电容传感器测量电路的温度补偿

收稿日期 : 2006 - 12 - 09 3 基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (60572001)
第 7期 杨三序 ,等 :电容传感器测量电路的温度补偿 65
量电路和单片机 SCM 等 。图中 , R0 和 Rt 组成了热敏电阻器 温度取样电路 , SCM 根据 Rt 上端的电压值对各种温度下的 传感器输出电压值进行补偿 ,最终使得输出电压 Vo’成为图 3 中与 B 点相切的一条水平直线 (见图 3中的虚线 ) 。
GDW—100B型高低温试验箱 。 首先 ,将包括电容传感器及测量电路板在内的试验装
置放置在试验箱内缓慢升温到 60 ℃以上 ,保温 10 m in;然 后 , 缓 慢 降 温到 - 10 ℃以 下 , 保 温 10 m in; 再 升 温 , 降 温 ……,如此循环 3次 。在整个过程中记录下热敏电阻器阻 值 、试验箱内温度值和对应的测量电路输出电压值 。计算 出各种温度下升温和降温行程中数据的算术平均值 ,得到 图 3所示的测量电路输出电压与温度的实际平均特性曲 线。
Tem pera ture com pen sa tion of capac itance tran sducer m ea sur ing c ircu it3
YAN G San2xu1 , L I X iao2wei1 , WANG Ye2zheng2
( 1. D epartm en t of Physics, Shangq iu Teachers College, Shangq iu 476000, Ch ina;
本文利用热敏电阻器对温度取样 ,通过试验得到测量 电路的输出电压随温度变化的规律 ,采用单片机技术对电 路进行温度补偿 ,使得温度漂移减小为原来的 20 %。 1 测量电路的基本工作原理
电荷转移式微电容测量电路的基本工作原理见图 1。 图中 ,四相检测电路把被测电容 Cx 的电容值转换成电 压 V1 ,经电阻 R2 送到运算放大器 OP的反相输入端 ; V2 为 调零电压 ; OP和外围元件组成反相输入求和电路 ,由模拟 电子技术 [3 ]可知 ,输出电压 Vo 为
障 。若热敏电阻器开路或短路 ,则进入错误处理程序 ,发出
报警信号 ;若没有故障 ,则以 A /D转换值为地址 ,查表得到
相应的输出电压数字量 ,然后 ,将该数字量进行 D /A 转换 ,
并在相应引脚上输出转换后的模拟电压 V3。具体单片机 程序流程图见图 5。Biblioteka Baidu
3. 4 温度补偿后的试验 温度补偿后又按照前述方法进行了温度漂移试验 ,计
度。
3. 3 单片机程序设计 根据电容测量电路工作环境的温度变化情况 ,确定每
秒钟进行一次温度补偿 。
由于热敏电阻器的阻值随温度的变化和传感器输出电
压随温度的漂移都是非线性的 ,因此 ,为简化程序和提高程
序的运行效率 ,采用查表方式对温度漂移进行补偿 。根据
所选热敏电阻器的 R— T特性表查出不同温度下的电阻值 ,
Vo = -
RF R2
V1
+
RF R3
V2
.
(1)
图 1 电荷转移式微电容测量电路的基本工作原理
F ig 1 Ba sic pr inc iple of charge tran sfer capac itance
2 温度漂移试验
m ea sur ing c ircu it
被测电容 Cx 选用车辆称重用车载式变极距电容传感 器 ,极板密封在 ABS塑料内 ,极距保持在无载荷的最大工
技术 , 2003, 22 ( 10) : 13 - 15. [ 2 ] Yang San2xu, Yang W u2qiang. A portable stray2immune capaci2
tance meter[ J ]. Review of Scientific Instruments, 2002, 73 ( 4 ) :
作位置 。测量电路的灵敏度调整为 1V /pF,不接 Cx 时改变 V2 使运算放大器 OP的输出电压 Vo = 0。
温度传感器采用灵敏度高 、体积小的负温度系数热敏
电阻器 , 其 标 称 电 阻 值 R25 = 10 kΩ , 材 料 常 数 B ( 25 ℃ / 85 ℃) = 3 950 K。该电阻的 R— T特性曲线见图 2。
这样的温度漂移值对车辆载荷质量检测精度的影响还是比
较大的 ,因此 ,需要对其进行补偿 。 3 温度补偿 3. 1 温度补偿电路和补偿原理
温度补偿电路见图 4,它在图 1的基础上增加了温度测
图 4 温度补偿电路
F ig 4 Tem pera ture com pen sa tion c ircu it
算出各种温度下升温和降温行程中数据的算术平均值 。对
试验数据分析的结果表明 :补偿后电路的温度漂移小于补
偿前的 20 %。部分试验数据摘录于表 1。
66 传 感 器 与 微 系 统 第 26卷
图 5 程序流程图 F ig 5 Flow chart of program 表 1 补偿后的测量电路试验数据 Tab 1 Exper im en t da ta of m ea sur ing c ircu it after com pen sa tion
1958 - 1961. [ 3 ] 杨素行. 模拟电子技术基础简明教程 [M ]. 2版. 北京 :高等教
育出版社 , 2004: 322 - 340. [ 4 ] 王化祥 ,张淑英. 传感器原理及应用 [M ]. 天津 :天津大学出
2. Shangq iu Veh icle Genera l Factory, Shangq iu 476000, Ch ina )
Abstract: W hen the charge transfer capacitance measuring circuit works all the year round, there w ill be a quite considerable temperature drift in its output. The temperature is samp led w ith therm istors, the regularity of output voltage of capacitance measuring circuit changing w ith temperature from experiments is found, and then the temperature of the circuit is compensated w ith the m icro2controller techniques. The temperature drift to 20 % of the original can be reduced. A new compensation method doesn’t come the influence of measuring circuit adjustment of zero position and gain. Key words: capacitance weighing transducer; temperature compensation; therm istor; m icro2controller
4 结 论 因为电容测量电路的工作温度范围和温度漂移相对较
小 ,对单片机的 A /D转换精度要求不高 ,普通的 8位就可
以满足精度要求了 。本文的单片机输出的补偿电压加至运 算放大器 OP的反相输入端 ,相对于加至 OP的输出端来 说 ,不影响调整零位电压 V2 和增益调整电阻 RF。试验结 果表明 :采用热敏电阻器对电容测量电路进行温度补偿 ,能 明显减小电路的温度漂移 ,但由于每一种电容测量电路的 温度漂移规律都不会完全相同 ,所以 ,这种温度补偿方法需 要针对每一种电路单独进行 。 参考文献 : [ 1 ] 杨三序. 基于四相检测技术的微电容工业传感器 [ J ]. 传感器
3. 2 单片机输出电压 V3 的计算 图 4中运算放大器 OP的输出电压为
V ′o = -
RF R2
V
1
+
RF R3
V2
+
RF R3
V3
.
将式 ( 1)代入上式后 ,得
V ′o = Vo
-
R R
F 4
V3
.
从而解出
V3
= R3 RF
(Vo
- V ′o )
,
(2)
式中 (Vo - Vo’)为图 3 中曲线上任一点相对于 B 点的高
64 传感器与微系统 ( Transducer and M icrosystem Technologies) 2007年 第 26卷 第 7期
电容传感器测量电路的温度补偿 3
杨三序 1 , 李晓伟 1 , 王业正 2
(1. 商丘师范学院 物理系 ,河南 商丘 476000; 2. 商丘车辆总厂 ,河南 商丘 476000)
图 2 选用热敏电阻器的 R 2T特性曲线 F ig 2 R 2T character istic curve of therm istor 将热敏电阻器固定在测量电路板上 。测量电路的输出 电压和热敏电阻器的电阻值分别采用 2只 3 3 /4位的数字 万用表读数 。试验设备选用温度范围为 - 20～150 ℃的
图 3 输出电压与温度的实际平均特性曲线 F ig 3 Actua l average character istic curve of output
voltage vs tem pera ture
曲线上 A, B , C 3 个 特 殊 点 的 坐 标 分 别 为 : A ( - 10,
187. 8) , B ( - 2, 183. 4) , C ( 18, 192. 4) 。曲线 AB 段的温度
摘 要 : 电荷转移式电容测量电路长年工作时 ,其输出会有较大的温度漂移 。利用热敏电阻器对温度取 样 ,由试验得到电容测量电路的输出电压随温度变化的规律 ,采用单片机技术对电路进行温度补偿 ,可使 温度漂移减小为原来的 20 %。这种补偿方法不受测量电路零位 、增益调整的影响 。 关键词 : 电容式称重传感器 ; 温度补偿 ; 热敏电阻器 ; 单片机 中图分类号 : TP212. 1 文献标识码 : A 文章编号 : 1000 - 9787 (2007) 07 - 0064 - 03
漂移 [4 ]
Δ
γ AB
=
AB
YFSΔT
×100
%
=
600
187. ×[
8- 10
183. -(
4 -2
)
]
×100 %
=
-
0.
09 %
/℃ ,
式中 ΔAB为输出最大偏差 , mV; YFS为满量程输出 , mV;ΔT 为温度变化范围 , ℃。
同样 ,可计算出曲线
B
C
段的温度漂移
γ B
C
= 0.
08 % / ℃。
温 度 ( ℃) 输出电压 (mV )
温 度 ( ℃) 输出电压 (mV )
- 10 - 5
0
5
10
15
20
25
183. 3 183. 5 183. 9 184. 2 183. 7 183. 2 183. 5 183. 6
30
35
40
45
50
55
60
183. 5 183. 0 182. 8 182. 6 183. 1 183. 1 183. 2
结合图 4电路的参数 ,计算出不同温度下 R t 上端的电压 , 将该电压转换为数字量 ,作为表中数据的地址 。表中数据
为不同温度下单片机应输出电压的数字量 ,可根据图 3 按
式 (2)计算并转换得到 。
上电后 ,单片机判断时间若到了 1 s,就将 R t 上端的电 压进行 A /D转换 ,并判断热敏电阻器是否有开路或短路故
0 引 言 用车载式电容传感器检测车辆载荷质量时 ,采用了基
于四相检测技术的电荷转移式微电容测量电路 [1, 2 ] 。这是 一种已被广泛应用的微电容测量电路 ,它具有很强的消除 杂散电容影响的能力 ,能精确测量小于 1 pF的电容 ,分辨 力大于 1 fF。但是 ,该电路中的双向开关和运算放大器等 模拟元件容易受到工作环境温度变化的影响 ,致使电路的 输出有较大的温度漂移 ,不能适应传感器的长年称重需要 。