电容传感器测量电路

第一部分引言

本设计是应用于电容传感器微小电容的测量电路。

传感器是一种以一定的精度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。传感器在发展经济、推动社会进步方面有着重要作用。

电容式传感器是将被测量转换成电容量变化的一种装置，可分为三种类型：变极距（间隙）型、变面积型和变介电常数型。

二、电容式传感器的性能

和其它传感器相比，电容式传感器具有温度稳定性好、结构简单、适应性强、动态响应好、分辨力高、工作可靠、可非接触测量、具有平均效应等优点，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作，广泛应用于压力、位移、加速度、液位、成分含量等测量之中[1]。

电容式传感器也存在不足之处，比如输出阻抗高、负载能力差、寄生电容影响大等。上述不足直接导致其测量电路复杂的缺点。但随着材料、工艺、电子技术，特别是集成电路的高速发展，电容式传感器的优点得到发扬，而它所存在的易受干扰和分布电容影响等缺点不断得以克服。电容式传感器成为一种大有发展前途的传感器[2]。

第二部分正文

一、电容式传感器测量电路

由于体积或测量环境的制约，电容式传感器的电容量一般都较小，须借助于测量电路检出这一微小电容的增量，并将其转换成与其成正比的电压、电流或者电频率[3],[4]。电容式传感器的转换电路就是将电容式传感器看成一个电容并转换成电压或其他电量的电路。电容传感器性能很大程度上取决于其测量电路的性能。

由于电容传感器的电容变化量往往很小，电缆杂散电容的影响非常明显，系统中总的杂散电容远大于系统的电容变化值[5]。与被测物理量无关的几何尺寸变化和温度、湿度等环境噪声引起的传感器电容平均值和寄生电容也不可避免的变化，使电容式传感器调理电路设计相当复杂[6]。分立元件过多也将影响电容的测量精度[3]。

微小电容测量电路必须满足动态范围大、测量灵敏度高、低噪声、抗杂散性等要求。测量仪器应该有飞法（fF）数量级的分辨率[6]。

二、常用电容式传感器测量电路

1、调频电路

这种电路的优点在于：频率输出易得到数字量输出，不需A/D转换；灵敏度较高；输

出信号大，可获得伏特级的直流信号，便于实现计算机连接；抗干扰能力强，可实现远距离测量[7]。不足之处主要是稳定性差。在使用中要求元件参数稳定、直流电源电压稳定，并要消除温度和电缆电容的影响。其输出非线性大，需误差补偿[8]。

2、交流电桥电路

电桥电路灵敏度和稳定性较高，适合做精密电容测量；寄生电容影响小，简化了电路屏蔽和接地，适合于高频工作。但电桥输出电压幅值小，输出阻抗高，其后必须接高输入阻抗放大器才能工作，而且电路不具备自动平衡措施，构成较复杂[9]。此电路从原理上没有消除杂散电容影响的问题，为此采取屏蔽电缆等措施，效果不一定理想[10]。

3、双T型充放电网络

这种电路线路简单，减小了分布电容的影响，克服了电容式传感器高内阻的缺点，适用于具有线性特性的单组式和差动式电容式传感器。但要求电源周期、幅值高度稳定，否则影响灵敏度[2]。

4、运算放大器式电路

该电路的最大特点是能够克服变极距型电容式传感器的非线性，是电容式传感器比较理想的测量电路。但电路要求电源电压稳定，固定电容量稳定，并要求放大倍数与输入阻抗足够大[2],[8]。

5、电荷法

该电路的主要优点是能有效地抑制杂散电容，而且电路结构简单、成本很低，经过软件补偿后电路稳定性较高，获取数据速度快。其缺点主要为：采用直流放大存在漂移问题；存在CMOS开关引起的电荷注人问题[11],[12],[13]。

6、脉冲调宽型电路

脉冲调宽型电路适用于任何差动式电容式传感器，并具有理论上的线性特性。其优点主要有：采用直流电源，其电压稳定度高，不存在稳频、波形纯度的要求，也不需要相敏检波与解调等；对元件无线性要求，便于集成组件化；经低通滤波器可输出较大的直流电压，对输出矩形波的要求也不高；电路抗干扰性能较强，不仅适于静态测量，也适用于动态测量，并有较大的动态工作范围[2]。此电路对直流电源电压稳定性及电路对称性有较高要求[8]。

三、发展现状

1、交流锁相放大测量电路

曼彻斯特科学与技术大学(UMIST)成功研制出基于交流的电容检测电路，其特点是可抑制杂散电容、分辨率高、低漂移、高信噪比、无开关电荷注入问题[14]。但电路较复杂，成本高，频率受限[13]。

2、高压双边交流激励电容测量电路[15],[16]

美国能源部的Fasching等人将电容层析成像技术应用于流态床内部粉体动态参数的研究上时，采用了高压双边交流激励的微小电容测量电路。激励电压不但具有较高的幅值，而且频率较高。但该传感器系统还仅用于实验条件下的在线检测，使其推广到实际现场还有一定的困难。

3、利用闭环运算放大器的测量电路[17]

利用闭环运算放大器对微小电容测量的方法对高频信号发生器有很高的要求，而且器件的杂散电容和寄生电容也被直接放大[18]。

四、总结

目前的微小电容测量技术正处于不断的完善中，还不能满足实际应用发展的需要。从工业角度而言，一个完善的微小电容测量电路应该具备低成本、低漂移、响应速度快、抗杂散性好、高分辨率、高信噪比和适用范围广等特点[19]。

参考文献：

[1]王化群,邵富群,王师.电容层析成像传感器的优化设计[J].仪器仪表学报,2000(14)：4-7

[2]强锡富.传感器.(第３版)[M].北京：机械工业出版社,2006. 110-116

[3]谢楠,陈汉量,陈卫民.电容传感器信号调理的新方法[J].自动化仪表,2005(3)：31

[4]郭振芹.非电量电测量[M].北京：计量出版社,1984. 182

[5]Baoliang Wang,Haifeng Ji. A High-Speed Data Acquisition System for ECT Based on the Differential Sampling Method[J]. IEEE SENSORS JOURNAL,No.2,APRIL 2005：308-312

[6]阎军,王聚福.微小电容变化的测量[J].实验室仪器,1991(4)：9

[7]徐建林.非电量电测技术[M].北京：机械工业出版社,2006. 110-111

[8]孟立凡,郑宾.传感器原理及技术[M].北京：国防工业出版社,2005. 76-78

[9]赵雪英,郭雨梅.一种小电容检测方法—充放电法[J].沈阳工业大学学报,2003(1)：55

[10]赵霞,于晓洋,陈德运等.电容层析成像系统的电容测量电路[J].电测与仪表,2002(1)：23-24

[11]刘存,李涵,常璐.不受分布电容影响的ECT检测系统[J].沈阳工业大学学报,2006(4)：436