一種用于差壓傳感器的等精度測量方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及差壓傳感器的信號(hào)處理和應(yīng)用【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是一種用于差壓傳感器的等精度測量方法。本發(fā)明方法采用了等精度電容頻率測量方法對差壓傳感器的電容充電時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)；根據(jù)電容的大小不同，則充電的時(shí)間也不同的原理，可以得到與差壓傳感器電容成正比計(jì)數(shù)值，用微處理器將T進(jìn)行計(jì)算，從而得出差壓傳感器的輸出電容值。本發(fā)明采用FPGA芯片為核心電路，實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的電路信號(hào)控制、計(jì)數(shù)器、標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸入等功能模塊，實(shí)現(xiàn)了對差壓傳感器的輸出電容值的高精度測試。
【專利說明】一種用于差壓傳感器的等精度測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及差壓傳感器的信號(hào)處理和應(yīng)用【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是一種用于差壓傳感器的等精度測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]電容式差壓變送器是目前工業(yè)上廣泛使用的一種變送器，其檢測元件是采用差壓傳感器，差壓傳感器的輸出信號(hào)是電容值。整個(gè)變送器無機(jī)械傳動(dòng)、調(diào)整裝置，儀表結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定、可靠，抗振性好，具有較高的精度。差壓傳感器的輸出電容值非常小，一般為PF數(shù)量級(jí)，因此，在差壓傳感器的使用中，就對電容測量有較高的要求。目前國內(nèi)外有許多測量方法如差動(dòng)脈沖調(diào)制電路、運(yùn)算放大器測量電路、交流不平衡電橋、羅斯蒙特的成型電路等。由于差壓傳感器的電容量非常小，所以電容變化量就更小(大約為總量程的5%左右)，以上的差壓傳感器的測量方法都有精確度低、靈敏度低、電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種對差壓傳感器的輸出電容值高精度測試的用于差壓傳感器的等精度測量方法。
[0004]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種用于差壓傳感器的等精度測量方法，包括如下步驟，
步驟SOl:根據(jù)等精度電容頻率測量方法，設(shè)計(jì)差壓傳感器測試電路；
步驟S02:通過差壓傳感器測試電路對差壓傳感器的電容充電時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)；
步驟S03:根據(jù)電容值大小與電容充電時(shí)間之間的關(guān)系以及所述步驟S02獲得的計(jì)數(shù)值，計(jì)算出差壓傳感器的輸出電容值。
[0005]在本發(fā)明實(shí)施例中，所述步驟S02，具體實(shí)現(xiàn)過程為:采用等精度電容頻率測量方法分別對差壓傳感器的電容Cl和電容C2的I次充電時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)，得出第一計(jì)數(shù)值Tl和第二計(jì)數(shù)值T2。
[0006]在本發(fā)明實(shí)施例中，所述步驟S03，具體實(shí)現(xiàn)過程為:
根據(jù)第一計(jì)數(shù)值Tl、第二計(jì)數(shù)值T2及以下公式，計(jì)算出差壓傳感器的輸出電容值， (T1-T2)/(T1+T2)= (C1-C2) /(C1+C2)
即 ΔΡ=ΚΧ (T1-T2) /(T1+T2)
其中，Λ P為差壓值，K為常數(shù)；由上述公式可知，差壓傳感器的輸出電容值的相對誤差與被測電容的大小無關(guān)，只和計(jì)數(shù)值Τ1、Τ2相關(guān)，而Τ1、Τ2的相對誤差只和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的頻率有關(guān)。
[0007]在本發(fā)明實(shí)施例中，所述等精度電容頻率測量方法具體為:通過兩個(gè)計(jì)數(shù)器分別對標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)和被測時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，即當(dāng)被測時(shí)鐘信號(hào)的上升沿到來時(shí)第一計(jì)數(shù)器和第二計(jì)數(shù)器同時(shí)開始計(jì)數(shù)，當(dāng)?shù)诙?jì)數(shù)器達(dá)到設(shè)定數(shù)值時(shí)，對標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)的第一計(jì)數(shù)器同時(shí)停止計(jì)數(shù)。[0008]在本發(fā)明實(shí)施例中，所述差壓傳感器測試電路包括RS觸發(fā)器、控制芯片、第一電壓比較器、第二電壓比較器、單刀雙擲開關(guān)、第一至第三電阻以及第一至第二電容；所述第一電阻的一端連接至電源端，所述第一電阻的另一端經(jīng)所述單刀雙擲開關(guān)分別與第一電容的一端和第二電容的一端連接，所述第一電容的另一端和第二電容的另一端均連接至地端；所述第二電阻的一端接至電源端，所述第二電阻的另一端經(jīng)第三電阻連接至地端；所述第一電容的一端和第二電容的一端還分別與第一電壓比較器和第二電壓比較器的反相輸入端連接，所述第一電壓比較器和第二電壓比較器的正相輸入端均連接至第二電阻與第三電阻的連接點(diǎn)；所述第一電壓比較器和第二電壓比較器的輸出端分別與所述RS觸發(fā)器的第一輸入端和第二輸入端連接，所述RS觸發(fā)器的輸出端連接至控制芯片。
[0009]相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果:本發(fā)明方法測試的電容值精度高，使用效果好，實(shí)現(xiàn)了對差壓傳感器的輸出電容值的高精度測試。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1為等精度測量電容原理圖。
[0011]圖2為等精度測量電容電路原理圖。
[0012]圖3為本發(fā)明等精度測量電容總體硬件框圖。【具體實(shí)施方式】
[0013]下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行具體說明。
[0014]本發(fā)明一種用于差壓傳感器的等精度測量方法，包括如下步驟，
步驟SOl:根據(jù)等精度電容頻率測量方法，設(shè)計(jì)差壓傳感器測試電路；
步驟S02:通過差壓傳感器測試電路對差壓傳感器的電容充電時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)，具體實(shí)現(xiàn)過程為:
采用等精度電容頻率測量方法分別對差壓傳感器的電容Cl和電容C2的I次充電時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)，得出第一計(jì)數(shù)值Tl和第二計(jì)數(shù)值T2 ；
步驟S03:根據(jù)電容值大小與電容充電時(shí)間之間的關(guān)系以及所述步驟S02獲得的計(jì)數(shù)值，計(jì)算出差壓傳感器的輸出電容值，具體實(shí)現(xiàn)過程為:
根據(jù)第一計(jì)數(shù)值Tl、第二計(jì)數(shù)值T2及以下公式，計(jì)算出差壓傳感器的輸出電容值， (T1-T2)/(T1+T2)= (C1-C2) /(C1+C2)
即 ΔΡ=ΚΧ (T1-T2) /(T1+T2)
其中，Λ P為差壓值，K為常數(shù)；由上述公式可知，差壓傳感器的輸出電容值的相對誤差與被測電容的大小無關(guān)，只和計(jì)數(shù)值Τ1、Τ2相關(guān)，而Τ1、Τ2的相對誤差只和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的頻率有關(guān)。
[0015]所述等精度電容頻率測量方法具體為:通過兩個(gè)計(jì)數(shù)器分別對標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)和被測時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，即當(dāng)被測時(shí)鐘信號(hào)的上升沿到來時(shí)第一計(jì)數(shù)器和第二計(jì)數(shù)器同時(shí)開始計(jì)數(shù)，當(dāng)?shù)诙?jì)數(shù)器達(dá)到設(shè)定數(shù)值時(shí)，對標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)的第一計(jì)數(shù)器同時(shí)停止計(jì)數(shù)。
[0016]所述差壓傳感器測試電路包括RS觸發(fā)器、控制芯片、第一電壓比較器、第二電壓比較器、單刀雙擲開關(guān)、第一至第三電阻以及第一至第二電容；所述第一電阻的一端連接至電源端，所述第一電阻的另一端經(jīng)所述單刀雙擲開關(guān)分別與第一電容的一端和第二電容的一端連接，所述第一電容的另一端和第二電容的另一端均連接至地端；所述第二電阻的一端接至電源端，所述第二電阻的另一端經(jīng)第三電阻連接至地端；所述第一電容的一端和第二電容的一端還分別與第一電壓比較器和第二電壓比較器的反相輸入端連接，所述第一電壓比較器和第二電壓比較器的正相輸入端均連接至第二電阻與第三電阻的連接點(diǎn)；所述第一電壓比較器和第二電壓比較器的輸出端分別與所述RS觸發(fā)器的第一輸入端和第二輸入端連接，所述RS觸發(fā)器的輸出端連接至控制芯片。
[0017]以下為本發(fā)明的具體實(shí)施例。
[0018]本發(fā)明所采用的等精度電容頻率測量方法能夠兼顧低頻和高頻信號(hào)，并且誤差不會(huì)隨著被測信號(hào)頻率的改變而改變。等精度測量電容原理框圖如圖1所示，電路原理圖如圖2所示，設(shè)計(jì)兩個(gè)計(jì)數(shù)器對被測信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)分別進(jìn)行計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器I對標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器2對被測信號(hào)計(jì)數(shù)。當(dāng)被測信號(hào)的上升沿到來時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。當(dāng)被測信號(hào)的計(jì)數(shù)器達(dá)到預(yù)先設(shè)定的數(shù)值時(shí)，測量標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的計(jì)數(shù)器也停止計(jì)數(shù)，完成一次測量過程。
[0019]計(jì)數(shù)器對I次電容 充電時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)，根據(jù)電容的大小不同，則充電的時(shí)間也不同。所以最后可以得到與電容Cl成正比計(jì)數(shù)器值Tl，與電容C2成正比的計(jì)數(shù)器值T2。最后用微處理器將Tl，T2進(jìn)行如下計(jì)算，從而得出差壓值(即差壓傳感器的輸出電容值)。
[0020](T1-T2)/(T1+T2)= (C1-C2) / (C1+C2)
即 ΔΡ=ΚΧ (T1-T2) /(T1+T2)
由上式可以得出，差壓值的相對誤差與被測電容的大小無關(guān)，只和計(jì)數(shù)器值Tl、T2相關(guān)，而T1、T2的相對誤差只和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的頻率有關(guān)。從而實(shí)現(xiàn)了差壓的等精度測量。
[0021]圖2中Cl，C2為電容傳感器中的差動(dòng)電容，若雙穩(wěn)觸發(fā)器處于Q=I，-Q=O狀態(tài)，則電容Cl充電，一直充電到C點(diǎn)電位高于Vr，比較器Al輸出正跳變信號(hào)，而電容C2經(jīng)R2放電，比較器Α2輸出負(fù)跳變，激勵(lì)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，使Q=0，-Q=I。于是C2充電，Cl放電，從而使得比較器Al產(chǎn)生負(fù)跳變，激勵(lì)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)。若Cl古C2，則A、B兩點(diǎn)間的平均電壓不為零，V0=Va-Vb=VI ( Δ d/dO)(在改變傳感器電容的間距情況下)，或Vcj=Va-Vb=VI (ΔΑ/Α)(在改變傳感器電容的極板面積情況下)。上式中:V1為觸發(fā)器的輸出高電平值；d0為傳感器的初始間距；A為傳感器的初始極板面積；△ d為傳感器極板間間距的變化量；△ A為傳感器極板間面積的變化量。這個(gè)循環(huán)不斷交替，當(dāng)差動(dòng)變壓器C1=C2時(shí)，A、B兩點(diǎn)間的平均電壓為零。
[0022]在本發(fā)明的具體實(shí)施電路設(shè)計(jì)中，主要考慮電路的功能是測試差壓傳感器的輸出電容值，應(yīng)該盡量選擇高速、低功耗的器件。計(jì)數(shù)器和邏輯處理選擇ALTERA公司生產(chǎn)的EP1C3T100芯片，電子開關(guān)選用了單刀雙擲開關(guān)ADG779，電壓比較器使用的是ADCMP602，RS觸發(fā)器74LS279 (如圖3所示)。
[0023]傳統(tǒng)的充放電測量電路是由兩個(gè)電阻分別對差動(dòng)電容傳感器的兩個(gè)電容進(jìn)行充電的，但是這種測量方法會(huì)使得兩個(gè)電阻所帶來的誤差傳遞給了 RC充電電路，使得兩路充電回路的參數(shù)不同。本文采用的測量方法是單電阻對兩個(gè)差動(dòng)電容輪流充電，避免誤差，但是單刀雙擲開關(guān)的兩路導(dǎo)通電阻的差異，仍然帶來一定的誤差。在電路中使用的是200K的電阻，單刀雙擲開關(guān)ADG779的兩路導(dǎo)通電阻的差異最大為2.5 Ω，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于整個(gè)電路的電阻。電壓比較器ADCMP602是整個(gè)測量電路的關(guān)鍵部分，它的傳播延遲將決定著電路在電壓最大時(shí)的邊緣分辨率，所以電壓比較器的傳播延遲可以看做是固定的時(shí)間偏移。ADCMP602是一款快速比較器，采用ADI公司的專有XFCB2工藝制造，低噪聲，TTL-/CMOS-兼容輸出驅(qū)動(dòng)器，在電源電流典型值為3mA時(shí)，該器件提供5 ns傳播延遲、10 mV過驅(qū)性能，可驅(qū)動(dòng)5 pF負(fù)載。模擬開關(guān)ADG779的導(dǎo)通時(shí)間和斷開時(shí)間也影響著系統(tǒng)的分辨率，ADG779的導(dǎo)通時(shí)間延遲為14ns，斷開時(shí)間延遲為3ns。在測量中量化這些誤差能夠提高整個(gè)系統(tǒng)的分辨率。本文所使用的FPGA芯片是ALTERA公司生產(chǎn)的EP1C3T100芯片。FPGA可以根據(jù)自己的需要而自己進(jìn)行設(shè)計(jì)的數(shù)字集成電路，通過編寫VHDL設(shè)計(jì)語言，生成目標(biāo)文件，最后通過通信接口下載到要使用的FPGA集成芯片中，從而實(shí)現(xiàn)電路功能設(shè)計(jì)。所以，可編程邏輯器件設(shè)計(jì)電路比數(shù)字電路硬件更靈活，具有高集成、設(shè)計(jì)開發(fā)周期短、保密性強(qiáng)等特點(diǎn)。
[0024]在恒溫的條件下，對標(biāo)準(zhǔn)電容0.22uf和0.33uf分別進(jìn)行等精度測量，得到測試數(shù)據(jù)。結(jié)果是使用本發(fā)明的測量電路可以測量差壓傳感器電容值，測量精度達(dá)到18位，分辨率為0.2pF。
[0025]以上是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明技術(shù)方案所作的改變，所產(chǎn)生的功能作用未超出本發(fā)明技術(shù)方案的范圍時(shí)，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種用于差壓傳感器的等精度測量方法，其特征在于:包括如下步驟， 步驟SOl:根據(jù)等精度電容頻率測量方法，設(shè)計(jì)差壓傳感器測試電路； 步驟S02:通過差壓傳感器測試電路對差壓傳感器的電容充電時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)； 步驟S03:根據(jù)電容值大小與電容充電時(shí)間之間的關(guān)系以及所述步驟S02獲得的計(jì)數(shù)值，計(jì)算出差壓傳感器的輸出電容值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于差壓傳感器的等精度測量方法，其特征在于:所述步驟S02，具體實(shí)現(xiàn)過程為:采用等精度電容頻率測量方法分別對差壓傳感器的電容Cl和電容C2的I次充電時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)，得出第一計(jì)數(shù)值Tl和第二計(jì)數(shù)值T2。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種用于差壓傳感器的等精度測量方法，其特征在于:所述步驟S03，具體實(shí)現(xiàn)過程為: 根據(jù)第一計(jì)數(shù)值Tl、第二計(jì)數(shù)值T2及以下公式，計(jì)算出差壓傳感器的輸出電容值，
(T1-T2)/(T1+T2)= (C1-C2) /(C1+C2) 即 ΔΡ=ΚΧ (T1-T2) /(T1+T2) 其中，Λ P為差壓值，K為常數(shù)；由上述公式可知，差壓傳感器的輸出電容值的相對誤差與被測電容的大小無關(guān)，只和計(jì)數(shù)值Τ1、Τ2相關(guān)，而Τ1、Τ2的相對誤差只和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的頻率有關(guān)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種用于差壓傳感器的等精度測量方法，其特征在于:所述等精度電容頻率測量方法具體為:通過兩個(gè)計(jì)數(shù)器分別對標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)和被測時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，即當(dāng)被測時(shí)鐘信號(hào)的上升沿到來時(shí)第一計(jì)數(shù)器和第二計(jì)數(shù)器同時(shí)開始計(jì)數(shù)，當(dāng)?shù)诙?jì)數(shù)器達(dá)到設(shè)定數(shù)值時(shí)，對標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)的第一計(jì)數(shù)器同時(shí)停止計(jì)數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于差壓傳感器的等精度測量方法，其特征在于:所述差壓傳感器測試電路包括RS觸發(fā)器、控制芯片、第一電壓比較器、第二電壓比較器、單刀雙擲開關(guān)、第一至第三電阻以及第一至第二電容；所述第一電阻的一端連接至電源端，所述第一電阻的另一端經(jīng)所述單刀雙擲開關(guān)分別與第一電容的一端和第二電容的一端連接，所述第一電容的另一端和第二電容的另 一端均連接至地端；所述第二電阻的一端接至電源端，所述第二電阻的另一端經(jīng)第三電阻連接至地端；所述第一電容的一端和第二電容的一端還分別與第一電壓比較器和第二電壓比較器的反相輸入端連接，所述第一電壓比較器和第二電壓比較器的正相輸入端均連接至第二電阻與第三電阻的連接點(diǎn)；所述第一電壓比較器和第二電壓比較器的輸出端分別與所述RS觸發(fā)器的第一輸入端和第二輸入端連接，所述RS觸發(fā)器的輸出端連接至控制芯片。
【文檔編號(hào)】G01L27/00GK103983401SQ201410238063
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月31日
【發(fā)明者】林偉, 唐崇森, 呂濤 申請人:福州大學(xué)