)于這種電容信號(hào)的檢測(cè)電路，未見(jiàn)到相關(guān)的報(bào)道。陶瓷雙電容式感壓膜片的壓力測(cè)量范圍一般是幾十Kpa到幾百Kpa，相應(yīng)的陶瓷電容的容值大約在40-100皮法，差動(dòng)電容的變化量是幾到十幾皮法，這屬于微小電容量級(jí)。對(duì)于微小電容的檢測(cè)有多種方法，但不管用什么方法，若用分立元件來(lái)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)，然后再做成專用集成或混合集成芯片，研制的工作量很大，費(fèi)用也高，因?yàn)閷?duì)于小電容量的電容傳感器及變送器，不但要考慮其引線電容、電路設(shè)計(jì)的寄生電容以及環(huán)境變化的影響等，相關(guān)的調(diào)理電路復(fù)雜，并且由于分立元件過(guò)多，也將影響電容的測(cè)量精度。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于為陶瓷雙電容感壓膜片提供一種變送器電路，該電路可把感壓膜片的電容變化量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的變送器輸出信號(hào)，而且要求電路結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)潔，能滿足小規(guī)模產(chǎn)品化生產(chǎn)的要求。本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種陶瓷雙電容壓力變送器檢測(cè)與變換電路，包括雙電容陶瓷感壓膜片，其公共電極、參考電極和測(cè)量電極經(jīng)引線分別與電容-電壓轉(zhuǎn)換芯片輸入端聯(lián)接，電容-電壓轉(zhuǎn)換芯片輸出端與儀表放大器的輸入端聯(lián)接，儀表放大器的輸出端與單運(yùn)放聯(lián)接，單運(yùn)放輸出與電流-電壓轉(zhuǎn)換芯片的輸入端聯(lián)接。所述雙電容陶瓷感壓膜片將壓力的變化引起電容的變化量輸入電容-電壓轉(zhuǎn)換芯片，電容-電壓轉(zhuǎn)換芯片將電容轉(zhuǎn)化為電壓形式，并用電阻分壓形式輸入儀表放大器，經(jīng)儀表放大器調(diào)整信號(hào)大小，再通過(guò)電壓-電流轉(zhuǎn)化芯片進(jìn)行V-I轉(zhuǎn)化和非線性修正，最后輸出420mA標(biāo)準(zhǔn)直流電流。在所述儀表放大器輸出后級(jí)增設(shè)一單運(yùn)算放大器作電壓跟隨器或信號(hào)微調(diào)。所述電壓_電流轉(zhuǎn)換芯片還聯(lián)接有一個(gè)電壓基準(zhǔn)二極管。所述電容電壓轉(zhuǎn)換芯片，是瑞士XEMICS公司的XE2004,供電電壓范圍為2.4V5.5V，其輸出端增設(shè)濾波電容。所述儀表放大器，為AD623，單電源的情況下，允許供電范圍為3.0V至!J12V之間。也可以使用其它單電源供電的運(yùn)算放大器。所述單運(yùn)算放大器，為T(mén)LV2211或其它微功耗運(yùn)算放大器；所述電壓電流轉(zhuǎn)換芯片，為美國(guó)BB公司的XTR106,所述電壓基準(zhǔn)二極管，為美國(guó)NS公司的LM385-1.2。本發(fā)明是將由外界壓力變化引起的雙陶瓷電容的電容量變化通過(guò)XE2004芯片處理轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，再經(jīng)過(guò)適當(dāng)調(diào)整之后輸入XTR106芯片，進(jìn)行線性修正和電壓-電流轉(zhuǎn)化后輸出標(biāo)準(zhǔn)420mA直流電流信號(hào)。XTR106芯片是針對(duì)壓阻式傳感器而設(shè)計(jì)的，具有供電、放大、零點(diǎn)和滿度調(diào)整、非線性調(diào)整、電壓電流轉(zhuǎn)化等功能一體化的專用集成電路，本發(fā)明主要是利用其非線性調(diào)整和電壓電流轉(zhuǎn)化的功能，為符合XTR106芯片的工作條件，本發(fā)明使用了一個(gè)電壓基準(zhǔn)二極管，來(lái)提升輸入到XTR106芯片的零點(diǎn)和滿度的電壓值，使其滿足信號(hào)的輸入范圍要求。本發(fā)明的有益效果可把微小電容變化量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的直流電流輸出，帶有零點(diǎn)和滿量程調(diào)節(jié)、非線性調(diào)整功能，并較好地克服了寄生電容等影響，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、體積較小，可滿足小批量生產(chǎn)時(shí)的要求。本發(fā)明的非線性調(diào)整方式還可用于其它類型的傳感器。下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。圖la、b是雙電容陶瓷感壓膜片結(jié)構(gòu)展示示意圖。圖中21、公共電極引線，22、公共電極，23、參考電極引線，24、測(cè)量電極引線，25、通氣孔，26、介質(zhì)。圖2為電路原理圖。圖中，l為電容-電壓轉(zhuǎn)換芯片，2為雙電容陶瓷感壓膜片，3為儀表放大器，4為單運(yùn)放，5為電壓-電流轉(zhuǎn)換芯片，6為電壓基準(zhǔn)二極管。具體實(shí)施例方式電路原理圖如圖2。電容-電壓轉(zhuǎn)化電路選用XE2004芯片，XE2004芯片10、11、12管腳分別對(duì)應(yīng)著雙電容陶瓷感壓膜片2的三個(gè)電極，通過(guò)公共電極引線21、參考電極引線23和測(cè)量電極引線24聯(lián)接，參見(jiàn)圖l。在使有用狀態(tài)下，圖1中的b部分蓋在圖1中的a部分上，公共電極22在圖1中的b部分上，外圓環(huán)為介質(zhì)26，通氣孔25設(shè)在圖1中的a部分。XE2004芯片內(nèi)部有可編放大器、過(guò)載保護(hù)和可編程功能，供電電壓范圍為2.4V5.5V，本電路使用5V供電，為了簡(jiǎn)化電路降低成本，沒(méi)有對(duì)芯片內(nèi)部進(jìn)行編程，均采用默認(rèn)值。在兩極電容相等的情況下，電壓輸出的理論值為2.5V,但實(shí)際情況當(dāng)中兩極的電容不可能完全相等，XE2004輸出的零點(diǎn)電壓在2.5V左右。XE2004的輸出電壓公式為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>默認(rèn)的情況下，Ccomp和Voff都為零，K為內(nèi)部的可編放大倍數(shù)，默認(rèn)值為8，在5V供電的情況下Vref為2.5V。XE2004將電容轉(zhuǎn)化為電壓內(nèi)部有一定的震蕩信號(hào)需在輸出端增加一個(gè)C1電容進(jìn)行濾波。在此電路中使用XTR106的5V參考端為XE2004供電，5V電壓供電使得XE2004的輸出為2.5V左右，再把輸出連接放大器的輸入端，儀表放大器AD623可以單雙電源供電，此電路選用單電源供電，負(fù)端接地。由穩(wěn)壓二極管D1對(duì)AD623提供電壓，在單電源的情況下，AD623的允許供電范圍為3.0V到12V之間，放大倍數(shù)可在11000之間調(diào)整，且只需一個(gè)電阻。從XE2004的電壓參考端引出參考電壓，將此電壓通過(guò)電阻R3和R4、R5分壓為AD623提供共模信號(hào)，此電壓值為Vref=(VDD-VSS)/2,Vss接地，Vref為2.5V。AD623的放大倍數(shù)受到了共模信號(hào)和供電電壓的限制，只能達(dá)到4.296V，但已經(jīng)可以滿足要求，為了增加輸出電壓的驅(qū)動(dòng)能力輸出增加了一個(gè)單運(yùn)放作電壓跟隨器，陶瓷雙電容和電路的非線性沒(méi)有調(diào)整，大大簡(jiǎn)化了電路調(diào)試的難度。非線性調(diào)整是通過(guò)電壓-電流轉(zhuǎn)化芯片XTR106進(jìn)行的。XTR106芯片的供電電壓范圍為7.5V36V之間，用其5V參考輸出為XE2004供電，對(duì)XTR106芯片的供電電壓最小應(yīng)為8V,在使用2.5V參考時(shí)XTR106芯片可以調(diào)節(jié)的非線性范圍-2.5%+5%，在5V供電的情況下，XTR106芯片可以調(diào)節(jié)的非線性范圍為士5。/0，調(diào)整率可達(dá)到20:1。XTR106處理信號(hào)范圍為1.13.5V之間，變化量在2.4V以內(nèi)，XE2004的輸出的電壓范圍不能滿足XTR106的要求，使用LM385-1.2提供1.2V的電壓參考同時(shí)提升零點(diǎn)和滿度，在輸入XTR106時(shí)進(jìn)行電阻分壓調(diào)整，在調(diào)理好合適的輸出電壓后確定輸出電壓的線性度和線性極性，輸出是負(fù)線性則將芯片的1腳和12腳相連接，然后在1腳和11腳之間接入線性電阻；如是正線性則將6腳和12腳相連接，l腳和ll腳相連接。線性電阻的計(jì)算公式為R=r,化1-25B傳感器的非線性，K^為非線性因素，在5V的參考電壓下為6645Q;在2.5V參考電壓下為9905Q。^:*^，Rg為放大電阻，^為電壓的變化量6重新標(biāo)定零點(diǎn)和滿度，計(jì)算傳感器的線性度，如達(dá)不到要求在這基礎(chǔ)上微調(diào)線性電阻重新標(biāo)定直到達(dá)到要求。按上面方法調(diào)試，電路簡(jiǎn)單、成本低、體積小、易實(shí)現(xiàn)。實(shí)施例在圖2的電路中，零點(diǎn)和滿度的輸出信號(hào)在經(jīng)過(guò)儀表放大器、單運(yùn)放之后，大約在0.3V3.2V之間，這一電壓范圍不能滿足XTR106芯片的輸入要求，為此，本電路中使用了一個(gè)1.2V的電壓基準(zhǔn)二極管，來(lái)提高零點(diǎn)和滿度的電壓相對(duì)值。經(jīng)前級(jí)分壓調(diào)整，使得輸入到XTR106芯片的電壓范圍坐落在1.13.5V之間，調(diào)節(jié)圖2可調(diào)變阻器RPT2來(lái)調(diào)整零點(diǎn)、RPT1調(diào)整滿度，最后使零點(diǎn)和滿度達(dá)到4.020.0mA，然后再計(jì)算非線性和確定非線性極性，此實(shí)例為負(fù)線性，則將XTR106的1腳和12腳相連接，然后在1腳和11腳之間接入線性電阻，根據(jù)公式選擇合適的線性電阻，調(diào)整非線性，實(shí)驗(yàn)表明，本電路可以對(duì)非線性在±5%左右的陶瓷雙電容感壓膜片的電容信號(hào)改善至非線性在土O.2%以內(nèi)的電流信號(hào)。表l為一實(shí)驗(yàn)例。表1變送器的非線性調(diào)整單位壓力(Kpa)電流(mA)<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>權(quán)利要求1、一種陶瓷雙電容式壓力變送器電路，包括雙電容陶瓷感壓膜片(2)，其特征是所述雙電容陶瓷感壓膜片(2)的公共電極、參考電極和測(cè)量電極經(jīng)其引線分別與電容-電壓轉(zhuǎn)換芯片(1)輸入端聯(lián)接，電容-電壓轉(zhuǎn)換芯片(1)輸出端與儀表放大器(3)的輸入端聯(lián)接，儀表放大器(3)的輸出端與單運(yùn)放(4)的輸入聯(lián)接，單運(yùn)放(4)的輸出再與電壓-電流轉(zhuǎn)換芯片(5)的輸入端聯(lián)接，電壓-電流轉(zhuǎn)換芯片(5)還與一基準(zhǔn)電壓(6)聯(lián)接。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷雙電容式壓力變送器電路，其特征是所述雙電容陶瓷感壓膜片(2)將壓力變化引起的電容變化輸入電容-電壓轉(zhuǎn)換芯片(1)，電容-電壓轉(zhuǎn)換芯片(l)將電容轉(zhuǎn)化為電壓形式，并通過(guò)電阻分壓輸入到儀表放大器(3)，儀表放大器(3)的輸出再經(jīng)過(guò)單運(yùn)放(4)調(diào)整，并通過(guò)電阻分壓后輸入到電壓-電流轉(zhuǎn)換芯片(5)，電壓-電流轉(zhuǎn)化芯片(5)進(jìn)行V-I變換、并作非線性修正，最后輸出4-20mA的直流電流信號(hào)。3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷雙電容式壓力變送器電路，其特征是將壓力變化引起陶瓷雙電容的電容的變化量，使用電容-電壓轉(zhuǎn)化芯片XE2004，將電容信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷雙電容式壓力變送器電路，其特征是變送器信號(hào)的非線性調(diào)整，是通過(guò)電壓-電流轉(zhuǎn)化芯片XTR106來(lái)進(jìn)行的。全文摘要本發(fā)明公開(kāi)了一種陶瓷雙電容式壓力變送器電路，包括雙電容陶瓷感壓膜片，所述雙電容陶瓷感壓膜片的公共電極、參考電極和測(cè)量電極經(jīng)其引線分別與電容-電壓轉(zhuǎn)換芯片的輸入端聯(lián)接，電容-電壓轉(zhuǎn)換芯片的輸出端與儀表放大器的輸入端聯(lián)接，儀表放大器的輸出端與單運(yùn)放的輸入聯(lián)接，單運(yùn)放的輸出再與電壓-電流轉(zhuǎn)換芯片的輸入端聯(lián)接。本電路將壓力變化引起的電容變化經(jīng)過(guò)電容-電壓轉(zhuǎn)換芯片，轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，再經(jīng)放大電路調(diào)整、電壓-電流轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行V-I轉(zhuǎn)換和非線性修正，最后輸出4～20mA的直流電流信號(hào)。本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，較好地解決了陶瓷雙電容感壓膜片的微小電容測(cè)量問(wèn)題，滿足了小規(guī)模生產(chǎn)的需要。文檔編號(hào)G01D5/12GK101655379SQ20091014495公開(kāi)日2010年2月24日申請(qǐng)日期2009年9月15日優(yōu)先權(quán)日2009年9月15日發(fā)明者劉春艷,平周,?；勖?徐智晴,熊劍平申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院