電容式傳感器是將被測量的變化轉(zhuǎn)換成電容量變化的一種裝置,。電容式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單,、分辨力高,、工作可靠,、動態(tài)響應(yīng)快,、可非接觸測量,,并能在高溫,、輻射和強烈振動等惡劣條件下工作等優(yōu)點已在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。例如在氣力輸送系統(tǒng)中,,可以用電容傳感器來獲得濃度信號和流動噪聲信號,從而測量物料的質(zhì)量流量,;在電力系統(tǒng)中,,采用電容傳感器在線監(jiān)測電纜溝的溫度,確保使用的安全,;由英國曼徹斯特科學(xué)與技術(shù)大學(xué)(UMIST)開發(fā)的電容層析成像(ECT)技術(shù)是解決火電廠煤粉輸送風(fēng)-粉在線監(jiān)測等氣固兩相流成分和流量檢測的有效途徑,,其中微小電容測量是關(guān)鍵技術(shù)之一。
電容傳感器的電容變化量往往很小,。結(jié)果電容傳感器電纜雜散電容的影響非常明顯,。特別在電容層析成像系統(tǒng)中被測電容變化量可達(dá)0.01pF,屬于微弱電容測量,,系統(tǒng)中總的雜散電容(一般大于100pF)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于系統(tǒng)的電容變化值,,且雜散電容會隨溫度、結(jié)構(gòu),、位置,、內(nèi)外電場分布及器件的選取等諸多因素的影響而變化,同時被測電容變化范圍大,。因此微小電容測量電路必須滿足動態(tài)范圍大,、測量靈敏度高、低噪聲,、抗雜散性等要求,。
1 充/放電電容測量電路
充/放電電容測量電路基本原理如圖1所示,。 小型電容測量電路
由CMOS開關(guān)S1,將未知電容Cx充電至Ve,,再由第二個CMOS開關(guān)S2放電至電荷檢測器,。在一個信號充/放電周期內(nèi)從Cx傳輸?shù)綑z波器的電荷量Q=Ve·Cx,在時鐘脈沖控制下,,充/放電過程以頻率f=1/T重復(fù)進(jìn)行,,因而平均電流Im=Ve·Cx·f,該電流被轉(zhuǎn)換成電壓并被平滑,,zui后給出一個直流輸出電壓Vo=Rf·Im=Rf·Ve·Cx·f(Rf為檢波器的反饋電阻) ,。
充/放電電容測量電路典型的例子為差動式直流充放電C/V轉(zhuǎn)換電路,如圖2所示,。 小型電容測量電路
Cs1和Cs2分別為源極板和檢測極板與地間的等效雜散電容(通過分析可知,,它們不影響電容Cx的測量)。S1-S4是CMOS開關(guān),,S1和S3同步,,S2和S3同步,它們的通斷受頻率f的時鐘信號控制,,每個工作周期由充/放電組成,。分析可得電路輸出為
Vo=2KRfVeCxf (1)
式中,K為差分放大器D3的放大倍數(shù),。
該通信電源電路的主要優(yōu)點是能有效地抑制雜散電容,,而且電路結(jié)構(gòu)簡單,成本很低,,經(jīng)過軟件補償后電路穩(wěn)定性較高,,獲取數(shù)據(jù)速度快。缺點是電路采用的是直流放大,,存在較大的漂移,;另外,充/放電是由CMOS開關(guān)控制,,所以存在電荷注入問題,。目前該電路已成功應(yīng)用于6、8,、12電極的ECT系統(tǒng)中,。其典型分辯率可達(dá)3*10-15F。
2 AC電橋電容測量電路
AC電橋電容測量電路如圖3所示,,其原理是將被測電容在一個橋臂,,可調(diào)的參考阻抗放在相鄰的一個橋臂,二橋臂分別接到頻率相同/幅值相同的信號源上,,調(diào)節(jié)參考阻抗使橋路平衡,,則被測橋臂中的阻抗與參與阻抗共軛相等,。這種電路的主要優(yōu)點是:精度高,適合作精密電容測量,,可以做到高信噪比,。
圖3電路的缺點是無自動平衡措施,為此可采用圖4所示的自動平衡AC電橋電容測量電路,。
該系統(tǒng)輸出Vd為一直流信號,,ΔC為傳感器的電容變化量。 小型電容測量電路
式中,,2/π為相敏因子,。
結(jié)合平衡條件,在理論上輸出Vd可寫成
獲得該電橋的自動平衡過程的步驟為:保證電橋未加載時ΔC=0,,測量電橋非平衡值并利用公式(3)計算出電橋輸出為零時所需的反饋信號Ve的值,。重新測量橋路的輸出,若輸出為零,,則橋路平衡,;若輸出不為零,重復(fù)上述測量步驟,,直至橋路輸出為零,,即橋路平衡為止。該電橋電容測量電路原理上沒有考慮消除雜散電容影響的問題,,為此采取屏蔽電纜等復(fù)雜措施,,而且其效果也不一定理想。通過實驗測得其線性誤差能達(dá)到±1*10-13F,。
3 交流鎖相放大電容測量電路
交流型的C/V轉(zhuǎn)換電路基本原理如圖5所示。
正弦信號Ui(t)對被測電容進(jìn)行激勵,,激勵電流流經(jīng)由反饋電阻Rf,、反饋電容Cf,和運放組成的檢測器D轉(zhuǎn)換成交流電壓Uo(t):
若jωRfCf>>1,,則(4)式為
式(5)表明,,輸出電壓值正比于被測電容值。為了能直接反映被測電容的變化量,,目前常用的是帶負(fù)反饋回路的C/V轉(zhuǎn)換電路,。這種電路的特點是抗雜散性、分辨率可高達(dá)0.4*10-15F,。
由于采用交流放大器,,所以低漂移、高信噪比,,但電路較復(fù)雜,,成本高,,頻率受限。
4 基于V/T變換的電容測量電路
測量電路基本原理如圖6所示,。
電流源Io為4DH型精密恒流管,,它與電容C通過電子開關(guān)K串聯(lián)構(gòu)成閉合回路,電容C的兩端連接到電壓比較器P的輸入端,,測量過程如下:當(dāng)K1閉合時,,基準(zhǔn)電壓給電容充電至Uc=Us,然后K1斷開,,K2閉合,,電容在電流源的作用下放電,單片機(jī)的內(nèi)部計數(shù)器同時開始工作,。當(dāng)電流源對電容放電至Uc=0時,,比較器翻轉(zhuǎn),計數(shù)器結(jié)束計數(shù),,計數(shù)值與電容放電時間成正比,,計數(shù)脈沖與放電時間關(guān)系如圖7所示。
電容電壓Uc與放電電流Io的關(guān)系為:
令Uc=0,,則有:
式中,,N為計數(shù)器的讀數(shù);Tc為計數(shù)脈沖的周期,;它是一個常數(shù),;在Us和Io為定值時,C與N成正比,。
基于V/T變換的電容測量電路,,對被測電容只進(jìn)行一次充放電即可完成對被測電容的測量。采用了電子技術(shù)中準(zhǔn)確度較高的時間測量原理,,克服了傳統(tǒng)測量微弱信號電路中放大器的穩(wěn)定性不好,、零點漂移大等缺點,且電路結(jié)構(gòu)簡單,、測量精度和分辨率高,。
5 基于混沌理論的恒流式混沌測量電路
恒流式混沌電路如圖8所示。
其工作原理如下:當(dāng)K1,、K2斷開時,,K3閉合。電容C充電使Uc=Ux,,然后K3斷開,,待周期為t的脈沖序列δ中的一個脈沖到達(dá)G(邏輯電路)時,G的輸人信號使K2閉合,,K1保持?jǐn)嚅_(此時相當(dāng)于圖9中的X1點),,電容開始以-0.5Io的恒定電流放電,。當(dāng)Uc=0時,相當(dāng)于電路中的A點,,比較器翻轉(zhuǎn),,輸出電壓Up由高電平變?yōu)榈纂娖剑琔p的變化促使G變化,,使G控制K1閉合,、K2斷開,此時電容C由恒定電流Io充電,,使Uc按A-X2方向上升,。當(dāng)又一個脈沖到來時(相當(dāng)于圖8中X2點),G又開始變化,,使K1斷開,、K2閉合,又一個放電充電過程開始,。這樣周而復(fù)始的放電充電使Uc的變化如圖9所示,,只要適當(dāng)調(diào)整,Io和t就可以使直流電源電路處于混沌狀態(tài),。
這種方法突出的優(yōu)點是測量的分辨率高,,測量的誤差不隨被測電容值的變化而改變,對作為傳感器的元件只要求穩(wěn)定即可,。當(dāng)被測電容很大時,,相對誤差還會減小。此方法除了可以直接測量電容外,,也可以作為電容式傳感器測量其它電量和非電量,。
6 基于電荷放大原理的電容測量電路
基于電荷放大原理的電容測量電路如圖10所示,該電路是通過測量極板上的激勵信號所感應(yīng)出的電荷量而得到所測電容值的,。圖中Cx為被測電容,,它的左側(cè)極板為激勵電極,右側(cè)極板為測量電極,。Cas和Cbs表示每個電極所有雜散電容的等效電容,,Cas由激勵信號源驅(qū)動,,它的存在對流過被測電容的電流無影響,。電容Cbs在
測量過程中始終處于虛地狀態(tài),兩端無電壓差,,因而它也對電容測量無影響,,因此整個電路對雜散電容的存在不敏感。
基于電荷放大原理的電容測量電路,,一方面該電路對被測電容只進(jìn)行一次充放電,,就可完成對電容的測量,,由于測量結(jié)果是直流穩(wěn)定信號,不存在脈動成分,,故電路中無需濾波器,。因此大大提高了基于該電路的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集速度。同時該電路具有很強的抗雜散電容的性能,。另一方面該電路可以對各開關(guān)的控制時序進(jìn)行合理的設(shè)計,,用以較好地解決了電子開關(guān)的電荷注入效應(yīng)對測量精度的影響問題,使電路達(dá)到了較高的分辨率?,F(xiàn)在此電路成功應(yīng)用于12電極ECT系統(tǒng)中,,在不實時成像的情況下,數(shù)據(jù)采集速度可達(dá)600幅/s,,對雜散電容具有較強的抑制能力,,系統(tǒng)靈敏度4.8V/pF,可達(dá)zui高分辨率為5*10-15F,。
7 結(jié)論
電容傳感器性能很大程度上取決于其測量電路的性能,,目前的微小電容測量技術(shù)正處于不斷的完善中,還不能滿足實際應(yīng)用發(fā)展的需要,。從工業(yè)角度而言,,一個完善的微小電容測量電路應(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優(yōu)點,。在上述討論的測量電路各有優(yōu)缺點,相比較而言,,交流鎖相放大測量電路是目前實驗室應(yīng)用的檢測電路,,在現(xiàn)有研究成果基礎(chǔ)上進(jìn)一步改善其電路復(fù)雜、頻率受限的缺點,,將在工業(yè)實際測量中具有廣泛的應(yīng)用前景,。把微小電容測量技術(shù)研究工作推上一個新臺階。
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