差动电容传感器在测量电路中的应用.doc

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(sc)法，模数转换(AD)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，CF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、Cx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)Co2 Cx一(1一x)Co2因此：X=(cxcx)(Cx+Cx)采用某种信号处理电路将差动电容比倒信号(CxCx)(Cx+cx)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AD转换三部分组成。当开关s1合、s2断时 A点电压v 为V01=-(Cx+Cx)RtVs，而sl断、s2台时A点电压V 为：V02 = -CxRfvs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AD转换器的参考输入及信号输入端 经AD转换后输出数字量b=V02/V01=CX(Cx+ Cx) 而x= (Cx+ Cx)(Cx+ CX)= 2Cx(Cx+ CX)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来消除RsCx+ Vt其中非线性误差： =1.4 + (1.2 + 1.6 )(1+x)2失调误差VR =KVref2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O1 。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1RtC3为运放A3 ，增益带宽积的110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lOS。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