微小電容測量方法介紹

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?，Up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，測量的絕對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600幅/s，對雜散電容具有較強的抑制能力，系統(tǒng)靈敏度4.8 V/pF，可達最高分辨率為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)用最好的檢測電路，在現(xiàn)有研究成果基礎(chǔ)上進一步改善其電路復(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。