[发明专利]频偏式传感器测量电路及信号处理方法

说明书

本发明涉及频偏式传感器的电路及其信号处理方法。

所谓频偏式传感器就是利用敏感元件(电感或电容)组成一个振荡电路，当敏感元件的参数(如电感的气隙，磁回路的磁导率，电容的极距，面积等)发生变化时，将直接导致频率的变化，从这种变化，即可推知被测参数的变化。例如利用变极距方式的电容传感器称重，因极距作是用于其上的重力的函数，电容是极距的函数，而频率又是电容的函数，故从频率的变化上就可以推知重力的大小。比一般的电阻应变式系统，其优点是：

1、信号一次完成从连续机械位移到电信号的数字化，没有电阻应变系统所必须的中间精密放大和要求很高的模数转换，因此可能提供更高的稳定性并且获得其所无法比拟的低成本；

2、更便于信号的远距离传输，在一般的应用场合，可以认为信号传输的距离不受限制。

但这种方法的致命缺点是它存在着严重的漂移。即其输出频率将随着环境温度的变化而产生显著的变化，甚至将被测信号“淹没”。一般LC振荡器的温漂为10^-4-10^-5/℃，显然这样的漂移是较高精度测量所不能忍受的。虽然可以采用补偿措施降低这种漂移，但其作用也仍然是有限的，并且在大批量的生产中也是不现实的。

本发明所提出的方案，可以较为完善地解决上述问题，充分发挥频偏式传感器的优点。

基本的设计思想是：用两个变化相同的谐振回路产生的漂移自身平衡。

图1a是实现这一设想的变电容频偏式电路。其中C₁和C₀是有着一致温度特性的敏感元件，C₀是参比电容，C₁是敏感电容，在机械缩构上，它们具有一个共同的极板，故有着相同的温度。测量时，开关S轮流与C₀和C₁接通，当其振荡稳定(振荡开始时的过渡过程完成)时，测其频率(或周期)。 C₀和C₁分别接通一次即为完成一次采样。开关(继电器)使C₁和L接通时，电路的振荡角频率(忽略回路中串接的电容的影响)是 ω 1 = 1 / L C 1 ]]>当C₀和L接通时，振荡角频率为 ω 0 = 1 / L O 0 ]]>我们取ω₀和ω₁的比值作信号，并令其为S，我们得到 S = ω 1 / ω 0 = C 0 / C 1 ]]>再令C₀＝A/d，C₁＝A/(d-x)，代入上式，得 S = ( d - x ) / d ]]>我们再将S作平方处理(或在此前将频率先作平方处理)，并令其为S_x，则S_x为