一种电容传感器通道切换电路的制作方法

1.本发明涉及传感器技术领域，更具体地说，涉及一种电容传感器通道切换电路。


背景技术：

2.电容传感器是一种基于电容随其他物理量的变化关系进行测量的传感器，由电容计算公式c＝∈s/d可知，电容器的电容值c与电容两极板间介电常数∈、极板面积s、极板间距d有关。例如，将电容极板固定在两个被测面上，即可通过测量电容器的电容值测量被测面之间的距离。
3.电容传感器探头一般采用三层结构，最内层为电容极板，用于与被测面配合，进行电容测量。中间层为保护电极板，通过跟随器使其与测量电极同电位，用于隔离测量电极与外界地电位，防止电荷泄露，并且均匀电场，消除边缘效应，最外层为接地外壳，用于屏蔽外界噪声干扰。一般使用三同轴线缆连接电容传感器和信号调理电路，其中线芯连接测量电极，中间层连接保护电极，最外层连接地电极。
4.当需要进行多点测量时，一般每一个探头都需要一个测量电路，每个通道使用一个测量电路在测量点数较少时不成问题，但是当测量点数很多，达到数十乃至上百个点时，会存在以下问题：
5.(1)测量电路的体积和重量将会非常庞大，成本很高。
6.(2)由于每一个探头都需要一个三同轴线缆连接，连线会非常复杂。
7.现有技术中，有方案考虑过使用开关切换各个探头，使用一个信号调理电路处理传感器信号，以减小整个电路的体积和重量，降低成本。但由于电容传感器的被测电容一般在零点几到几个pf之间，微小的电荷泄露即造成较大误差。切换电容传感器的探头需要同时切换测量电极和保护电极，而开关的引入容易导致测量电极暴露，从而引起电荷泄露，因此使用开关切换电容传感器测量通道存在一定的难度。


技术实现要素：

8.1.发明要解决的技术问题
9.为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种电容传感器通道切换电路；本发明通过对切换开关进行驱动，使其悬浮到保护电极的电位上来实现对测量电容极板引线的保护，且使用单个信号调理电路完成了多个探头的扫描测量，降低了电路尺寸、重量和成本。
10.2.技术方案
11.为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
12.本发明的一种电容传感器通道切换电路，包括开关控制电路、信号调理电路以及切换开关；信号调理电路经切换开关连接电容传感器的测量电极、保护电极；开关控制电路的控制信号悬浮于电容传感器的保护电极上。
13.更进一步地，所述的切换开关选用继电器、干簧管或半导体模拟开关。
14.更进一步地，切换开关选用半导体模拟开关时，通过悬浮电源给半导体模拟开关供电。
15.更进一步地，选用悬浮电源直接给开关控制电路供电，悬浮电源选用电池或隔离电源。
16.更进一步地，还包括光耦隔离模块，该光耦隔离模块对开关控制电路的控制信号进行悬浮。
17.更进一步地，所述的信号调理电路连接第一级通道切换电路，第一级通道切换电路分为多个主通道，每个主通道再次接入第二级通道切换电路，第二级通道切换电路进一步分为多个子通道，以组成级联通道切换电路。
18.更进一步地，所述的切换开关设置于由保护电极驱动的屏蔽罩内。
19.更进一步地，所述的切换开关形式采用单路开关、多路开关、一对多开关或多对多开关。
20.更进一步地，所述的切换开关选用电磁继电器，光耦隔离模块选用光耦隔离芯片tlp291，电磁继电器的控制端口负极与信号调理电路的保护电极连接，正级接光耦隔离芯片输出端；光耦隔离芯片的输入端接单片机，输出端使用隔离型dc/dc模块供电，电源的负极接信号调理电路的保护电极。
21.更进一步地，所述的切换开关选用四通道开关芯片，光耦隔离模块选用光耦隔离芯片tlp291，半导体模拟开关使用隔离型dc/dc模块供电，电源负极与信号调理电路的保护电极连接；半导体模拟开关的控制信号输入端接光耦隔离芯片输出端，光耦隔离芯片的输入端接单片机，光耦隔离芯片与半导体模拟开关使用同一电源供电。
22.3.有益效果
23.采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：
24.(1)本发明的一种电容传感器通道切换电路，通过对切换开关进行驱动，使其悬浮到保护电极的电位上，使得测量电容电极接入切换开关后仍然被保护电极电位所包围，实现对测量电容极板引线的保护，避免了引入切换开关引起的电荷泄露。
25.(2)本发明的一种电容传感器通道切换电路，使用一个电容传感器信号调理电路实现多通道多个探头的扫描测量，降低了电路尺寸和重量，降低成本，简化了布线。
附图说明
26.图1为本发明的一种实现方式，使用悬浮电源给开关控制电路供电；
27.图2为本发明的另一种实现方式，使用悬浮电源给隔离电路供电；
28.图3为本发明中通道切换电路级联的示意图；
29.图4为本发明中使用电磁继电器作为开关的电路结构示意图；
30.图5为本发明中使用四通道开关芯片作为开关的电路结构示意图。
31.示意图中的标号说明：
32.1、测量电极；2、保护电极；3、屏蔽罩；4、电磁继电器；5、四通道开关。
具体实施方式
33.为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。
34.实施例1
35.结合图1，本实施例的一种电容传感器通道切换电路，包括开关控制电路、信号调理电路以及切换开关；信号调理电路经切换开关连接电容传感器的测量电极1、保护电极2；开关控制电路的控制信号悬浮于电容传感器的保护电极2上。
36.所述的切换开关可选用继电器、干簧管或半导体模拟开关。本实施例中切换开关选用半导体模拟开关，通过悬浮电源给该半导体模拟开关供电。
37.可以使用悬浮电源直接给开关控制电路供电，也可以使用光耦隔离模块对开关的控制信号进行悬浮。悬浮电源可以是电池或隔离电源。具体到本实施例中，参看图2，使用光耦隔离模块对开关的控制信号进行悬浮，悬浮电源选用隔离电源。
38.本实施例通过对切换开关进行驱动，使其悬浮到保护电极的电位上，使得测量电容电极接入切换开关后仍然被保护电极电位所包围，实现对测量电容极板引线的保护，避免了引入切换开关引起的电荷泄露。且本实施例使用一个电容传感器信号调理电路实现多通道多个探头的扫描测量，降低了电路尺寸和重量，降低成本，简化了布线。
39.实施例2
40.结合图3，本实施例的一种电容传感器通道切换电路，根据实际情况级联使用，即从信号调理电路出来的测量电极和保护电极经过第一级通道切换电路后可分为多个主通道，此后每个主通道可再次接入通道切换电路，每个主通道进一步分为多个子通道。
41.实施例3
42.如图4所示，本实施例使用电磁继电器(即图4中标号4)作为切换开关，使用光耦隔离芯片tlp291实现控制信号隔离作用。电磁继电器的控制端口负极与电容传感器信号调理电路的保护电极连接，正级接光耦隔离芯片输出端。光耦隔离芯片的输入端接单片机或其他控制信号源，此处使用stm32f030系列单片机，输出端使用隔离型dc/dc模块供电，电源的负极接电容传感器信号调理电路的保护电极。继电器部分电路封闭在屏蔽罩3内，屏蔽罩3接电容传感器信号调理电路的保护电极。当控制电路使v1置高时，上方探头接通并开始工作；当v2置高时，下方探头接通并开始工作。
43.实施例4
44.如图5所示，本实施例使用四通道开关芯片(即图5中标号5)作为切换开关，使用光耦隔离芯片tlp291实现控制信号隔离作用。半导体模拟开关使用隔离型dc/dc模块供电，电源负极与电容传感器信号调理电路的保护电极连接。半导体模拟开关的控制信号输入端接光耦隔离芯片输出端。光耦隔离芯片的输入端接单片机或其他控制信号源，本实施例使用stm32f030系列单片机，输出端与半导体模拟开关使用同一电源供电。半导体模拟开关部分电路封闭在屏蔽罩内，屏蔽罩接电容传感器信号调理电路的保护电极。当控制电路使v1置高时，上方探头接通并开始工作；当v2置高时，下方探头接通并开始工作。
45.以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。