电容传感器新型微弱电容测量电路

程 中 始 终 处 于 虚 地 状 态 Cbs 的 两 端 无 电 压 差 因 而
存储的电荷释放流入测量电路造成的[7~ l0],
它也对电容测量无影响 因而整个电路对杂散电容
本文对各开关的控制时序进行了合理的设计
的存在不敏感[3 6] 即该电路具有较强的抗杂散电容 的性能,
用以解决电子开关的电荷注入效应, 各开关的控制 信号的时序图如图 3 所示, 首先考虑当 S3 断开时的 情况 由于电荷注入效应 电荷将分别从源极与漏极
VXout
=
Vou t 2
- Voutl
=-
Vin CX Cf - CO
C 3D
由此可见~ 电荷注入效应不会对输出产生影响~ 且输
出电压与未知电容成线性关系O
式 C 3D 没有考虑运放 Ul 的输出失调电压和输
入失调电流的影响~ 是由于同一运放的参数基本稳
定~ 其对 Voutl 和 Vout2的影响大体相同~ 差动式结构可
以 基本消除这部分影响O 采 保 中 的 开 关 S4 与 S5 在
断 开 时~ 它 们 的 电 荷 注 入 效 应 会 使 Voutl 和 Vout2 的 波
形 产 生 瞬 时 微 小 失 真~ 相 对 于 Voutl 和 Vout2 它 们 的 值
较小可以忽略O 除 S3 的输出电容外~ 没有考虑其它
型 值; 或 是 准 确 测 量 出 CO 的 值~ 通 过 选 用 一 批 已 知
容 值 的 高 精 度 的 CX 对 电 路 进 行 测 试~ 从 而 得 到 CO
的值O 在某些情况下~ 还可以通过巧妙的设计直接消
除 CO 的影响~ 如下文举例O
3 应用举例
该新型电路已成功应用于电容层析 成 像 C Electrical Capacitance Tomography 简 记 为 ECTD 系 统O 图 5 示出了 l2 电极电容层析成像传感器结构示意 图~ 主要由传感电极~ 径向电极~ 屏蔽罩和绝缘管道 组成O
容数据采集系统可以达到很高的数据采集速度 试验测试表明该电路线性度好, 灵敏度为 4. 8 mV/fF, 分辨率可达
到 0. 5 fF
关键词: 电容; 测量; 传感器; 电路
中图分类号: TP212
文献标识码: A
文章编号: 1004-1699( 2002) 04-0273-05
1引言
电容传感器广泛的应用于多种检测系统中, 用 以测量诸如液位~ 压力~ 位移~ 加速度等物理量 在某 些场合, 例如电容层析成像系统中, 传感电容的变化 量小至 fF 级, 这就对电容测量电路提出了更高的要 求 在现阶段测量飞法级的电容主要有以下几方面 的困难: D杂散电容往往要比被测电容高的多, 被测 量常被淹没在干扰信号中; @测量电路一般要使用 一定量的电子开关, 但电子开关的电荷注入效应对 测量系统的影响难以消除; 由于测量对象的快速 多变性, 需要较高的数据采集速度, 但采集速度和降
极 右侧极板为检测电极, Cas和 Cbs表示每个电极所 制主要有两方面 一方面是由于沟道电荷造成 在关
有 杂 散 电 容 的 等 效 电 容 Cas 由 激 励 源 驱 动 它 的 存 断 时 这 些 沟 道 电 荷 分 别 从 漏 极 和 源 极 流 出 流 入 测
在对流过被测电容的电流无影响, 电容 Cbs在检测过 量电路, 另一方面是由栅极与漏~ 源极间的寄生电容
两个节点流出, 流向运放输出节点的部分电荷产生 的影响很小 仅引起输出波形瞬时微小失真, 然而 流向运放反相端的部分电荷将引起运放输出的较大
变化 对测量结果产生不良的影响 该电路利用差动
图 Z 开关的电荷注入效应示意图
由于测量的是飞法级的微弱电容 要求电路具
有很高的分辨率, 影响该电路分辨率的主要因素是 电子开关的电荷注入效应, 图 Z 示出了 CMOS 开关 电荷注入效应的原理图, 栅极 漏极与栅极 源极 间的寄生电容用虚线表示, 电荷注入效应的影响主 要是在电子开关关断时 有不期望的电荷注入电路
动噪声, 需要先进行滤波除去其中的脉动成分, 但滤 波器的引入却成为提高数据采集速度的一个瓶颈
另外, 电荷转移法是利用电子开关网络控制电路的 充放电, 电了开关的电荷注入效应对测量结果的影 响还难以完全消除; 交流法需要考虑相位补偿, 电路 结构相对复杂, 成本也较高 . 3~ 5]
来稿日期: 2002-07-04 D 基金项目: 浙江省自然科学基金资助项目( 600094) ; 国家自然科学基金重大资助项目( 59995460-5) ; 国家~八六三' 计划专项经费资助项目( 2001AA413210)
数据采集已经结束, 总之 通过首先断开 S3 使电路 只受 S3 的电荷注入效应影响 而不受其它开关的电 荷注入效应的影响, 而后面电路的差动设计会消除 S3 的影响,
第4期
王 雷~ 王保良等, 电容传感器新型微弱电容测量电路
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图 3 开关时序图
由此得到电路的工作原理如下, Vin 为充放电的 激 励电压源O 运放 Ul ~ 电容 Cf 和开关 S3 构成电荷放 大 器~ 开 关 S4 和 S5 及 运 放 U2 和 U3 构 成 两 个 采 样 保持器C S/ HD ~ U4 为 仪 表 放 大 器O 电 路 的 工 作 过 程 分为两步~ 如图 4 所示O 第一步为测量开关 S3 的电 荷注入效应O 在电路开始工作之前~ Vin电压为高~ 开 关 S3 闭合~ 两个采样保持器都处于采样模式O 由于 S3 闭合~ Ul 输出为 O VO 在 tl 时刻 S3 断开~ 在理想 情 况 下~ V3 将 仍 然 为 O V~ 但 由 于 S3 的 电 荷 注 入 效 应~ 有电荷被注入电路O 这将导致 V3 被拉低至 VLO 在 t2 时 刻~ Ul 的 输 出 稳 定 并 且 U3 的 输 出 Voutl 等 于 VL~ S5 断开使采样保持器进入保持模式O 假设 S3 的 电荷注入效应相当于输入电压引起~ 同时假设 S3 的 输出电容对电路的影响为 CO ~ 则 Voutl 可表示如下,
2002 年 12 月
传感技术学报
第4期
New Smal l Capacitance Measuring Circuit f or Capacitance Sensor
WANG Lei, WANG Baoliang, JI Haifeng, HUANG Zhiyao, LI Haiging
( National Key La}oratory of Incu trial Control Technology, In titute of Automation In trumentation, Department of Control Science anc Engineering, Zhejiang Uni er ity, Hang hou 310027, P. R. China)源自Z 74传感技术学报
Z00Z 年
本文针对以上问题 提出并设计了一种基于电 荷放大原理的电容测量电路 一方面该电路对被测 电容只进行一次充放电 即可完成对电容的测量 由 于测量结果是直流稳定信号 不存在脉动成分 故电 路中无需滤波器 因此大大提高了基于该电路的数 据采集系统的数据采集速度, 另一方面该电路较好 的解决了电子开关的电荷注入效应的对测量精度的
图 6 示出了数据采集系统的简图G 本系统在每 个 电 极 上 设 计 了 一 套 电 容/ 电 压 ( C/ V) 转 换 电 路 模 块 即基于电荷放大原理的电容测量电路 共有 12 个 C/ V 转换电路模块 它们置于屏蔽罩内部的径向 电极上 一方面减小了外部电场对测量电路的干扰; 另一方面将电极与测量电路之间的引线缩短到最
低噪声的矛盾难以解决, 滤波器存在成为提高数据 采集速度的瓶颈等问题 1, 2]
目前, 用于解决测量微弱电容的方法主要有电 荷转移法和交流法 这两种电路的基本测量原理是
通过激励信号连续对被测电容进行充放电, 形成与 被测电容成比例的电流或电压信号, 从而测量出被 测电容值 但是由于连续充放电测量信号中具有脉
Abstract: A new small capacitance measuring circuit based on charge amplif ier principle was developed f or capacitance sensor. The advantages of this circuit are stray-immune, high resolution because of no ef f ect of charge injection and high data acguisition rate because of no f ilter in this circuit. Test results show that the linearity of this circuit is good, the sensitivity of 4. 8 mV/ f F and resolution of 0. 5 f F can be achieved. Key wor<s: capacitance; measurement; sensor; circuit
影响问题 使电路达到了较高的分辨率; 对微弱电容 数据采集提供了一种新的思路和方法,
Z 新型电路测量原理
图 l 示出了基于电荷放大原理提出的新型微弱 电容测量电路的原理图,
图 l 基于电荷放大原理的电容检测电路
图 中 Cx 为 被 测 电 容 它 的 左 侧 极 板 为 激 励 电 电容 C0 也会引入误差, 一般认为电荷注入效应的机
所引起 这种影响引入的误差远大于要测量的飞法
级电容值; 另一方面在电子开关关断后 开关的输出
式设计较好的解决了这部分影响问题, 再 考 虑 开 关 Sl 与 SZ 的 电 荷 注 入 效 应 使 用 如