微小电容测量电路.pdf

V o 1 2 8 ， N o 5 H e i l o n g i a n g E l e c t r i c P o w e r O c t 2 0 o 6 微小 电容测量电路 邱桂苹 ， 于晓洋 ， 陈德运 ( 1 哈尔滨理工大学 测控技术与通信工程学院， 黑龙江 哈尔滨 1 5 0 0 8 0 ； 2 哈尔滨理工大学 计算机与控制学院， 黑龙江哈 尔滨 1 5 0 0 8 0 ) 摘要：针对目 前微小电容测量电路的测量方法进行分析和比较。介绍了代表性电容测量电路的基本原理， 评 述了各种电路的优缺点以及主要技术指标。并指出微小电容测量电路的发展趋势。 关键词：电容传感器； 微小电容； 测量电路 中圈分类号：T M 9 3 0 1 1 1 文献标识码 ：A 文章编号：1 0 0 21 6 6 3 ( 2 o o 6 0 5 0 3 6 2 0 5 M i c r o- - c a p a c i t a n c e me a s u r i n g c i r c u i t Q I U G u i p i n g ， Y U X i a o y a n g ， C H E N D e y u n 2 ( 1 M e a s u r e m e n t C o n t r o l T e c h n i q u eC o m mu n i c a t i o n s E n g i n e e r i n g S c h o o l ， H a r b i n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T eeh n d o g y ， H a r b i n 1 5 0 0 8 0 C h i n a ； 2 C o m p u t e r C o n t r o l Sch o o l 。 H a r b i n U n i v e r s i ty o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， Ha r b i n 1 5 0 0 8 0 ， C h i n a) Ab s t r a c t ： Me a s u r i n g me t h o d o f mi c r o c a p a c i t a n c e me a s u rin g c i r c u i t p o p u l a r n o w Was a n a l y z e d a n d c o n t r a s t e d，a n d the me c h a n i s m o f a t y p i c a l mi c r oc a p a c i t a n c e me asu ri n g c i r c u i t W as i n t r o d u c e d ，the a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s o f a l l k i n d s o f c i r c u i t a n d the ma i n t e c h n i c al s p e c i fi c a t i o n s w e i d i s c u s s e d as w e l l ，i t s d e v e l o - p ing t r e n d Was als o p o i n t e d o u t Ke y wo r d s：c a p a c i t a nc e s e n s o r ；mi c r oc a p a c i t a nc e；me asu r i n g c i r c u i t 电容式传感器是将被测量的变化转换成电容 量变化的一种装置。电容式传感器具有结构简 单、 分辨力高、 工作可靠、 动态响应快、 可非接触测 量， 并能在高温、 辐射和强烈振动等恶劣条件下工 作等优点已在工农业生产的各个领域得到广泛应 用 】 。例如在气力输送系统中， 可以用电容传感 器来获得浓度信号和流动噪声信号， 从而测量物 料的质量流量； 在电力系统中， 采用电容传感器在 线监测电缆沟的温度， 确保使用的安全； 由英国曼 彻斯特科学与技术大学( U M IS T ) 率先开发的电容 层析成像( E c r ) 技术是解决火电厂煤粉输送风 一 粉在线监测等气固两相流成分和流量检测的有效 途径 J ， 其中微小电容测量是关键技术之一。 电容传感器的电容变化量往往很小。 结果电 容传感器电缆杂散电容的影响非常明显。特别在 电容层析成像系统中被测电容变化量可达0 0 1 p F ， 属于微弱电容测量， 系统中总的杂散电容( 一 收稿 日期 ：2 0 0 6 0 42 0 作者简介：邱桂苹( 1 9 7 9 一) ， 女， 哈尔滨理工大学硕士研究生。 3 6 2 般大于 1 0 0 p F ) 远远大于系统的电容变化值， 且 杂散电容会随温度、 结构、 位置、 内外电场分布及 器件的选取等诸多因素的影响而变化， 同时被测 电容变化范围大 J 。因此微小电容测量电路必 须满足动态范围大、 测量灵敏度高、 低噪声、 抗杂 散性等要求。 1 充 放 电电容测量电路 充 放电电容测量电路基本原理如图 1 所示。 由C M O S 开关 S ， 将未知电容 C ， 充电至 ， 再由 第二个 C M O s 开关 s ： 放电至电荷检测器。在一 个信号充 放电周期内从 C ， 传输到检波器的电荷 量Q： C ， 在时钟脉冲控制下， 放电过程以 频率， = 1 T 重复进行， 因而平均电流 ， m ： C ， ， o 该电流被转换成电压并被平滑， 最后给出一 个直流输出电压 = ， ， m= ， ， ( ， 为检波器的反馈电阻) 】 。 维普资讯 第2 8 卷第5 期 黑龙江电力 2 0 0 6年 1 0月 c u0 厂 厂 r - 1 r - 厂 图 1 充 放 电电容检 测电路 形 放电电容测量电路典型的例子为差动式 直流充放电 C V转换电路， 如图2所示。c 和 c s ， 分别为源极板和检测极板与地间的等效杂散 电容( 通过分析可知， 它们不影响电容 c 的测 量) 。S 一 S 是 C M O S开关， S 。 和 S 同步， S 和 S 同步， 它们的通断受频率， 的时钟信号控制， 每 个工作周期由充 放电组成。分析可得电路输出为 V o = 2 r s v c f ( 1 ) 式中， 为差分放大器 D 的放大倍数。 该电路的主要优点是能有效地抑制杂散电 容， 而且电路结构简单， 成本很低， 经过软件补偿 后电路稳定性较高， 获取数据速度快。缺点是电 路采用的是直流放大， 存在较大的漂移； 另外， 放电是由 C M O S 开关控制， 所以存在电荷注入问 题L 5 J 。目前该电路已成功应用于 6 、 8 、 1 2电极的 E C T系统 中。其 典 型 分 辩率 可 达 3 x 1 0 F E J 9 】 。 2 A C电桥 电容测量电路 A C电桥电容测量电路 如图 3所示， 其原 理是将被测电容在一个桥臂， 可调的参考阻抗放 在相邻的一个桥臂， 二桥臂分别接到频率相同 幅 值相同的信号源上， 调节参考阻抗使桥路平衡， 则 被测桥臂中的阻抗与参与阻抗共轭相等。这种电 路的主要优点是： 精度高， 适合作精密电容测量， 可以做到高信噪比。 图3电路的缺点是无 自动平衡措施， 为此可 采用图 4所示 的 自动平衡 A C电桥 电容测 量 电 路。该系统输出 为一直流信号， A C为传感器 的电容变化量。 v , a c-( c 。 +A CC 。 ) 一 g z ( 2 ) 式中， 为相敏因子。 结合平衡条件， 在理论上输出 可写成 ( c ) = A C 鲁 图 3 A C电桥 电容测量 电路 获得该电桥的自动平衡过程的步骤为： 保证 电桥未加载时 A C= 0 ， 测量电桥非平衡值并利用 公式( 3 ) 计算出电桥输出为零时所需的反馈信号 的值。重新测量桥路的输出， 若输出为零， 则 桥路平衡； 若输出不为零 ， 重复上述测量步骤 ， 直 s 。 ， r_ 广 厂 厂 s !：r_ 厂 r-1 r_ ( a ) 电路 ( b ) 开关波形 图2 差动式直流充 放电电路 - 3 6 3 - 维普资讯 V o 1 2 8 ， N o 5 H e i l o n g j i a n g E l e c t r i c P o w e r O c t 2 O O 6 图4自平衡 A C电桥电容测量电路 至桥路输出为零， 即桥路平衡为止。该电桥电容 测量电路原理上没有考虑消除杂散电容影响的问 题， 为此采取屏蔽电缆等复杂措施， 而且其效果也 不一定理想。通过实验测得其线性误差能达到 4 - 11 0一 F E 引 。 3 交流锁相放大电容测量电路 交流型的 C V转换电路基本原理如图5所 示【 9 。正弦信号 ( t ) 对被测电容进行激励， 激 励电流流经由反馈电阻 ， 、 反馈电容 C ， 和运放组 成的检测器 D转换成交流电压 ( t ) ： 图5 交流电容测量电路 U o ( t ) = 一 丽 j w R C , ( t ) ( 4 ) 若 1 ， 则( 4 ) 式为 U o ( t ) =一 ( t ) ( 5 式( 5 ) 表明， 输出电压值正比于被测电容值。 为了能直接反映被测电容的变化量， 目前常用的 是带负反馈回路的 C V转换电路。这种电路的 特点是抗杂散性、 分辨率可高达 0 41 0 F 。 】 【 。 一 3 6 4 一 由于采用交流放大器， 所以低漂移、 高信噪 比， 但电路较复杂， 成本高， 频率受限。 4 基于 j 1 变换的电容测量电路 测量电路基本原理如图6所示， 电流源 ， o 为 4 D H型精密恒流管， 它与电容 C通过电子开关 K 串联构成闭合回路， 电容 C的两端连接到电压比 较器 P的输入端， 测量过程如下： 当 K 。 闭合时， 基准电压给电容充电至 = ， 然后 K 。 断开， K ： 闭合， 电容在电流源的作用下放电， 单片机的内部 计数器同时开始工作。当电流源对 电容放电至 = O时， 比较器翻转， 计数器结束计数， 计数值 与电容放电时间成正比， 计数脉冲与放电时间关 系如图7所示。 图 6测量电路原理 图 电容电压 与放电电流， o 的关系为： U c = U l 一 ； l od t = t oct (、6 、) 令 = O ， 则有： I ct I oNTc 一 一 式中， 为计数器的读数； 为计数脉冲的周期； 它是一个常数； 在 和 ， o 为定值时， c与 成正 比。 维普资讯 第2 8 卷第5 期 黑龙 江电力 2 0 0 6年 l 0月 图7 电容放电时间与计数脉冲的关系 基于 变换的电容测量电路， 对被测电容 只进行一次充放电即可完成对被测电容的测量。 采用了电子技术中准确度较高的时间测量原理， 克服了传统测量微弱信号电路中放大器的稳定性 不好、 零点漂移大等缺点， 且电路结构简单、 测量 精度和分辨率高 引。 5 基于混沌理论的恒流式混沌测量电路 恒流式混沌电路如图 8 所示， 其工作原理如 下： 当K 、 K 断开时， K ， 闭合。电容 C充电使 = ，然后 K ， 断开， 待周期为 t 的脉冲序列 中 的一个脉冲到达 G ( 逻辑电路) 时， G的输人信号 使 K 闭合， K 保持断开( 此时相当于图9中的 点) ， 电容开始以 一 0 5 1 o 的恒定电流放电。 当 = 0 时， 相当于电路中的 点， 比较器翻 转， 输出电压 由高电平变为底电平， 的变化 促使 G变化， 使 G控制 K 闭合、 K 断开， 此时电 S l 图8 恒流式混沌电路 容 C由恒定电流 ， 0 充电， 使 按 一 方 向上 升。当又一个脉 冲到来时 ( 相 当于图 8中 点) ， G又开始变化， 使 K 断开、 K 闭合， 又一个 放电充电过程开始。这样周而复始的放电充电使 的变化如图 l 0所示， 只要适当调整 ， 0 和 t 就 可以使电路处于混沌状态。 一 t s 圈9 恒流混沌电路的混沌轨道 这种方法突出的优点是测量的分辨率高， 测 量的绝对误差不随被测电容值的变化而改变， 对 作为传感器的元件只要求稳定即可。当被测电容 很大时， 相对误差还会减小。此方法除了可以直 接测量电容外， 也可以作为电容式传感器测量其 它电量和非电量 。 6 基于电荷放大原理的电容测量电路 基于电荷放大原理的电容测量电路 如 图1 0 基于电荷放大电容测量电路 一 3 6 5 维普资讯 V o 1 2 8 ， N o 5 H e i l o n g i i a n g E l e c t r i c P o w e r O c t 2 O 0 6 图l O所示， 该电路是通过测量极板上的激励信号 所感应出的电荷量而得到所测电容值的。图中 c I 为被测电容， 它的左侧极板为激励电极， 右侧 极板为测量电极。c 删 和 C h 表示每个电极所有杂 散电容的等效电容， c 删 由激励信号源驱动， 它的 存在对流过被测电容的电流无影响。电容 C k 在 测量过程中始终处于虚地状态， 两端无电压差， 因 而它也对电容测量无影响， 因此整个电路对杂散 电容的存在不敏感。 基于电荷放大原理的电容测量电路， 一方面 该电路对被测电容只进行一次充放电， 就可完成 对电容的测量， 由于测量结果是直流稳定信号， 不 存在脉动成分， 故电路中无需滤波器。因此大大 提高了基于该电路的数据采集系统的数据采集速 度。同时该电路具有很强的抗杂散电容的性能。 另一方面该电路可以对各开关的控制时序进行合 理的设计， 用以较好地解决了电子开关的电荷注 入效应对测量精度的影响问题【 l ， 使电路达到了 较高的分辨率。现在此电路成功应用于 l 2电极 E C T系统中， 在不实时成像的情况下， 数据采集速 度可达6 O O if s ， 对杂散电容具有较强的抑制能 力， 系统灵敏度4 8 V p l ， 可达最高分辨率为5 l O一 F t 引 。 7 结论 电容传感器性能很大程度上取决于其测量电 路的性能， 目 前的微小电容测量技术正处于不断 的完善中， 还不能满足实际应用发展的需要。从 工业角度而言， 一个完善的微小电容测量电路应 该具备低成本、 低漂移、 响应速度快、 抗杂散性好、 高分辨率、 高信噪比和适用范围广等优点 。在 上述讨论的测量电路各有优缺点， 相比较而言， 交 流锁相放大测量电路是目前实验室应用最好的检 测电路 引， 在现有研究成果基础上进一步改善其 电路复杂、 频率受限的缺点， 将在工业实际测量中 具有广泛的应用前景。把微小电容测量技术研究 工作推上一个新台阶。 参考文献： 1 王化群， 邵富群， 王师。 电容层析成像传感器的优化设计 J - - 3 6 6 - - 仪器仪表学报， 2 o o o ( 1 4 ) ： 4 7 2 】 彭黎辉。 张宝芬 重新评价基于充放电原理的微电容测量电路 J 计量学报。 1 9 9 8 ( 1 0 ) ： 3 0 4 - 3 1 0 3 B a 0 l i I n g Wa n g ， H , i f J i A H i g I I s 。 d D a t a A e q u i s i fi s y B - t 咖 f o r E e l B e d 0 l I t h e D i s | 删p l i I Ig M 咀 h o d J I E E E S E N S O R S J OU R N A L ， N 0 2， A P R I L 2 0 1) 5 ： 3 0 8- 3 1 2 4 Y I n g W Q C l g e i n j e c t i o n咖 m 0 l I f o r c h a r d i 8 c h 晔 c l I p a c i t a n c e m 翻 n g e k , ,e u i t 8 u s e d i n t 0 m 卿 h y s y s t e m s J Me s s ， S e i ， T e e ld。 1 9 9 6 ( 7 ) ： 1 0 31 0 8 5 J i a P e n g 。 P K c h A T mo g r B a 8 e d s w i I c h e dc a p a c i tl R ?,e M e a s u r i n g C i i t t l I 1 T e m p e r a t u r e D 曲 J 】 1 枷一 m e n t i o n a n d Me a s u r e m e n t ， 2 0 o 4 ( 5 ) ： 1 4 2 91 4 3 2 6 W Q Y 帆 H 8 n l 啪d e 8 i 0 f e l e c c 8 l c a p 曩 c j t a n c e t o rp h y 8 y 咖n 1 8 J M e s s S e i T e d m o 1 1 9 9 6 , 2 2 5 2 3 2 7 W Q Y a n 昏T A Y o r k 。 N e w A C b 聃 。 d c l 1 ) a c i t a n c e t 0 m q 毫 p h ， 8 y s l e m J I E E E P r D c S e i M e s s T e e h n d 、 1 4 1 5 ， N 0 1 J 删 - a I y1 9 9 9： 4 9-5 3 8 W Q Y g 。 F u r th e r d e v e l o p m e n t s i n蚰 8 c b 聃 e d c 叩a c i t 0 I n 呷砷h y 8 y 咖 J 。 R e v i e w 0 f s d e “ 吐c h t r u m e n t s ， 2 0 0 1 。 7 2 ( 1 0 ) ： 3 9 0 2 2 9 0 7 9 高彦丽。 杨蓓 用于E c T系统的低成本、 宽带微小电容测量电 路 J 电浏与仪表， 2 O O 4 ( 9 ) ： 2 9 3 2 1 0 余生能， 孙士平 基于 V T 变换的电容传感器新型电容测量 电路 J 中国测试技术 ， 2 0 0 5 ( 9 ) 4 2 4 3 1 1 余生能。 肖循。 基于混沌理论的电容测量系统 J 电浏与仪 表 ， 2 0 0 5 ( 1 ) ： 81 1 1 2 王雷， 壬保良。 两相流检测 E e l 高速数据采集系统的研制 J 浙江大学学报， 2 0 0 2 ( 9 ) ： 4 4 3 4 4 7 1 3 A B l Ik 蚰 h 柚 ， H e i n c 佣B e i n A h i曲 p r e c i B i 0 l I 脒吐 h o d f o r m 伪 舢 Ir i n g v e r y 8 m a l l c 叩a c i