差动电容传感器在测量电路中的应用

差动电容传感器在测量电路中的应用

【摘要】

差动电容传感器越来越广泛地应用于诸如压力、加速度、直线位移、转角等物理量的测量，其电路结构依测量要求不同而不同．但其基本原理都是和用比斜信号处理法以传感器电容容量的变化来反映被测量的变化．电容变化可以是线性或非线性的。利用比例信号处理法可以实现棱测量的精确．线性检测。所谓比例信号处理法即用传感器中两电容之差与两电容之和的比值来线性地反映棱测量。因此需要专门的信号处理电路将传感器电容变化转换为易于检测的电量，已经出率的技术方法有开关一电容(s／c)法，模数转换(A／D)法、电容、频转换法、电容相位转换法等，其中适用于CMOS集成电路的SIC 法由于时钟馈线的影响精度较低，C／F法可以达到很高的精度，但由于需要微

处理器来进行比斜运锋而难以满足时实时、快速的要求。近年来，人们在提高精度和速度方面不断探索，提出了各种提高精度和速度的方法

【关键字】

差动电容传感器信号处理电路

【正文】

差动电容传感器可由图1来表示。电容Cx、C’x分别具有固定电极1、2和可动电极1’、2其介质均为弹性物质。设静态时两电容相等，其和为Co。当中间被测物体产生横向直线位移或受到横向加速度而产生位移时，电容Cx、Cx发生变

化

。若中间物体位移导致电容器极板问的距离相对变化为X，

则Cx= (1+ x)Co／2 C’x一(1一x)Co／2因此：X=(cx—c’x)／(Cx+C’x)采用某种信号处理电路将差动电容比倒信号(Cx—C’x)／(Cx+c’x)转换匀可直接测量或显示的电量，使可实现对中间物体的直线位移或加速度等物理量的测量。

工作原理

1.数字输出型信号处理电路

以往的差动电容传感器信号转换技术都是基于测量电容中存储的电荷来进行的。近年来高速运放的出现使得利用高频探测信号来实现差动电容比例信号的高精度，高速度检测成为可能图2即是一种借助高频探测信号vs的信号处理电路。

2电路结构及原理

该电路由电容／电压转换、检渡和A／D转换三部分组成。当开关s1合、s2断时 A ω(Cx+C’x)Rt'Vs，而sl断、s2台时．A点电压V 为：V02 = 点电压v 为V01=-

ωCxRfvs其中Vs、to分别为加于传感器的探测信号的电压有效值及角频率V01 -

V02经检波后分别进入A／D转换器的参考输入及信号输入端经A／D转换后输出

数字量b=V02/V01=CX／(Cx+ C’x) 而x= (Cx+ C’x)／(Cx+ C’X)= 2Cx／(Cx+ C’X)一1

因此，被测量x可由能够直接显示的数字量b表示：

3电路性能分析

该信号处理电路中产生误差的主要原因是寄生电容、CMOS开关S1、S2的导通电阻、运放的非理想性(输入电阻ri 及增益A 并非无穷大) 及检波电路的非线性。寄生电容的影响可以通过台理布置元件及引线来减小；开关s1、s2应选择导通电阻小的器件；而运放的输入电阻ri及增益A 的影响可以通过适当选择其它电路参数

ωRsCx<< l(其中Rs是探测信号源的内阻)时ri、A 的影响便可忽略不来消除．

计。检波电路的影响包括滤波电路的时间常数和非线性两个方面，产生非线性的原因是运放失调电压Vos造成了检波二极管导通角改变，适当提高探测信号的幅度可降低由此产生的非线性误差；而滤波电路的时间常数．τ应满足τ≥ 1／

ε)其中f为Vs的频率￡为相对测量误差由此所限制的A／D 转拯速2fin(1一

ε)1ne。要保证铡量精度和速度，可适当提高探测信号的频率，但率为fin(1一

会由此而提高对运放响应建度即增益带宽积的要求．一般成保证f 100f。当探测信号频率为1MHz 允许剩量误差为O．L％时，电路的响应速度约为

150sps(Sample per Second)．适当增加滤波阶数也可减少响应时间。

1电路结构及原理

图2电路中由于采用了检波及模数转换环节从而限制了电路的响应速度，图3所示的振荡型信号处理电路可以在一定程度上解决这个问题其主要部分是积分器A2、比较器A1 微分器A3和反相放大器A4完成差动电容比铡运算的辅助作用由电路分析可知．A1、A2组成了一个张驰振荡器．A1输出v1 (t)为正负交替的方波，而V (t)为同频率的三角波。总输出电压V (t)亦是与V2 (t)周期相同的方波如图4所示。其周期由R0 及(Cx+Cx )确定。设比较器A1的正、反向输出电压分别为+vref 和一vref 则V1(t)=V refSgn[V2(t)]而v1(t)=v1 (t)R7 ／(R7+ R5)+

v2(t)R5 ／(R7 + R 6)若A1-A4为理想运放，忽略Cx 可碍：v (t)= {[C1 R2 ／R4一C2R2 ／R3；]／[C1 R5 ／R6 +C2 R2／R1 ]}Vref sgn(v2(t))

选择R1 ～R6 满足R3=R4 R5 =R6 R1= R2 ．则上式简化为：

Vour(t)=Vo sgn(v3(t))

其中Vout(t)的幅值Vo=x(R1／R3 )Vref，与被测量x成正比。测出Vo便可求得被测对象的位移、加速度等物理量

2电路性能分析

影响图3电路运算精度的主要原因有电阻的失配以及运算放大器的非理想性，其中又以电阻失配引程的误差为主，因为运放的增益可以做得很高，运放失调电压引起误差也可通过调零来解决。假设电阻间的失配用下式表示·

εij

R4／R3=1+

εR )+ >

与式(1)比较可得V0=kxVref(1+

+△ Vt其中

ε =[ε1.4 + (ε1.2 + ε1.6 )(1+x)]／2

非线性误差：

ε．Vref／2

失调误差△VR =K

失调误差：△Vt也可以由调零来消除。因此，若利用0.05级精密电阻，电阻失配造成的误差不超过O．1 。另外，为抑制高频振荡而在Aa中引入的相位校正电容C3会引起电路的响应延迟．为了保证响应速度

与精度．要合理选择C 的容量，一般取1／RtC3为运放A3 ，增益带宽积的1／10比较台适．假设A3 增益带宽积为1MHz，由R C 所决定的响应时间为lOμS。发展前景

随着微处理器技术的不断进步，电容式传感器技术正在向智能化方向发展，所谓智能化就是将传感器获取信息的功能与专用的微处理器的信息分析、处理等功能紧密结合在一起。由于微处理器具有计算与逻辑判断功能，故可以方便地对传感器所采集的数据进行存储记忆、比较分析。电路设计应以传感器的电路输出为首要条件，并使测量电路成为传感器的一部分。本文所介绍的基于比例比倒信号处理法的高精度差动电容传惑器信号处理电路，精度高，响应速度快．且结构简单，便于用分立元件实现

参考文献

1李情泉．黄昌宁著【集成运算放大器原理及应用】，．科学出版社版