[发明专利]一种陶瓷双电容式压力变送器电路

说明书

技术领域

本发明涉及微弱信号的检测与变换技术，尤其涉及到一种陶瓷双电容式压力变送器的检测与处理电路。

背景技术

陶瓷双电容式压力传感器是八十年代由美国kavlico公司发明的，目前世界上只有美国、德国和瑞士等几个国家有相关产品。陶瓷双电容式压力传感器利用电容变间隙式原理，采用厚膜传感技术和厚膜混合集成技术相结合，制成非充液空气介质的传感器，它具有以下特点：①温度稳定性好，本身发热很小，具有低的温漂；②结构简单，易于制造，适应性强，可实现高压力、高冲击和过载测量；③动态响应好，固有频率高，适合动态测量；④带电极间的静电引力小，所需输入力和输入能量小，可实现微压测试；⑤空气等介质的损耗小，允许电路高倍频放大，灵敏度高。

目前陶瓷双电容式压力传感器，及基于这种传感器的变送器在国内的使用量较大，除用于压力测量外，大多用于液位的间接测量。中国科学院合肥智能机械研究所在国内首先、也是唯一研制出陶瓷双电容式压力传感器的单位，(见中国专利ZL200610040162.3《一种双电容厚膜陶瓷感压元件的制备方法》)，其传感部分为陶瓷双电容感压膜片，结构如图1，它由陶瓷盖板和陶瓷弹性膜片作电极板，极板间隙为空气介质腔，在陶瓷弹性膜片上设置公共电极，在陶瓷盖板上设置同轴双电极，构成同轴环状的双电容结构。当弹性膜片受力时发生位移，使电容量产生变化，经信号处理电路转换为可输出的电信号。对于信号处理电路，实际上就是把电容信号转换为通常的电压或电流信号。对于这种电容信号的检测电路，未见到相关的报道。

陶瓷双电容式感压膜片的压力测量范围一般是几十Kpa到几百Kpa，相应的陶瓷电容的容值大约在40-100皮法，差动电容的变化量是几到十几皮法，这属于微小电容量级。对于微小电容的检测有多种方法，但不管用什么方法，若用分立元件来设计、试验，然后再做成专用集成或混合集成芯片，研制的工作量很大，费用也高，因为对于小电容量的电容传感器及变送器，不但要考虑其引线电容、电路设计的寄生电容以及环境变化的影响等，相关的调理电路复杂，并且由于分立元件过多，也将影响电容的测量精度。

发明内容

本发明的目的在于为陶瓷双电容感压膜片提供一种变送器电路，该电路可把感压膜片的电容变化量转换为标准的变送器输出信号，而且要求电路结构相对简洁，能满足小规模产品化生产的要求。

本发明采用的技术方案为：

一种陶瓷双电容压力变送器检测与变换电路，包括双电容陶瓷感压膜片，其公共电极、参考电极和测量电极经引线分别与电容-电压转换芯片输入端联接，电容-电压转换芯片输出端与仪表放大器的输入端联接，仪表放大器的输出端与单运放联接，单运放输出与电流-电压转换芯片的输入端联接。所述双电容陶瓷感压膜片将压力的变化引起电容的变化量输入电容电压转换芯片，电容-电压转换芯片将电容转化为电压形式，并用电阻分压形式输入仪表放大器，经仪表放大器调整信号大小，再通过电压-电流转化芯片进行V-I转化和非线性修正，最后输出4～20mA标准直流电流。在所述仪表放大器输出后级增设一单运算放大器作电压跟随器或信号微调。所述电压-电流转换芯片还联接有一个电压基准二极管。

所述电容电压转换芯片，是瑞士XEMICS公司的XE2004，供电电压范围为2.4V～5.5V，其输出端增设滤波电容。

所述仪表放大器，为AD623，单电源的情况下，允许供电范围为3.0V到12V之间。也可以使用其它单电源供电的运算放大器。

所述单运算放大器，为TLV2211或其它微功耗运算放大器；

所述电压电流转换芯片，为美国BB公司的XTR106，

所述电压基准二极管，为美国NS公司的LM385-1.2。

本发明是将由外界压力变化引起的双陶瓷电容的电容量变化通过XE2004芯片处理转化为电压信号，再经过适当调整之后输入XTR106芯片，进行线性修正和电压-电流转化后输出标准4～20mA直流电流信号。XTR106芯片是针对压阻式传感器而设计的，具有供电、放大、零点和满度调整、非线性调整、电压电流转化等功能一体化的专用集成电路，本发明主要是利用其非线性调整和电压电流转化的功能，为符合XTR106芯片的工作条件，本发明使用了一个电压基准二极管，来提升输入到XTR106芯片的零点和满度的电压值，使其满足信号的输入范围要求。