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CAV424傾角傳感器的檢測系統(tǒng)設(shè)計

點擊次數(shù):2428 更新時間:2009-05-07

差動電容式傳感器的靈敏度高、非線性誤差小,同時還能減小靜電引力給測量帶來的影響,并能有效地改善由于溫度等環(huán)境影響所造成的誤差,因而在許多測量控制場合中,用到的電容式傳感器大多是差動式電容傳感器。然而,電容式傳感器的電容值十分微小,必須借助信號調(diào)理電路,將微小電容的變化轉(zhuǎn)換成與其成正比的電壓、電流或頻率的變化,這樣才可以顯示、記錄以及傳輸。目前,大多數(shù)電容式傳感器信號調(diào)理電路使用分立元件或者專門去開發(fā)集成電路(ASIC)。因為差動電容式傳感器的電容量很小,傳感器的調(diào)理電路往往受到寄生電容和環(huán)境變化的影響而難以實現(xiàn)高精度測量;而由德國AMG公司開發(fā)的CAV424集成電路則能有效地減小這些影響所帶來的誤差,因而具有較大的應用靈活性。

  設(shè)計中的傾角傳感器是新型變質(zhì)面積電容式傾角傳感器。該傾角傳感器技術(shù)是為數(shù)不多的能夠兼有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、有通用傳感器集成電路等優(yōu)點的傾角傳感器技術(shù)之一。在測量儀器儀表、建筑機械、天線定位、機器人技術(shù)、汽車四輪定位等方面有廣泛應用。

1 系統(tǒng)工作原理

  系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)模塊框圖如圖1所示,主要由差動電容、CAV424、運放、單片機和顯示電路等組成。系統(tǒng)由差動電容檢測到傾角傳感器安裝位置的傾斜角度,并把角度變化轉(zhuǎn)換成電容量變化。此差動電容在一個增大的同時另一個減小,然后把兩個電容的變化值分別送入2片CAV424中,由2片CAV424把電容的變化值轉(zhuǎn)換成兩個不同的電壓值。這兩路電壓經(jīng)過差動放大后送入單片機進行處理。zui后由顯示電路顯示出被檢測對象的傾斜角度大小。由上述原理可知,被檢測對象的傾斜角度經(jīng)過了三級差動處理,同時CAV424自帶有溫度傳感器。此傳感器的輸出信號又送入單片機內(nèi)進行溫度補償處理。因而該系統(tǒng)具有較高的精度和靈敏度。

 

2 系統(tǒng)各部分電路設(shè)計

2.1 差動電容/電壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

  考慮到差動電容的容量很小,傳感器的調(diào)理電路往往易受到寄生電容和環(huán)境變化的影響,因此采用德國AMG公司開發(fā)的CAV424作為差動電容的信號調(diào)理電路。又因為單片CAV424只能檢測到1個電容,因而采用2片CAV424來完成差動電容的檢測。

(1)CAV424簡介

  CAV424是一個多用途的處理各種電容式傳感器信號的完整的轉(zhuǎn)換接口集成電路。它同時具有信號采集(相對電容量變化)、處理和差分電壓輸出的功能,能夠測量出一個被測電容和參考電容的差值。在相對于參考電容值(10 pF~1nF)5%~100%的范圍內(nèi),可以檢測0pF一2nF的電容值,且其輸出差分電壓zui大可達士1.4 V;同時,CAV424還具有內(nèi)置溫度傳感器,可以直接給微處理器提供溫度信號用于溫度補償,從而簡化整個傳感器系統(tǒng),原理如圖2所示。

 

(2)CAV424的檢測原理

  1個通過電容Cosc確定頻率的參考振蕩器驅(qū)動2個構(gòu)造對稱的積分器,并使它們在時間和相位上同步。這2個積分器的振幅通過電容Cxl和Cx2確定(如圖2)。這里,Cxl作為參考電容,而Cx2作為被測電容。由于積分器具有很高的共模抑制比和分辨率,所以比較2個振幅的差值得到的信號反映出2個電容Cxl和Cx2的相對變化量。該差分信號通過1個二級低通濾波器轉(zhuǎn)換成直流電壓信號,并經(jīng)過輸出可調(diào)的差分級輸出。只要簡單調(diào)整很少的元件,就可以改變低通濾波器的濾波常數(shù)和放大倍數(shù)。

  參考振蕩器對外接的振蕩器電容Cosc和與它相關(guān)的內(nèi)部寄生電容Cosc,PAR,INT以及外接的寄生電容Cosc.PAR.EXT充電,然后放電。振蕩器的電容近似地取為Coc=1.6Cxl。參考振蕩器電流Iosc=VM/Rosc。實測振蕩器的輸出波形,即任一片CAV424的12腳輸出波形,如參考文獻[1]的圖2所示。

  電容式積分器的工作方式與參考振蕩器的工作方式接近,區(qū)別在于前者放電時間是參考振蕩器的一半,其次前者的放電電壓被鉗制在一個內(nèi)部固定的電壓VCLAAMP上,實測2片CAV424的14腳和16腳(電容積分器的輸出電壓),輸出波形可從參考文獻[1]中查找。

兩個積分器的輸出電壓經(jīng)內(nèi)部信號調(diào)理后的輸出,在理想狀況下應為

VLPOUT=VDIFF+VM

其中差分信號VDIFF=3/8(Vcx1-Vx2),VM為參考電壓。

(3)實際硬件電路及電路參數(shù)設(shè)計

實際的差動電容/電壓轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

 

  傾角傳感器放在水平位置時,差動電容C10=C20=50pF,所以應選CAV424的參考電容C11=C21=50pF,振蕩電容C12=C22=1.6C11=80pF,低通濾波電容C13=C14=C23=C24=200C11=10nF,穩(wěn)定參考電壓VM的電容負載C15=C25=100 nF,電流調(diào)整電阻R11=R12=R21
=R22=500kΩ。參考振蕩器電流設(shè)定電阻R13=R23=250kΩ。為了調(diào)整VLPOUT,把輸出級電阻均調(diào)整為100kΩ的電位器。另外,為了提高電路的穩(wěn)定性,在CAV424的引腳4和地之間接了10nF的電容C16和C26。

2. 2運算放大器電路設(shè)計

  運放電路用來合成和放大2片CAV424輸出的電壓信號,使其轉(zhuǎn)換為易被單片機處理的O~5V直流電壓。若按一般設(shè)計原則,這里應選用儀用放大器;但考慮到儀用放大器成本較高,而且由于前級使用了兩片CAV424,其輸出電壓已經(jīng)較高,所以這里選用了性價比較高的四運放TL084作為信號調(diào)理電路。實驗表明其精度*達到了預定的設(shè)計要求。考慮到后級電路的簡易性,這里采用兩級運放。*級用兩片CAV424的VLPOUT分別作為運放的正反相輸入,使傾角傳感器在±90°變化時,Vol輸出為±2.5V,用2片CV424的任一VM端作為第二級運放的同相輸入端,使V02輸出電壓為0~5V。然后,再把此信號作為單片機的模擬輸入信號,實際電路如圖4所示。

 

這里,選取R1=R2=R3=R4=R5=Rf2=10 kΩ,Rf1=Rp1=100 kΩ,則

Uol=Rfl/R1(Vlpoutl-Vlpout2) (1)
Uo=VM-Uol(2)

把式(1)代入式(2),可得Uo=VM+Rf1/R1(Vlpout1-Vlpout2);同時,調(diào)整Rf2和Rp1,使傾角傳感器在±90°內(nèi)變化時,Uo在0~5V內(nèi)變化。

2.3單片機及其顯示系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計

(1)硬件設(shè)計

  考慮到運算放大器輸出的是0~5V模擬電壓信號,同時CAV424的溫度傳感器輸出也是模擬電壓信號,一般單片機無法直接處理,因此這里選用Microchip公司生產(chǎn)的PIC16F872作為系統(tǒng)的微處理器。它除了具有一般PIC系列單片機的精簡指令集(RISC,Reduced Instruetion Set Computer)、哈佛(Harvard)雙總線和兩級指令流水線結(jié)構(gòu)等特征外,還自帶有5個10位A/D轉(zhuǎn)換部件,2K×14位的Flash存儲器,為開發(fā)系統(tǒng)提供了極大的方便。

  另外,考慮到傾角傳感器既要顯示傾斜角度的大小,又要顯示角度的正負,同時考慮到編程方便和傾角傳感器的顯示精度問題,本設(shè)計選用HD7279作為8段數(shù)碼管顯示驅(qū)動電路,用以顯示傾角的大小及正負。

這部分的設(shè)計電路如圖5所示。

 

(2)軟件設(shè)計

  本系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括A/D轉(zhuǎn)換、工程量轉(zhuǎn)換和顯示等幾部分。主程序流程如圖6所示。

 

結(jié)語

  實驗證明,該傾角傳感器的測量精度及靈敏度均達預期要求。該設(shè)計是一個通用型模塊,把傾角傳感器的差動電容換成其他的差動電容式傳感器,就可以進行振動、加速度、差壓、液面等基于差動電容原理的測量,因此該系統(tǒng)的設(shè)計方案具有很大的應用價值。

 
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