1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上第一部分 引言 本設(shè)計(jì)是應(yīng)用于電容傳感器微小電容的測(cè)量電路。 傳感器是一種以一定的精度把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的、便于應(yīng)用的某種物理量的測(cè)量裝置。傳感器在發(fā)展經(jīng)濟(jì)、推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步方面有著重要作用。 電容式傳感器是將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電容量變化的一種裝置，可分為三種類型：變極距（間隙）型、變面積型和變介電常數(shù)型。二、電容式傳感器的性能 和其它傳感器相比，電容式傳感器具有溫度穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、分辨力高、工作可靠、可非接觸測(cè)量、具有平均效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，并能在高溫、輻射和強(qiáng)烈振動(dòng)等惡劣條件下工作，廣泛應(yīng)用于壓力、位移、加速度、液位、成分含量等測(cè)量之中1。

2、電容式傳感器也存在不足之處，比如輸出阻抗高、負(fù)載能力差、寄生電容影響大等。上述不足直接導(dǎo)致其測(cè)量電路復(fù)雜的缺點(diǎn)。但隨著材料、工藝、電子技術(shù)，特別是集成電路的高速發(fā)展，電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)得到發(fā)揚(yáng)，而它所存在的易受干擾和分布電容影響等缺點(diǎn)不斷得以克服。電容式傳感器成為一種大有發(fā)展前途的傳感器2。第二部分 正文一、電容式傳感器測(cè)量電路 由于體積或測(cè)量環(huán)境的制約，電容式傳感器的電容量一般都較小，須借助于測(cè)量電路檢出這一微小電容的增量，并將其轉(zhuǎn)換成與其成正比的電壓、電流或者電頻率3,4。電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路就是將電容式傳感器看成一個(gè)電容并轉(zhuǎn)換成電壓或其他電量的電路。電容傳感器性能很大程度上取決于其測(cè)量

3、電路的性能。 由于電容傳感器的電容變化量往往很小，電纜雜散電容的影響非常明顯，系統(tǒng)中總的雜散電容遠(yuǎn)大于系統(tǒng)的電容變化值5。與被測(cè)物理量無(wú)關(guān)的幾何尺寸變化和溫度、濕度等環(huán)境噪聲引起的傳感器電容平均值和寄生電容也不可避免的變化，使電容式傳感器調(diào)理電路設(shè)計(jì)相當(dāng)復(fù)雜6。分立元件過(guò)多也將影響電容的測(cè)量精度3。 微小電容測(cè)量電路必須滿足動(dòng)態(tài)范圍大、測(cè)量靈敏度高、低噪聲、抗雜散性等要求。測(cè)量?jī)x器應(yīng)該有飛法（fF）數(shù)量級(jí)的分辨率6。 二、常用電容式傳感器測(cè)量電路1、調(diào)頻電路 這種電路的優(yōu)點(diǎn)在于：頻率輸出易得到數(shù)字量輸出，不需A/D轉(zhuǎn)換；靈敏度較高；輸出信號(hào)大，可獲得伏特級(jí)的直流信號(hào)，便于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)連接；抗干擾

4、能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)量7。不足之處主要是穩(wěn)定性差。在使用中要求元件參數(shù)穩(wěn)定、直流電源電壓穩(wěn)定，并要消除溫度和電纜電容的影響。其輸出非線性大，需誤差補(bǔ)償8。2、交流電橋電路 電橋電路靈敏度和穩(wěn)定性較高，適合做精密電容測(cè)量；寄生電容影響小，簡(jiǎn)化了電路屏蔽和接地，適合于高頻工作。但電橋輸出電壓幅值小，輸出阻抗高，其后必須接高輸入阻抗放大器才能工作，而且電路不具備自動(dòng)平衡措施，構(gòu)成較復(fù)雜9。此電路從原理上沒(méi)有消除雜散電容影響的問(wèn)題，為此采取屏蔽電纜等措施，效果不一定理想10。3、雙T型充放電網(wǎng)絡(luò) 這種電路線路簡(jiǎn)單，減小了分布電容的影響，克服了電容式傳感器高內(nèi)阻的缺點(diǎn)，適用于具有線性特性的單組式和差動(dòng)

5、式電容式傳感器。但要求電源周期、幅值高度穩(wěn)定，否則影響靈敏度2。4、運(yùn)算放大器式電路 該電路的最大特點(diǎn)是能夠克服變極距型電容式傳感器的非線性，是電容式傳感器比較理想的測(cè)量電路。但電路要求電源電壓穩(wěn)定，固定電容量穩(wěn)定，并要求放大倍數(shù)與輸入阻抗足夠大2,8。5、電荷法 該電路的主要優(yōu)點(diǎn)是能有效地抑制雜散電容，而且電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本很低，經(jīng)過(guò)軟件補(bǔ)償后電路穩(wěn)定性較高，獲取數(shù)據(jù)速度快。其缺點(diǎn)主要為：采用直流放大存在漂移問(wèn)題；存在CMOS開關(guān)引起的電荷注人問(wèn)題11,12,13。6、脈沖調(diào)寬型電路 脈沖調(diào)寬型電路適用于任何差動(dòng)式電容式傳感器，并具有理論上的線性特性。其優(yōu)點(diǎn)主要有：采用直流電源，其電壓穩(wěn)定度

6、高，不存在穩(wěn)頻、波形純度的要求，也不需要相敏檢波與解調(diào)等；對(duì)元件無(wú)線性要求，便于集成組件化；經(jīng)低通濾波器可輸出較大的直流電壓，對(duì)輸出矩形波的要求也不高；電路抗干擾性能較強(qiáng)，不僅適于靜態(tài)測(cè)量，也適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量，并有較大的動(dòng)態(tài)工作范圍2。此電路對(duì)直流電源電壓穩(wěn)定性及電路對(duì)稱性有較高要求8。三、發(fā)展現(xiàn)狀1、交流鎖相放大測(cè)量電路 曼徹斯特科學(xué)與技術(shù)大學(xué)(UMIST)成功研制出基于交流的電容檢測(cè)電路，其特點(diǎn)是可抑制雜散電容、分辨率高、低漂移、高信噪比、無(wú)開關(guān)電荷注入問(wèn)題14。但電路較復(fù)雜，成本高，頻率受限13。2、高壓雙邊交流激勵(lì)電容測(cè)量電路15,16 美國(guó)能源部的Fasching等人將電容層析成像技術(shù)

7、應(yīng)用于流態(tài)床內(nèi)部粉體動(dòng)態(tài)參數(shù)的研究上時(shí)，采用了高壓雙邊交流激勵(lì)的微小電容測(cè)量電路。激勵(lì)電壓不但具有較高的幅值，而且頻率較高。但該傳感器系統(tǒng)還僅用于實(shí)驗(yàn)條件下的在線檢測(cè)，使其推廣到實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)還有一定的困難。3、利用閉環(huán)運(yùn)算放大器的測(cè)量電路17 利用閉環(huán)運(yùn)算放大器對(duì)微小電容測(cè)量的方法對(duì)高頻信號(hào)發(fā)生器有很高的要求，而且器件的雜散電容和寄生電容也被直接放大18。四、總結(jié) 目前的微小電容測(cè)量技術(shù)正處于不斷的完善中，還不能滿足實(shí)際應(yīng)用發(fā)展的需要。從工業(yè)角度而言，一個(gè)完善的微小電容測(cè)量電路應(yīng)該具備低成本、低漂移、響應(yīng)速度快、抗雜散性好、高分辨率、高信噪比和適用范圍廣等特點(diǎn)19。 參考文獻(xiàn)：1王化群,邵富群,王

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