基于高精度的微弱電容檢測電路的設計

陳莉

（陜西國防工業職業技術學院陜西西安710302）

隨著加工工藝以及新型材料不斷地被開發，傳統的電容位移傳感器的缺點正在被逐步克服，新型的電容位移傳感器的精度與穩定性也在逐步提高。但我國電容位移傳感器相比國際上的水平仍屬于滯后狀態，國際上的電容位移傳感器具有分辨率高、測量范圍廣、頻率響應快等優勢[1]。分析其原因可發現，電容位移傳感器的主要組成部件為微弱電容檢測系統和探測頭組成。目前，國內對于電容位移傳感器的微弱電容檢測系統的設計還處于滯后狀態，這是導致位移傳感器滯后的主要原因。因此，目前國內需要更進一步的研究微弱電容檢測系統的設計。

目前，電容位移傳感器的檢測系統設計正在向高精度[2]和小型化趨勢發展。尤其對于微弱電容測量領域，比如納米級高精度電容位移傳感器、電容層析成像等領域中，電容的值在零點幾pF左右，屬于微弱電容測量。對于微弱電容測量的電路要求分辨率較高，故傳統的電容檢測技術根本無法實現該微弱電容的測量[3]。因此，本文研究了在大的噪聲干擾中，實現傳感器微弱電容信號的高精度檢測方案設計。該檢測電路的實現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。根據物理知識，電容器的電容量大小是決定兩極板形狀、大小、相互位置及電介質的函數[4]。如平行板電容器，當忽略邊緣電場對其的影響時，其電容量的大小可表示為:

ε電容極板間的介電常數，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）中可發現，電容量的變化和s、d、ε3個參數均有關[5]。這3個參數任何一個發生變化，均會影響電容量的變化。若確定其中兩個參數不變，改變第三個參數，電容量便會隨之變化，根據此理論可測量得到物體的位移。位移的變化使得電容量發生變化，當電容量發生變化時通過電容檢測方法將此變化轉換為有用的電信號輸出，從而可根據輸出信號的大小計算位移量的值[6]。如圖1所示為，平面極板電容位移傳感器結構原理示意圖。該結構比較傳統，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。該結構在某種意義上講，是一種變極距型的傳感器。與傳統傳感器區別在于，該傳感器采用球形電容極板作為單元，與被測件的測量采用非接觸式，屬于三維傳感方式[7]。

圖1 平面極板電容位移傳感器結構原理示意圖

圖2 球型極板電容位移傳感器結構原理示意圖

2 微弱電容檢測系統總體方案

2.1 電纜電容的影響及其消除

微弱電容檢測系統的設計，首先要消除電纜電容的影響。因在對被測對象進行測量時，通常會與測量電路之間存在著距離，電容傳感器的探測極板會和檢測系統的測量電路之間保持一段距離[8]。這一距離之間信號的傳輸，就必須要進行信息導線傳輸的屏蔽措施。若不進行屏蔽，測量結果會受到各種其他信號或寄生電容的影響。通常采用如圖3所示的方法，通過電纜線將測量頭與引線進行屏蔽，屏蔽層和大地連接，保證屏蔽層與大地等電勢。同時，也確保了外部導體不對測量頭和芯線產生影響。

圖3 采用同軸電纜屏蔽原理示意圖

2.2 總體方案設計實現

根據以上對微弱電容測量電路中細節問題的分析，設計出如圖4所示的微弱電容檢測系統原理框圖。在該原理圖中由DDS數字合成技術集成芯片為核心產生雙向信號[9]，一個作為激勵信號；另一個作為參考信號。在該電路中產生的電阻熱噪聲由T型網絡[10]結構進行降低，采用不完全驅動電纜方案去除電纜電容對測量電路的影響。從而排除非必要因素的干擾，保證測量得到的電容信號到交流電壓信號的高精度轉換。轉換之后的信號經過交流放大電流進行放大，并通過相敏檢波技術消弱噪聲，提高解調信號的信噪比。最終，獲得含有待測電容C信息的直流電壓信號信息[11]。

圖4 微弱電容檢測系統原理框圖

2.3 硬件電路設計

根據圖4所示的微弱電容檢測系統原理框圖，通過對T型反饋電阻[12]網絡及驅動電纜的功能分析，最終確定轉換電路如圖5所示。為了能夠達到測量精度的要求，采用ADI公司的運算放大器AD549[13]。該運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能夠進行電壓調零，并可最大限度的降低偏置電壓對測量電路的影響[14]。

圖5 交流激勵式電容轉換電路示意圖

如圖6所示為交流放大電路原理圖，測量得到的電容信號需要經過交流放大電路進行放大[15]，從而得到交流電壓信號。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計結構圖。該濾波器為有源濾波[19]，設計時著重考慮類型、截至頻率、階數進行設計[20]。文中設計的濾波器為2階無限增益多路反饋低通濾波器，級聯形成的8階巴特沃斯型濾波器，其截至頻率為10 kHz[21]。

圖7 低通濾波器的設計

3 系統測試

在系統測試之前，必須要對本文中雙路信號發生模塊產生的信號的幅度和頻率的穩定性進行測試，因為雙路信號發生模塊產生信號的穩定性對電容測量電路的影響非常明顯，所以在對系統進行測試前必須進行雙路信號發生模塊的信號穩定性測試，如表一所示為測量的雙路信號發生模塊產生的幅度和頻率穩定性的測試結果，從表中可以看到該雙路信號產生模塊產生的信號穩定性很好，一個小時內可以穩定在0.01 Hz內。

表1 雙路正弦信號頻率穩定性實驗

如圖8所示為根據電路理論設計，在軟件中進行電路圖的設計之后，通過板子的硬件制作技術設計的硬件電路圖，針對該板子是否能夠達到理論所要求的性能指標，下文中給出具體的性能測試和誤差分析。

圖8 微弱電容檢測系統實現電路板

如圖9所示為微弱電容測量電路實驗平臺的搭建實物圖。該圖中的儀器及設備主要有三維壓電定位/掃描工作臺、測頭、電容傳感器、標準量塊等5個主要模塊[22]。這5個主要模塊的性能參數，如表1所示。通過表格中的參數列表，能夠清楚的看到各個儀器及設備的指標性能。

如圖10所示為測試平臺原理示意圖，該示意圖通過各個器件和期間位置的相對關系展示了驗證實驗的具體操作。表1中給出各個實驗器件的描述以及性能指標的介紹，實驗中具體的參數都是根據這些硬件參數進行的實驗。

圖9 測試平臺原理示意圖

圖10 測試平臺的搭建

表1 主要實驗裝置與標準器

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

圖11 非線性實驗結果

如圖12所示為該系統在30 min內示值穩定性實驗結果，從該實驗結果可以發現30分鐘內的電壓值維持在0.7 mV內。

圖12 30min內示值穩定性實驗結果

4 結束語

文中通過對現有球型電容位移傳感器存在的電容量變化微小、極板結構材質特殊、尺寸極其微小等問題，通過對現有電容傳感器中關鍵部件微弱電容測量電路的研究以及對電容工作原理的簡單介紹到電容電纜的信號傳輸干擾問題進行解決，設計了微弱電容測量電路。通過對電路各個模塊的硬件設計到非線性仿真分析發現，實際測量結果與擬合曲線擬合效果良好，也驗證了該電路設計具有實用價值。