电容传感器测量电路的温度补偿

维普资讯 http://www.cqvip.com ６４　传感器与微系统（Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ　ａｎｄ　Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）　２００７年第２６卷第７期　电容传感器测量电路的温度补偿　杨三序　，李晓伟　，王业正　（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）　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：ｉ０００－９７８７（２００７）０７一ｏｏ６４－－０３　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　０ｆ　ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ　ｔｒａｎＳｄｕｃｅｒ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｃｉｒｃｕｉｔ　Ｊ　ｌ　●　●　■　ＹＡＮＧ　Ｓａｎ．ｘｕ　，ＬＩ　Ｘｉａｏ—ｗｅｉ　，ＷＡＮＧ　Ｙｅ—ｚｈｅｎｇ。　（１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｓｈａｎｇｑｉｕ　Ｔｅａｃｈｅｒｓ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｓｈａｎｇｑｉｕ　４７６０００，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｓｈａｎｇｑｉｕ　Ｖｅｈｉｃｌｅ　Ｇｅｎｅｒａｌ　Ｆａｃｔｏｒｙ，Ｓｈａｎｇｑｉｕ　４７６０００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｃｈａｒｇｅ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｗｏｒｋｓ　ａｌｌ　ｔｈｅ　ｙｅａｒ　ｒｏｕｎｄ，ｔｈｅｒｅ　ｗｉｌｌ　ｂｅ　ａ　ｑｕｉｔｅ　ｃｏｎｓｉｄｅｒａｂｌｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｄｒｉｆｔ　ｉｎ　ｉｔｓ　ｏｕｔｐｕｔ．Ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｉｓ　ｓａｍｐｌｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅｒｍｉｓｔｏｒｓ，ｔｈｅ　ｒｅｇｕｌａｒｉｔｙ　ｏｆ　ｏｕｔｐｕｔ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｏｆ　ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｃｈａｎｇｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｆｒｏｍ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ　ｉｓ　ｆｏｕｎｄ，ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｉｓ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｍｉｃｒｏ—ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　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；ｔｈｅｒｍｉｓｔｏｒ；ｍｉｃｒｏ—ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　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　ｖｏ＝－　ｖ，＋　ＲＦ　）　于四相检测技术的电荷转移式微电容测量电路　。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　ｉＦ。但是，该电路中的双向开关和运算放大器等　图１　电荷转移式微电容测量电路的基本工作原理　模拟元件容易受到工作环境温度变化的影响，致使电路的　Ｆｉｇ　１　Ｂａｓｉｃ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｃｈａｒｇｅ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ　输出有较大的温度漂移，不能适应传感器的长年称重需要。　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｃｉｒｃｕｉｔ　本文利用热敏电阻器对温度取样，通过试验得到测量　２温度漂移试验　电路的输出电压随温度变化的规律，采用单片机技术对电　被测电容Ｃ　选用车辆称重用车载式变极距电容传感　路进行温度补偿，使得温度漂移减小为原来的２０％。　器，极板密封在ＡＢＳ塑料内，极距保持在无载荷的最大工　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。　作位置。测量电路的灵敏度调整为１　Ｖ／ｐＦ，不接　时改变　图中，四相检测电路把被测电容Ｃ　的电容值转换成电　使运算放大器ＯＰ的输出电压ｖｏ＝０。　压　，经电阻　送到运算放大器ＯＰ的反相输入端；　为　温度传感器采用灵敏度高、体积小的负温度系数热敏　调零电压；ＯＰ和外围元件组成反相输入求和电路，由模拟　电阻器，其标称电阻值Ｒ２５＝１０　ｋｇｔ，材料常数　（２５℃／　电子技术　可知，输出电压　为　８５℃）＝３　９５０Ｋ。该电阻的　—　特性曲线见图２。　收稿日期：２００６－－１２－－０９　基金项目：国家自然科学基金资助项目（６０５７２００１）　维普资讯 http://www.cqvip.com 第７期　杨三序，等：电容传感器测量电路的温度补偿　量电路和单片机ＳＣＭ等。图中，　和　组成了热敏电阻器　星　温度取样电路，ＳＣＭ根据Ｒ　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　成为图３　岛　温度／℃　图２选用热敏电阻器的Ｒ－Ｔ特性曲线　Ｆｉｇ　２　Ｒ－Ｔ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｃｕｒｖｅ　ｏｆ　ｔｈｅｒｍｉｓｔｏｒ　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　ｏＣ的　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６Ｏ℃以上，保温１０　ｍｉｎ；然　后，缓慢降温到一１Ｏ℃以下，保温１０　ｍｉｎ；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。　＞　毒　弭　温度／℃　图３输出电压与温度的实际平均特性曲线　Ｆｉｇ　３　Ａｃｔｕａｌ　ａｖｅｒａｇｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｃｕｒｖｅ　ｏｆ　ｏｕｔｐｕｔ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　曲线上Ａ，Ｂ，Ｃ　３个特殊点的坐标分别为：Ａ（一１Ｏ，　１８７．８），Ｂ（－－２，１８３，４），Ｃ（１８，１９２．４）。曲线ＡＢ段的温度　漂移　／ｔＡ　Ｂ仰　×１００％　＝Ｊ　×１００％一ｏ６００　Ｘ『　－１０　一（一２）ｌ　一　．０９％／￣Ｃ，’　式中△　为输出最大偏差，ｍＶ；　为满量程输出，ｍＶ；ＡＴ　为温度变化范围，℃。　同样，可计算出曲线ＢＣ段的温度漂移　叩＝Ｏ，０８％／℃。　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　中与　点相切的一条水平直线（见图３中的虚线）。　图４温度补偿电路　Ｆｉｇ　４　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｃｉｒｃｕｉｔ　３．２单片机输出电压　的计算　图４中运算放大器ＯＰ的输出电压为　一一－Ｏ（　＋惫　＋　ＲＦ　）．　将式（１）代入上式后，得　＝Ｖｏ一　．　从而解出　见ｖ３＝ＲＶ￣－Ｖ＇ｏ），　（２）　Ｆ　式中　（　—　）为图３中曲线上任一点相对于　点的高　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　特性表查出不同温度下的电阻值，　结合图４电路的参数，计算出不同温度下Ｒ　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　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　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　。具体单片机　程序流程图见图５。　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　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ｌ补偿后电路的温度漂移小于补　偿前的２Ｏ％。部分试验数据摘录于表１。　维普资讯 http://www.cqvip.com 传感器与微系统　第２６卷　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的反相输人端，相对于加至ＯＰ的输出端来　说，不影响调整零位电压　和增益调整电阻　。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　图５程序流程图　Ｆｉｇ　５　Ｆｌｏｗ　ｃｈａｒｔ　ｏｆ　ｐｒｏｇｒａｍ　技术，２００３，２２（１０）：１３－－１５．　［２］　Ｙａｎｇ　Ｓａｎ・ＸＵ，Ｙａｎｇ　Ｗｕ－ｑｉａｎｇ．Ａ　ｐｏｒｔａｂｌｅ　ｓｔｒａｙ－ｉｍｍｕｎｅ　ｃａｐａｃｉ－　ｔａｎｃｅ　ｍｅｔｅｒ［Ｊ］．Ｒｅｖｉｅｗ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，２００２，７３（４）：　１９５８－－１９６１．　表１　补偿后的测量电路试验数据　Ｔａｂ　１　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｄａｔａ　ｏｆ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ａｆｔｅｒ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　温度（℃）　一ｌＯ　－５　０　５　１０　１５　２０　２５　［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．　输出电压（ｍｙ）　温度（℃）　ｌ船３　ｌ船５　１８３　９　１８４　２　１８３　７　１８３　２　１８３　５　１８３．６　３Ｏ　３５　４０　４５　５０　５５　６０　［４］　王化祥，张淑英．传感器原理及应用［Ｍ］．天津：天津大学出　版社，２００２：７—９．　输出电压（ｍｙ）　ｌ船．５　ｌ船０　１８２　８　ｌ８２　６　ｌ船１　１８３　ｌ　１８３．２　４结论　作者简介：　杨三序（１９５１一），男，山东曹县人，教授，主要从事微电容测量　技术及应用的研究。　）　、　）　）　）　）　）　）　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　）　）　）　）　）　）　）　）　）　）　（上接第６Ｏ页）　［５］李西琴，陈历喜，汪慰军．用互相关函数判别零件表面形貌的　特征［Ｊ］．机械科学与技术，１９９８，１７（１）：４９－－５３．　［６］　张晓东，高波，宋之平．　村Ｊ关函数法在声学测温技术中的　明确的相关性，为同一回波源信号建立了严格的时域搜索　区间。根据这种布局特点得出了一个位置计算公式；　２）提出了Ｍｏｒｌｅｔ小波信号包络和高斯函数曲线及能　量相关性分析与计算方法。最后，由实验初步验证，运用这　些理论方法，进一步消除了噪声的干扰，并提高了检测声波　应用研究［Ｊ］．中国电机工程学报，２００３，２３（４）：１８５－－１８８．　［７］　何永强．单波束多探头超声波微地形探测系统研究［Ｄ］．长　沙：中南大学，２００５．　信号渡越时问的精度，而且，拟设计的探测系统在探测精　［８］　王志雄，高平，莫杰．海底地质勘查现代技术方法的应ｊ｛Ｊ　度、可靠性及工作效率等方面均高于传统的单波束多探头　微地形探测系统。　现状及发展趋势［Ｊ］．海洋地质与第四纪地质，２００２，２２（２）：　１０９－１１４．　［９］　Ｇｒｍｍｅ］Ｐ　Ｍ．Ｉｍｐｒｏｖｅ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｔｉｃ　ｓｉｇ－　参考文献：：　［１］朱维庆，朱敏，刘晓东，等．海洋微地貌测量系统［Ｊ］．海洋　ｎａｌ　ｍａｇｉｔａｄｅ［Ｊ］．Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ，１９８１，１９（２）：７３－－７６．　［１Ｏ］蒋立军，杜文萍，许枫．侧扫声纳回波信号的增益控制［Ｊ］．　测绘，２００３，２３（３）：２７－３１．　［２］杨劲松，王敏．超声波可变阈值测距装置［Ｊ］．电子技术应　海洋测绘，２００２，２２（３）：７—８．　用，１９９８（７）：７—９．　［１１］王建，等．Ｍｏｒｌｅｔ小波在振动信号包络检　琪，刘雁春，暴景阳．关于多波束与侧扫声纳回波检测方　［３］　徐文明，张梅军，唐法的探讨［Ｊ］．海洋技术，２００３，２２（３）：７０－７３．　测中的应用［Ｊ］．内燃机工程，２００２，２３（２）：８１—８４．　作者简介：　罗柏文（１９７５一），男，湖南茶陵人，博士研究生，主要从事深海　矿产资源采集技术和理论及数据可视化方面的研究。　［４］　朱凯汉，胡耀元．关于谱峰起始值及求积的研讨［Ｊ］．浙江师　范大学学报，２００３，２６（３）：２６５－－２６９．　‘　ｐ　ｐ　≯　≯　ｐ　ｐ　ｐ　ｐ　ｐ　ｐ　ｐ　≯　ｐ　≯　ｐ　ｐ　ｐ　ｐ　）　、　ｐ　ｐ　ｐ　ｐ　ｐ　ｐ　ｐ　ｐ　ｐ　ｐ　ｐ　（上接第６３页）　［４］　于会涛，马培荪．一种ＮＯ／弹耦合的微型蠕动机器人［Ｊ］．高技　术通讯，２００６，１６（１）：４６—５Ｏ．　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　Ｍａｔｅｒｉａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　ａｎｄ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，１９９７，８（４）：３１４－３２２．　作者简介：　王技术。　螟（１９８２一），男，黑龙江哈尔滨人，主要研究微型机器人　［５］Ｌｉａｎｇ　Ｃ，Ｒｏｇｅｒｓ　Ｃ　Ａ．Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｓｈａｐｅ　ｍｅｍｏｒｙ　ａｌｌｏｙ　ｓｐｒｉｎｇｓ　ｗｉｔｈ