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1、差动电容式传感器的灵敏度高、非线性误差小，同时还能减小静电引力给测量带来的影响，并 能有效地改善由于温度等环境影响所造成的误差，因而在许多测量控制场合中，用到的电容式 传感器大多是差动式电容传感器。然而，电容式传感器的电容值十分微小，必须借助信号调理 电路，将微小电容的变化转换成与其成正比的电压、电流或频率的变化，这样才可以显示、记 录以及传输。目前，大多数电容式传感器信号调理电路使用分立元件或者专门去开发专用集成 电路(ASIC)。因为差动电容式传感器的电容量很小，传感器的调理电路往往受到寄生电容和环 境变化的影响而难以实现高精度测量；而由德国AMG公司开发的CAV424集成电路则能有效 地
2、减小这些影响所带来的误差，因而具有较大的应用灵活性。设计中的倾角传感器是新型变质面积电容式倾角传感器。该倾角传感器技术是为数不多的能够 兼有结构简单、可靠性高、有通用传感器集成电路等优点的倾角传感器技术之一。在测量仪器 仪表、建筑机械、天线定位、机器人技术、汽车四轮定位等方面有广泛应用。1系统工作原理系统硬件结构模块框图如图1所示，主要由差动电容、CAV424、运放、单片机和显示电路等 组成。系统由差动电容检测到倾角传感器安装位置的倾斜角度，并把角度变化转换成电容量变 化。此差动电容在一个增大的同时另一个减小，然后把两个电容的变化值分别送入2片CAV4 24中，由2片CAV424把电容的变化值
3、转换成两个不同的电压值。这两路电压经过差动放大 后送入单片机进行处理。最后由显示电路显示出被检测对象的倾斜角度大小。由上述原理可 知，被检测对象的倾斜角度经过了三级差动处理，同时CAV424自带有温度传感器。此传感器 的输出信号又送入单片机内进行温度补偿处理。因而该系统具有较高的精度和灵敏度。 .! L-J !T 喘度传感器信号卒图1系统硬件结构模块框图2系统各部分电路设计2.1差动电容/电压转换电路设计考虑到差动电容的容量很小，传感器的调理电路往往易受到寄生电容和环境变化的影响，因此 采用德国AMG公司开发的CAV424作为差动电容的信号调理电路。又因为单片CAV424只能 检测到1个电容，
4、因而采用2片CAV424来完成差动电容的检测。（1）CAV424 简介CAV424是一个多用途的处理各种电容式传感器信号的完整的转换接口集成电路。它同时具有 信号采集（相对电容量变化）、处理和差分电压输出的功能，能够测量出一个被测电容和参考电 容的差值。在相对于参考电容值（10 pF1nF）5 %100%的范围内，可以检测0pF 2nF的电容 值，且其输出差分电压最大可达士 1. 4 V；同时，CAV424还具有内置温度传感器，可以直接 给微处理器提供温度信号用于温度补偿，从而简化整个传感器系统，原理如图2所示。 2 CAV424原理捱国(2)CAV424的检测原理1个通过电容Cosc确定频率
5、的参考振荡器驱动2个构造对称的积分器，并使它们在时间和相位 上同步。这2个积分器的振幅通过电容Cxl和Cx2确定(如图2)。这里，Cxl作为参考电容，而 Cx2作为被测电容。由于积分器具有很高的共模抑制比和分辨率，所以比较2个振幅的差值得 到的信号反映出2个电容Cxl和Cx2的相对变化量。该差分信号通过1个二级低通滤波器转换 成直流电压信号，并经过输出可调的差分级输出。只要简单调整很少的元件，就可以改变低通 滤波器的滤波常数和放大倍数。参考振荡器对外接的振荡器电容Cosc和与它相关的内部寄生电容Cosc，PAR，INT以及外接 的寄生电容Cosc. PAR. EXT充电，然后放电。振荡器的电容
6、近似地取为Coc=1. 6Cxl。参 考振荡器电流Iosc=VM / Rosc。实测振荡器的输出波形，即任一片CAV424 的 12脚输出波 形，如参考文献1的图2所示。电容式积分器的工作方式与参考振荡器的工作方式接近，区别在于前者放电时间是参考振荡器 的一半，其次前者的放电电压被钳制在一个内部固定的电压VCLAAMP上，实测2片CAV424的14脚和16脚(电容积分器的输出电压)，输出波形可从参考文献1中查找。两个积分器的输出电压经内部信号调理后的输出，在理想状况下应为VLPOUT=VDIFF+VM其中差分信号VDIFF=3 / 8(Vcx1-Vx2), VM为参考电压。(3)实际硬件电路及
7、电路参数设计实际的差动电容/电压转换电路如图3所示。CX2(SCLRA3/AN3/VREF RC4/SDI7SDARB0INTrcFRBIKBS-fcB2RB3皿-RB49C AV-424 7 脚二TLC84 的丁脚 _56HC16F872tzd10TT噩 713 814 J V IS 1610LB2626士+5V11壹1377VDD VDD NC VSS NC CS CLK DATA KY SG SFSD SCRESETRC CLECO D【S7 DIG6 DIG5 5G4 JG3 DIG2 D1G1 DIGODF SA SBHD7279A21usi ifi wi m dttdi f nrr20Qyx 导图5单片机及觐示系统件电蹈本系统的软件设计主要包括A/D转换、工程量转换和显示等几部分。主程序流程如图6所/示 O006主程序流程结语实验证明，该倾角传感器的测量精度及灵敏度均达预期要求。该设计是一个通用型模块，把倾 角传感器的差动电容换成其他的差动电容式传感器，就可以进行振动、加速度、差压、液面等 基于差动电容原理的精确测量，因此该系统的设计方案具有很大的应用价值。(end)
差动电容式传感器的灵敏度高
