基于邏輯時序優(yōu)化的電容測壓器采樣電路

郭 凱，馬鐵華，李新娥，王 強(qiáng)

（1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；2.儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051）

0 引言

準(zhǔn)確可靠的膛壓數(shù)據(jù)是分析內(nèi)彈道和裝藥結(jié)構(gòu)合理性及彈體、引信、身管、炮尾、炮栓和炮架強(qiáng)度和剛度設(shè)計的基本依據(jù)。而膛壓的測量已經(jīng)逐步從銅柱（銅球）測壓法發(fā)展到了電容測壓法。傳統(tǒng)的電容測量電路種類繁多，采用集成芯片PS021為核心的電容式壓力測量系統(tǒng)，優(yōu)點(diǎn)在于測試過程簡單，不需要專門設(shè)計電容檢測的具體過程，但隨著頻率的增加，功耗急劇增大，測量頻率僅10kHz時，工作電流便達(dá)到36mA［1］；利用施密特反相器構(gòu)成的振蕩電路是使用元器件最少的振蕩型電容測量電路，但該方法對時間要求嚴(yán)格，須采用CPLD設(shè)計，而CPLD不能進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)存儲，需專門選擇AD以及存儲器，這又極大增加了電路體積；采用差動式直流充電法測量殼體電容是目前最先進(jìn)的測壓器采樣電路，但所需時序較為復(fù)雜，且時序之間對于時間的要求較為嚴(yán)格，這些都不利于實(shí)際的火炮膛壓測試系統(tǒng)。為此設(shè)計了基于邏輯時序優(yōu)化的電容測壓器采樣電路。

1 電容測壓器

1.1 電容測壓器殼體

利用殼體本身作為敏感元件，實(shí)現(xiàn)殼體與傳感器的一體化設(shè)計。整個測試系統(tǒng)置于內(nèi)筒中，以內(nèi)外筒為兩極，測量極間電容?；鹋诎l(fā)射時膛壓使外筒發(fā)生彈性變形，內(nèi)筒不動，內(nèi)外筒兩極板間距改變，電容值變化，測量由于殼體電容變化導(dǎo)致的電容兩端的電壓變化值，通過AD采集存儲轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，最終與外部計算機(jī)相連，保存測試數(shù)據(jù)，并且用VB顯示最后的膛壓曲線。整個測壓器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電容測壓器結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of capacitance pressure device

1.2 當(dāng)前最新的采樣電路

目前最新的采樣電路如圖2所示。

圖2 最新的采樣電路框圖Fig.2 The latest sampling circuit block diagram

目前國內(nèi)最先進(jìn)的電容測量電路采用差動式直流充電法測量殼體電容，設(shè)計一個與殼體電容大小相匹配的標(biāo)準(zhǔn)電容，通過兩個完全相同的恒流源分別給殼體電容和標(biāo)準(zhǔn)電容進(jìn)行充電。由于殼體電容的變化使得測試過程中兩電容兩端充電電壓不同，兩電容兩端電壓經(jīng)過電路的差分放大后，輸入至單片機(jī)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并存儲。但該電路的不足之處在于邏輯時序相對復(fù)雜，且對各時序之間在時間上的匹配要求嚴(yán)格，由于各種因素造成的時間上的延遲易使時序間無法精確匹配，帶來采樣誤差。

2 電容測壓器采樣電路

2.1 電容測壓器采樣電路

借鑒差動式直流充電法的電容測量電路，同樣利用殼體電容作為測試敏感元件，設(shè)計了基于邏輯時序優(yōu)化的電容測壓器采樣電路，使得電容檢測從方法上得到進(jìn)一步改進(jìn)。

采樣電路如圖3所示，將殼體電容接入電路，并由后級的電壓跟隨器輸出反饋至前級的電壓比較器，使電路自身構(gòu)成充放電振蕩回路，通過單片機(jī)對采樣電路經(jīng)行控制，測試結(jié)束與上位機(jī)連接讀數(shù)，通過測量殼體電容兩端電壓變化達(dá)到測試膛壓的目的。

圖3 采樣原理框圖Fig.3 Sampling theory block diagram

2.2 邏輯時序?qū)Ρ?/h3>

從圖4可以看出，原有的采樣電路需要高低電平比例為9∶1的充放電信號CON、控制采數(shù)脈沖的事件標(biāo)志信號ADT以及采數(shù)脈沖PWM波三個邏輯時序，且為了保證AD采樣轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性，不能在電容充放電的臨界點(diǎn)進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)換，需要提前一定時間進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)換，這就對時間的精確性提出了很高的要求，且時鐘之間的延遲也有可能導(dǎo)致采樣的不準(zhǔn)確。圖5是改進(jìn)后電路的邏輯時序，只需要一個采數(shù)脈沖PWM波即可，并且在采數(shù)脈沖的下降沿進(jìn)行采樣，對采集到的是電容變化的哪個階段并沒有特殊要求。

原有的采樣電路由于受到采樣頻率的限制需要兩片單片機(jī)同時采樣以提高采樣頻率，而改進(jìn)的電路只需要一片單片機(jī)進(jìn)行采樣即可，這不但減小了系統(tǒng)體積，使結(jié)構(gòu)變得簡單，同時使功耗相應(yīng)的降低。相比以往電路具有一定的優(yōu)越性。

圖4 原有采樣電路邏輯時序Fig.4 The logic sequential of original sampling circuit

圖5 改進(jìn)采樣電路邏輯時序Fig.5 The logic sequence of improving sampling circuit

3 誤差分析

3.1 同軸電容值估測

本設(shè)計所采用的同軸圓柱型電容傳感器如圖6所示，內(nèi)外筒相互覆蓋的長度L為24mm，殼體外筒內(nèi)徑b為8.35mm，內(nèi)筒外徑a為8mm，兩極板間距為d0＝b－a，此時傳感器的初始電容即為同軸圓柱電容測壓器的電容值，計算如式（1）所示［2］。

由式（1）可知，該電容傳感器的理論初值為31.17pF。

圖6 同軸圓柱型電容測壓器的示意圖Fig.6The sketch map of coaxial cylindrical capacitance pressure device

3.2 平行軸電容值估測

同軸電容器內(nèi)部電場具有對稱性，可用高斯定理進(jìn)行求解。當(dāng)圓柱型電容器內(nèi)外筒兩軸不重合且為平行軸時，內(nèi)部電場便不具有對稱性，此時可以利用保角變換求解。

若平行軸圓柱型電容器軸間距為d，即0＜d＜b－a，電容器橫截面如圖7所示。

圖7 平行軸圓柱形測壓器截面Fig.7 The section of cylindrical pressure device of parallel axis

作分式線性變換，可將同一平面的兩個圓變換為平面上的同心圓，如圖8所示。

圖8 分式線性變換Fig.8 inear transformation of fractional

利用同軸圓柱形電容器的結(jié)論，單位長電容［3］

即平行軸圓柱型電容器電容為：

本設(shè)計中，固定內(nèi)筒的聚四氟乙烯膠帶單層厚度為0.1mm，內(nèi)筒外筒半徑差為0.35mm。假設(shè)聚四氟乙烯膠帶纏繞內(nèi)筒外壁3周，即內(nèi)筒最大偏軸0.05mm，根據(jù)公式，平行軸電容值為31.49pF，同軸電容值為31.17pF，電容變化量為0.32pF，這對于31.17pF的基礎(chǔ)電容來講，可以忽略不計［4］。

3.3 偏軸電容值估測

將內(nèi)筒放入殼體時，可能會出現(xiàn)內(nèi)筒與外筒偏軸的狀況。如圖9所示，內(nèi)筒半徑為a，長度為L，外筒半徑為b，內(nèi)筒和外筒中心軸夾角為θ。

圖9 內(nèi)外筒偏軸示意圖Fig.9 Schematic diagram of the inner and outer cylinder axis

可以得到如下關(guān)系［5］：

由上式可以得到θ的最大值為4.17°×10－3，即內(nèi)外筒圓心偏移最大值為d＝4.993×10－5mm，該傾斜軸狀態(tài)的電容為C2。假設(shè)有一個平行軸圓柱形電容器，其軸間距d＝4.993×10－5mm，電容為C1，則C2＜C1。由公式可得C1＝31.43pF，則傾斜軸狀態(tài)的電容為C2對本系統(tǒng)電容傳感器初值的影響完全可以忽略不計，也就是說偏軸對于本殼體的影響可以不予考慮。

綜上所述，在本系統(tǒng)中，內(nèi)筒在包裹聚四氟乙烯膠帶后，即使出現(xiàn)偏軸和傾斜軸的兩種狀況，它們對傳感器初值的影響可以忽略不計。

4 結(jié)論

根據(jù)電容測壓器的特點(diǎn)，設(shè)計了基于邏輯時序優(yōu)化的電容測壓器采樣電路。該電路由電壓比較器、與非門以及電壓跟隨器代替了恒流源、標(biāo)準(zhǔn)電容和差分放大器，電路本身只需一個100kHz的邏輯方波信號，電路邏輯時序得到極大簡化。試驗(yàn)表明，該電容測壓器有較好的線性，測量范圍0～600 MPa，靈敏度達(dá)到0.096pF／MPa，殼體安裝等誤差因素給測試帶來的影響有限，驗(yàn)證了采樣電路的可行有效。不足之處在于微小電容的測量易受到寄生電容等因素影響，給測試帶來誤差，如何進(jìn)一步減小外部因素對電容測量的影響是下一步工作的重點(diǎn)。

［1］邱桂蘋，于曉洋，陳德運(yùn).微小電容測量電路［J］.黑龍江電力，2006，28（5）：362.QIU Guiping，YU Xiaoyang，CHEN Deiyun.Tinycapacitance measurement circuit［J］.Heilongjiang Electric Power，2006，28（5）：362－366.

［2］舒乃秋.檢測技術(shù)［M］.北京：中國電力出版社，2006.

［3］孟立凡，藍(lán)金輝.傳感器原理與應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2007.

［4］金正國.復(fù)變函數(shù)與積分變換［M］.大連：大連理工大學(xué)出版社，2009.

［5］王海明，裴東興，張瑜，等.微小型放入式電子測壓器的研究［J］.電子設(shè)計工程，2009，17（12）：28－31.WANGHaiming，PEI Dongxing，ZHANG Yu，et al.Research of micro drop－in electronic pressure device［J］.E－lectronic Design Engineering，2009，17（12）：28－31.