電容式壓力傳感器測量原理與電路設計

電容式壓力傳感器測量原理與電路設計

　　硅電容壓力傳感器是利用硅基材料， 應用電容原理， 采用MEMS 工藝制作的一類新型壓力傳感器。因其具有穩定性好， 非線性和可靠性優越的性能被廣泛用于工業控制和測量領域。但是差動電容式壓力傳感器的輸出差動電容信號通常都非常微弱， 因此， 如何將微小電容變化量檢測及轉換為后續電路容易處理的信號至關重要。目前， 比較常用的檢測調理電路如諧振法、振蕩法、開關電容法、AC 電橋法、運算放大器檢測法等。這些調理電路都是采用分離元件設計而成的， 而文中將采用一款電容專用檢測轉換芯片CAV424作為調理電路的核心部件。實驗表明該電路穩定性高， 功耗低， 且非線性度在02%~ 0 1%, 非常適合使用干電池供電的儀表儀器。

　　1 CAV424工作原理

　　1. 1 測量原理

　　CAV424是專門用于電容檢測轉換的集成芯片， 其工作原理圖及外圍連接圖。

CAV424工作原理圖及外圍連接圖

　　由圖1可知， 通過電容C osc調整參考振蕩器的頻率來驅動2個構造對稱的積分器并使它們在時間和相位上同步。2 個被控制的積分器的振幅分別由電容C X1和C X2來決定， 這里C X1作參考電容， C X2作為測量電容。由于積分器具有很高的共模抑制比和分辨率， 所以2個振幅的差值所提供的信號就反映出2個電容C X1和C X2的差值。這個電壓差值通過后面的有源濾波器濾波為直流電源信號（整流效應）， 然后送到可調的放大器， 調整RL 1和RL 2的值， 可得到所需要的輸出電壓值。如果2 個電容C X1和C X2值相同， 那么經過整流和濾波得到的一個直流電壓信號就是零。如果測量C X2電容改變了△C X2, 那么得到的輸出電壓與之是成正比的。如果2個電容C X1和C X2值不相同， 那么當C X2 = 0時， 在輸出端得到的是一個偏置值， 它始終是疊加在直流電壓信號上的。

　　1.2 測量輸出

　　根據CAV424工作原理及外圍電路連接圖， 可得測量輸出表達式：

公式

　　這里取ICX1= ICX2= IC, 所以輸出表達式（ 1）可簡化為：

公式式中：

公式

　　VM 為參考電壓2 5 V; Ic 為2個積分器的充電電流， 這里取常數5 A; fOSC為參考振蕩器頻率范圍， 其由被測電容的最小值決定。

　　2 硬件電路及軟件設計

　　2. 1 系統設計

　　該系統主要以CAV424檢測芯片和微處理器控制模塊為核心， 另外還有輸出顯示模塊以及電源模塊等。系統框圖如圖2所示。

電容式壓力傳感器測量原理與電路設計

系統框圖

　　CAV424檢測芯片在系統中主要任務是將傳感器的差動電容信號轉換為可測的電壓信號。差動式壓力傳感器的低壓端連接C X1參考電容端， 高壓端連接C X2被測電容端， 這樣連接可以保證輸出電壓始終為正。

　　2. 2 電容檢測電路設計

　　根據硅電容壓力傳感器核心器件可看成由中心可動電極和兩邊的固定電極組成的2個可變電容， 其敏感電容可以簡單地認為是平板電容， 而平板電容公式為：

公式

　　并且將C X1參連接到差壓的高壓端， C X2連接到低壓端。由此可得C X1參和C X2表達式：

公式

　　因此可得式（ 2） 最終表達式：

公式

　　式中： ε為兩極板間介質的介電常數； S 為兩極板相對有效面積； δ為兩極板的間隙。

　　因此， 在小位移情況下， 外加壓力和△δ成比例關系， 可見電容的倒數差與輸入壓力成線性關系。所以文中將CAV424的CX 1作為參考電容端連接到差壓的高壓端是合適的， 這樣的線性關系減少了系統誤差的影響， 提高了系統的可靠性和準確性。CAV424檢測轉換原理如圖3所示。

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