基于高精度的微弱電容檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

陳莉

（陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院陜西西安710302）

隨著加工工藝以及新型材料不斷地被開發(fā)，傳統(tǒng)的電容位移傳感器的缺點(diǎn)正在被逐步克服，新型的電容位移傳感器的精度與穩(wěn)定性也在逐步提高。但我國(guó)電容位移傳感器相比國(guó)際上的水平仍屬于滯后狀態(tài)，國(guó)際上的電容位移傳感器具有分辨率高、測(cè)量范圍廣、頻率響應(yīng)快等優(yōu)勢(shì)[1]。分析其原因可發(fā)現(xiàn)，電容位移傳感器的主要組成部件為微弱電容檢測(cè)系統(tǒng)和探測(cè)頭組成。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于電容位移傳感器的微弱電容檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還處于滯后狀態(tài)，這是導(dǎo)致位移傳感器滯后的主要原因。因此，目前國(guó)內(nèi)需要更進(jìn)一步的研究微弱電容檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

目前，電容位移傳感器的檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)正在向高精度[2]和小型化趨勢(shì)發(fā)展。尤其對(duì)于微弱電容測(cè)量領(lǐng)域，比如納米級(jí)高精度電容位移傳感器、電容層析成像等領(lǐng)域中，電容的值在零點(diǎn)幾pF左右，屬于微弱電容測(cè)量。對(duì)于微弱電容測(cè)量的電路要求分辨率較高，故傳統(tǒng)的電容檢測(cè)技術(shù)根本無法實(shí)現(xiàn)該微弱電容的測(cè)量[3]。因此，本文研究了在大的噪聲干擾中，實(shí)現(xiàn)傳感器微弱電容信號(hào)的高精度檢測(cè)方案設(shè)計(jì)。該檢測(cè)電路的實(shí)現(xiàn)也提高了電容傳感器的高精度和高分辨率特性，在未來有廣闊的發(fā)展前景。

1 電容位移傳感器的工作原理

電容量的變化是由電容板極間的位移量的變化而引起的，也稱該種電容傳感器為電容位移傳感器。根據(jù)物理知識(shí)，電容器的電容量大小是決定兩極板形狀、大小、相互位置及電介質(zhì)的函數(shù)[4]。如平行板電容器，當(dāng)忽略邊緣電場(chǎng)對(duì)其的影響時(shí)，其電容量的大小可表示為:

ε電容極板間的介電常數(shù)，ε=ε0εr，S為兩極板間的重疊部分面積，d為兩極板間的間隙。從式（1）中可發(fā)現(xiàn)，電容量的變化和s、d、ε3個(gè)參數(shù)均有關(guān)[5]。這3個(gè)參數(shù)任何一個(gè)發(fā)生變化，均會(huì)影響電容量的變化。若確定其中兩個(gè)參數(shù)不變，改變第三個(gè)參數(shù)，電容量便會(huì)隨之變化，根據(jù)此理論可測(cè)量得到物體的位移。位移的變化使得電容量發(fā)生變化，當(dāng)電容量發(fā)生變化時(shí)通過電容檢測(cè)方法將此變化轉(zhuǎn)換為有用的電信號(hào)輸出，從而可根據(jù)輸出信號(hào)的大小計(jì)算位移量的值[6]。如圖1所示為，平面極板電容位移傳感器結(jié)構(gòu)原理示意圖。該結(jié)構(gòu)比較傳統(tǒng)，屬于平面變間隙電容位移傳感器，是非接觸式，一維傳感模式。本文所研究的為球形電容傳感器，如圖2所示。該結(jié)構(gòu)在某種意義上講，是一種變極距型的傳感器。與傳統(tǒng)傳感器區(qū)別在于，該傳感器采用球形電容極板作為單元，與被測(cè)件的測(cè)量采用非接觸式，屬于三維傳感方式[7]。

圖1 平面極板電容位移傳感器結(jié)構(gòu)原理示意圖

圖2 球型極板電容位移傳感器結(jié)構(gòu)原理示意圖

2 微弱電容檢測(cè)系統(tǒng)總體方案

2.1 電纜電容的影響及其消除

微弱電容檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，首先要消除電纜電容的影響。因在對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行測(cè)量時(shí)，通常會(huì)與測(cè)量電路之間存在著距離，電容傳感器的探測(cè)極板會(huì)和檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量電路之間保持一段距離[8]。這一距離之間信號(hào)的傳輸，就必須要進(jìn)行信息導(dǎo)線傳輸?shù)钠帘未胧?。若不進(jìn)行屏蔽，測(cè)量結(jié)果會(huì)受到各種其他信號(hào)或寄生電容的影響。通常采用如圖3所示的方法，通過電纜線將測(cè)量頭與引線進(jìn)行屏蔽，屏蔽層和大地連接，保證屏蔽層與大地等電勢(shì)。同時(shí)，也確保了外部導(dǎo)體不對(duì)測(cè)量頭和芯線產(chǎn)生影響。

圖3 采用同軸電纜屏蔽原理示意圖

2.2 總體方案設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)以上對(duì)微弱電容測(cè)量電路中細(xì)節(jié)問題的分析，設(shè)計(jì)出如圖4所示的微弱電容檢測(cè)系統(tǒng)原理框圖。在該原理圖中由DDS數(shù)字合成技術(shù)集成芯片為核心產(chǎn)生雙向信號(hào)[9]，一個(gè)作為激勵(lì)信號(hào)；另一個(gè)作為參考信號(hào)。在該電路中產(chǎn)生的電阻熱噪聲由T型網(wǎng)絡(luò)[10]結(jié)構(gòu)進(jìn)行降低，采用不完全驅(qū)動(dòng)電纜方案去除電纜電容對(duì)測(cè)量電路的影響。從而排除非必要因素的干擾，保證測(cè)量得到的電容信號(hào)到交流電壓信號(hào)的高精度轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換之后的信號(hào)經(jīng)過交流放大電流進(jìn)行放大，并通過相敏檢波技術(shù)消弱噪聲，提高解調(diào)信號(hào)的信噪比。最終，獲得含有待測(cè)電容C信息的直流電壓信號(hào)信息[11]。

圖4 微弱電容檢測(cè)系統(tǒng)原理框圖

2.3 硬件電路設(shè)計(jì)

根據(jù)圖4所示的微弱電容檢測(cè)系統(tǒng)原理框圖，通過對(duì)T型反饋電阻[12]網(wǎng)絡(luò)及驅(qū)動(dòng)電纜的功能分析，最終確定轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。為了能夠達(dá)到測(cè)量精度的要求，采用ADI公司的運(yùn)算放大器AD549[13]。該運(yùn)算放大器具有極低的偏置輸入電流60 fA，偏置電壓0.25 mA，且AD549能夠進(jìn)行電壓調(diào)零，并可最大限度的降低偏置電壓對(duì)測(cè)量電路的影響[14]。

圖5 交流激勵(lì)式電容轉(zhuǎn)換電路示意圖

如圖6所示為交流放大電路原理圖，測(cè)量得到的電容信號(hào)需要經(jīng)過交流放大電路進(jìn)行放大[15]，從而得到交流電壓信號(hào)。該圖中選用儀表差分放大器AD620，該交流電路中AD620的差模輸入阻抗：10 GΩ ||2 pF，共模輸入阻抗：10 GΩ||2 pF，且具有低輸入電壓漂移[13，16-18]。

圖6 交流放大電路原理圖

如圖7所示為低通濾波器的電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖。該濾波器為有源濾波[19]，設(shè)計(jì)時(shí)著重考慮類型、截至頻率、階數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)[20]。文中設(shè)計(jì)的濾波器為2階無限增益多路反饋低通濾波器，級(jí)聯(lián)形成的8階巴特沃斯型濾波器，其截至頻率為10 kHz[21]。

圖7 低通濾波器的設(shè)計(jì)

3 系統(tǒng)測(cè)試

在系統(tǒng)測(cè)試之前，必須要對(duì)本文中雙路信號(hào)發(fā)生模塊產(chǎn)生的信號(hào)的幅度和頻率的穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試，因?yàn)殡p路信號(hào)發(fā)生模塊產(chǎn)生信號(hào)的穩(wěn)定性對(duì)電容測(cè)量電路的影響非常明顯，所以在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試前必須進(jìn)行雙路信號(hào)發(fā)生模塊的信號(hào)穩(wěn)定性測(cè)試，如表一所示為測(cè)量的雙路信號(hào)發(fā)生模塊產(chǎn)生的幅度和頻率穩(wěn)定性的測(cè)試結(jié)果，從表中可以看到該雙路信號(hào)產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的信號(hào)穩(wěn)定性很好，一個(gè)小時(shí)內(nèi)可以穩(wěn)定在0.01 Hz內(nèi)。

表1 雙路正弦信號(hào)頻率穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

如圖8所示為根據(jù)電路理論設(shè)計(jì)，在軟件中進(jìn)行電路圖的設(shè)計(jì)之后，通過板子的硬件制作技術(shù)設(shè)計(jì)的硬件電路圖，針對(duì)該板子是否能夠達(dá)到理論所要求的性能指標(biāo)，下文中給出具體的性能測(cè)試和誤差分析。

圖8 微弱電容檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電路板

如圖9所示為微弱電容測(cè)量電路實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建實(shí)物圖。該圖中的儀器及設(shè)備主要有三維壓電定位/掃描工作臺(tái)、測(cè)頭、電容傳感器、標(biāo)準(zhǔn)量塊等5個(gè)主要模塊[22]。這5個(gè)主要模塊的性能參數(shù)，如表1所示。通過表格中的參數(shù)列表，能夠清楚的看到各個(gè)儀器及設(shè)備的指標(biāo)性能。

如圖10所示為測(cè)試平臺(tái)原理示意圖，該示意圖通過各個(gè)器件和期間位置的相對(duì)關(guān)系展示了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的具體操作。表1中給出各個(gè)實(shí)驗(yàn)器件的描述以及性能指標(biāo)的介紹，實(shí)驗(yàn)中具體的參數(shù)都是根據(jù)這些硬件參數(shù)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。

圖9 測(cè)試平臺(tái)原理示意圖

圖10 測(cè)試平臺(tái)的搭建

表1 主要實(shí)驗(yàn)裝置與標(biāo)準(zhǔn)器

如圖11所示為，表征電容量與輸出電壓值之間的線性關(guān)系擬合出的非線性特性曲線。圓圈代表微弱電容檢測(cè)系統(tǒng)輸出的電壓與可變電容之間的關(guān)系曲線，直線為利用最小二乘法得到的測(cè)量值的最佳擬合直線[23]。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，測(cè)量實(shí)際值極為接近擬合曲線[24]，因此表明系統(tǒng)的線性特性良好。

圖11 非線性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如圖12所示為該系統(tǒng)在30 min內(nèi)示值穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從該實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)30分鐘內(nèi)的電壓值維持在0.7 mV內(nèi)。

圖12 30min內(nèi)示值穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)束語

文中通過對(duì)現(xiàn)有球型電容位移傳感器存在的電容量變化微小、極板結(jié)構(gòu)材質(zhì)特殊、尺寸極其微小等問題，通過對(duì)現(xiàn)有電容傳感器中關(guān)鍵部件微弱電容測(cè)量電路的研究以及對(duì)電容工作原理的簡(jiǎn)單介紹到電容電纜的信號(hào)傳輸干擾問題進(jìn)行解決，設(shè)計(jì)了微弱電容測(cè)量電路。通過對(duì)電路各個(gè)模塊的硬件設(shè)計(jì)到非線性仿真分析發(fā)現(xiàn)，實(shí)際測(cè)量結(jié)果與擬合曲線擬合效果良好，也驗(yàn)證了該電路設(shè)計(jì)具有實(shí)用價(jià)值。