微小電容測(cè)量方法介紹

4 基于V/T變換的電容測(cè)量電路

測(cè)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(guò)電子開(kāi)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(cè)量過(guò)程如下：當(dāng)K1閉合時(shí)，基準(zhǔn)電壓給電容充電至Uc=Us，然后K1斷開(kāi)，K2閉合，電容在電流源的作用下放電，單片機(jī)的內(nèi)部計(jì)數(shù)器同時(shí)開(kāi)始工作。當(dāng)電流源對(duì)電容放電至Uc=0時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)，計(jì)數(shù)器結(jié)束計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值與電容放電時(shí)間成正比，計(jì)數(shù)脈沖與放電時(shí)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(jì)數(shù)器的讀數(shù)；Tc為計(jì)數(shù)脈沖的周期；它是一個(gè)常數(shù)；在Us和Io為定值時(shí)，C與N成正比。

基于V/T變換的電容測(cè)量電路，對(duì)被測(cè)電容只進(jìn)行一次充放電即可完成對(duì)被測(cè)電容的測(cè)量。采用了電子技術(shù)中準(zhǔn)確度較高的時(shí)間測(cè)量原理，克服了傳統(tǒng)測(cè)量微弱信號(hào)電路中放大器的穩(wěn)定性不好、零點(diǎn)漂移大等缺點(diǎn)，且電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量精度和分辨率高。

5 基于混沌理論的恒流式混沌測(cè)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(kāi)時(shí)，K3閉合。電容C充電使Uc=Ux，然后K3斷開(kāi)，待周期為t的脈沖序列δ中的一個(gè)脈沖到達(dá)G(邏輯電路)時(shí)，G的輸人信號(hào)使K2閉合，K1保持?jǐn)嚅_(kāi)(此時(shí)相當(dāng)于圖9中的X1點(diǎn))，電容開(kāi)始以-0.5Io的恒定電流放電。當(dāng)Uc=0時(shí)，相當(dāng)于電路中的A點(diǎn)，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(kāi)，此時(shí)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(gè)脈沖到來(lái)時(shí)(相當(dāng)于圖8中X2點(diǎn))，G又開(kāi)始變化，使K1斷開(kāi)、K2閉合，又一個(gè)放電充電過(guò)程開(kāi)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(diǎn)是測(cè)量的分辨率高，測(cè)量的絕對(duì)誤差不隨被測(cè)電容值的變化而改變，對(duì)作為傳感器的元件只要求穩(wěn)定即可。當(dāng)被測(cè)電容很大時(shí)，相對(duì)誤差還會(huì)減小。此方法除了可以直接測(cè)量電容外，也可以作為電容式傳感器測(cè)量其它電量和非電量。

6 基于電荷放大原理的電容測(cè)量電路

基于電荷放大原理的電容測(cè)量電路如圖10所示，該電路是通過(guò)測(cè)量極板上的激勵(lì)信號(hào)所感應(yīng)出的電荷量而得到所測(cè)電容值的。圖中Cx為被測(cè)電容，它的左側(cè)極板為激勵(lì)電極，右側(cè)極板為測(cè)量電極。Cas和Cbs表示每個(gè)電極所有雜散電容的等效電容，Cas由激勵(lì)信號(hào)源驅(qū)動(dòng)，它的存在對(duì)流過(guò)被測(cè)電容的電流無(wú)影響。電容Cbs在

測(cè)量過(guò)程中始終處于虛地狀態(tài)，兩端無(wú)電壓差，因而它也對(duì)電容測(cè)量無(wú)影響，因此整個(gè)電路對(duì)雜散電容的存在不敏感。



基于電荷放大原理的電容測(cè)量電路，一方面該電路對(duì)被測(cè)電容只進(jìn)行一次充放電，就可完成對(duì)電容的測(cè)量，由于測(cè)量結(jié)果是直流穩(wěn)定信號(hào)，不存在脈動(dòng)成分，故電路中無(wú)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(shí)該電路具有很強(qiáng)的抗雜散電容的性能。另一方面該電路可以對(duì)各開(kāi)關(guān)的控制時(shí)序進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，用以較好地解決了電子開(kāi)關(guān)的電荷注入效應(yīng)對(duì)測(cè)量精度的影響問(wèn)題，使電路達(dá)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(shí)時(shí)成像的情況下，數(shù)據(jù)采集速度可達(dá)600幅/s，對(duì)雜散電容具有較強(qiáng)的抑制能力，系統(tǒng)靈敏度4.8 V/pF，可達(dá)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(cè)量電路的性能，目前的微小電容測(cè)量技術(shù)正處于不斷的完善中，還不能滿足實(shí)際應(yīng)用發(fā)展的需要。從工業(yè)角度而言，一個(gè)完善的微小電容測(cè)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(diǎn)。在上述討論的測(cè)量電路各有優(yōu)缺點(diǎn)，相比較而言，交流鎖相放大測(cè)量電路是目前實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用最好的檢測(cè)電路，在現(xiàn)有研究成果基礎(chǔ)上進(jìn)一步改善其電路復(fù)雜、頻率受限的缺點(diǎn)，將在工業(yè)實(shí)際測(cè)量中具有廣泛的應(yīng)用前景。把微小電容測(cè)量技術(shù)研究工作推上一個(gè)新臺(tái)階。