微小差分电容检测电路设计

微小差分电容检测电路设计

摘要

电容式传感器广泛应用于位移、振动、角度、加速度等物理量的精密测量中。由于受结构限制，其输出电容信号很小，一般为几pF至几十pF，精密测量其值更小，因此其后续测量电路的选择与设计非常关键。本文简要介绍了传统及现有小电容测量方法，重点设计了一种用于微小差分电容检测的交流放大电路，阐述了此方法的基本原理及参数的选取原则。实验结果和理论分析具有良好的一致性，并仿真出了实验结果，该电路具有抗寄生电容能力强、容易实现、成本低等优点。

关键词：差分电容，高频信号，电容传感器，抗寄生电容

Design of measured circuit about micro differential capacitive

Abstract

The capacitive sensor widely used in precision measuring physical quantity such as displacement, vibration, angle and acceleration. For the structure limit, the output of capacitance sensor is very small, about several pF to several dozens pF, and smaller in the precision measurement, so it is important to select and design the capacitance measurement circuit. Several techniques for measuring of small capacitance including methods with tradition are briefly overviewed. A kind of AC amplifier circuit for micro differential capacitance sense is introduced in the text.The experiment results show a good correspondence with the theoretical analysis. The basic principle of the method and the principle of choose the parameters in the circuit are provided and test conclusion is given. The measurement is free of stray immune capacity, low-cost and easy for realization.

Key word: differential capacitance, high frequency signal, capacitive sensor,

stray-immune capacitance

目录

1 绪论1

1.1 电子测量技术的发展 (1)

1.1.1 电子测量的特点 (1)

1.1.2 常用的几种电容测量方法 (2)

1.2 课题研究的目的和意义 (3)

1.3 本课题的任务和内容 (4)

2 电容式传感器5

2.1 电容传感器的分类 (5)

2.1.1 变极距型电容传感器 (6)

2.1.2 变面积型电容传感器 (8)

2.1.3 变介电常数型电容传感器 (9)

2.2 电容传感器的特点 (10)

2.2.1 优点 (10)

2.2.2 缺点 (10)

2.3 应用中存在的问题 (11)

2.3.1 附加损耗 (11)

2.3.2 边缘效应 (12)

3 电容电压转换电路13

3.1 变压器电桥 (13)

3.2 二极管T型网络 (13)

3.3 谐振法 (14)

3.4 差动脉冲调宽电路 (14)

3.5 运算放大器电路 (16)

4 两种微小电容检测的方法17

4.1 直流充放电法 (17)

4.2 高压双边交流激励法 (18)

5 消除寄生电容的屏蔽技术20

5.1 增加传感器原始电容值 (20)

5.2 传感器的接地和屏蔽 (20)

5.3 集成化 (20)

5.4 “驱动电缆”技术 (20)

5.5 运算放大器法 (21)

5.6 整体屏蔽 (21)

6 电路设计与Multisim2001仿真分析23

6.1 测量原理 (23)

6.2 电路设计 (24)

6.2.1 高频信号发生器 (24)

6.2.2 C/V转换及放大电路 (24)

6.2.3 全波整流 (29)

6.2.4 低通滤波 (30)

7 结论34

附录微小差分电容检测电路图35

参考文献36

致谢38

外文文献原文

译文

1 绪论

1.1 电子测量技术的发展

测量是人类对客观事物取得数量概念的认识过程，是人们认识和改造自然的一种不可缺少的手段。在自然界中，对于任何被研究的对象，若要定量地进行评价，必须通过测量来实现。在电子技术领域中，中肯的分析只能来自正确的测量。

电子测量是电子工业的基础，也是一般工业不可或缺的重要测量手段，第二次世界大战以后，电子测量技术和测量仪器蓬勃发展，电子测量技术在电子领域开始成为一门独立的学科。20世纪70年代以后，数字技术、锁相技术、频率合成技术、采样技术等的发展，促进了电子测量技术的发展。在此以后，对电子测量技术推动最大的要算微电子技术、计算机技术和软件技术的长足发展。

电子测量涉及到极宽频率范围内所有电量、磁量以及各种非电量的测量。目前，电子测量不仅因为其应用广泛而成为现代科学技术中不可缺少的手段，同时也是一门发展迅速、对现代科学技术的发展起着重大推动作用的独立学科。从某种意义上说，近代科学技术的水平是由电子测量的水平来保证和体现的；电子测量的水平，是衡量一个国家科学技术水平的重要标志之一。

1.1.1 电子测量的特点

同其他的测量相比，电子测量具有以下几个突出的特点；

1) 测量频率范围宽

电子测量除测量直流电量外，还可以测量交流电量，其频率范围可低至10-4Hz，高至1012Hz左右。但在不同的频率范围内，即使测量同一种电量，所需要采用的测量方法和测量量仪器也往往不同。

2) 仪器测量范围广

量程是仪器所能测量各种参数的范围。电子测量仪器具有相当宽广的量程。例如，—台数字电压表、可以测出从纳伏(nV)级至千伏(kV)级的电压，其量程达12个数量级；一台用于测量频率的电子计数器，其量程可达17个数量级。

3) 测量准确度高

电子测量的准确度比其他测量方法高得多，特别是对频率和时间的测量，误差可减小到10-13量级，是目前人类在测量准确度方面达到的最高指标。电子测量的