基于高精度的微弱电容检测电路的设计

陈莉

（陕西国防工业职业技术学院陕西西安710302）

随着加工工艺以及新型材料不断地被开发，传统的电容位移传感器的缺点正在被逐步克服，新型的电容位移传感器的精度与稳定性也在逐步提高。但我国电容位移传感器相比国际上的水平仍属于滞后状态，国际上的电容位移传感器具有分辨率高、测量范围广、频率响应快等优势[1]。分析其原因可发现，电容位移传感器的主要组成部件为微弱电容检测系统和探测头组成。目前，国内对于电容位移传感器的微弱电容检测系统的设计还处于滞后状态，这是导致位移传感器滞后的主要原因。因此，目前国内需要更进一步的研究微弱电容检测系统的设计。

目前，电容位移传感器的检测系统设计正在向高精度[2]和小型化趋势发展。尤其对于微弱电容测量领域，比如纳米级高精度电容位移传感器、电容层析成像等领域中，电容的值在零点几pF左右，属于微弱电容测量。对于微弱电容测量的电路要求分辨率较高，故传统的电容检测技术根本无法实现该微弱电容的测量[3]。因此，本文研究了在大的噪声干扰中，实现传感器微弱电容信号的高精度检测方案设计。该检测电路的实现也提高了电容传感器的高精度和高分辨率特性，在未来有广阔的发展前景。

1 电容位移传感器的工作原理

电容量的变化是由电容板极间的位移量的变化而引起的，也称该种电容传感器为电容位移传感器。根据物理知识，电容器的电容量大小是决定两极板形状、大小、相互位置及电介质的函数[4]。如平行板电容器，当忽略边缘电场对其的影响时，其电容量的大小可表示为:

ε电容极板间的介电常数，ε=ε0εr，S为两极板间的重叠部分面积，d为两极板间的间隙。从式（1）中可发现，电容量的变化和s、d、ε3个参数均有关[5]。这3个参数任何一个发生变化，均会影响电容量的变化。若确定其中两个参数不变，改变第三个参数，电容量便会随之变化，根据此理论可测量得到物体的位移。位移的变化使得电容量发生变化，当电容量发生变化时通过电容检测方法将此变化转换为有用的电信号输出，从而可根据输出信号的大小计算位移量的值[6]。如图1所示为，平面极板电容位移传感器结构原理示意图。该结构比较传统，属于平面变间隙电容位移传感器，是非接触式，一维传感模式。本文所研究的为球形电容传感器，如图2所示。该结构在某种意义上讲，是一种变极距型的传感器。与传统传感器区别在于，该传感器采用球形电容极板作为单元，与被测件的测量采用非接触式，属于三维传感方式[7]。

图1 平面极板电容位移传感器结构原理示意图

图2 球型极板电容位移传感器结构原理示意图

2 微弱电容检测系统总体方案

2.1 电缆电容的影响及其消除

微弱电容检测系统的设计，首先要消除电缆电容的影响。因在对被测对象进行测量时，通常会与测量电路之间存在着距离，电容传感器的探测极板会和检测系统的测量电路之间保持一段距离[8]。这一距离之间信号的传输，就必须要进行信息导线传输的屏蔽措施。若不进行屏蔽，测量结果会受到各种其他信号或寄生电容的影响。通常采用如图3所示的方法，通过电缆线将测量头与引线进行屏蔽，屏蔽层和大地连接，保证屏蔽层与大地等电势。同时，也确保了外部导体不对测量头和芯线产生影响。

图3 采用同轴电缆屏蔽原理示意图

2.2 总体方案设计实现

根据以上对微弱电容测量电路中细节问题的分析，设计出如图4所示的微弱电容检测系统原理框图。在该原理图中由DDS数字合成技术集成芯片为核心产生双向信号[9]，一个作为激励信号；另一个作为参考信号。在该电路中产生的电阻热噪声由T型网络[10]结构进行降低，采用不完全驱动电缆方案去除电缆电容对测量电路的影响。从而排除非必要因素的干扰，保证测量得到的电容信号到交流电压信号的高精度转换。转换之后的信号经过交流放大电流进行放大，并通过相敏检波技术消弱噪声，提高解调信号的信噪比。最终，获得含有待测电容C信息的直流电压信号信息[11]。

图4 微弱电容检测系统原理框图

2.3 硬件电路设计

根据图4所示的微弱电容检测系统原理框图，通过对T型反馈电阻[12]网络及驱动电缆的功能分析，最终确定转换电路如图5所示。为了能够达到测量精度的要求，采用ADI公司的运算放大器AD549[13]。该运算放大器具有极低的偏置输入电流60 fA，偏置电压0.25 mA，且AD549能够进行电压调零，并可最大限度的降低偏置电压对测量电路的影响[14]。

图5 交流激励式电容转换电路示意图

如图6所示为交流放大电路原理图，测量得到的电容信号需要经过交流放大电路进行放大[15]，从而得到交流电压信号。该图中选用仪表差分放大器AD620，该交流电路中AD620的差模输入阻抗：10 GΩ ||2 pF，共模输入阻抗：10 GΩ||2 pF，且具有低输入电压漂移[13，16-18]。

图6 交流放大电路原理图

如图7所示为低通滤波器的电路设计结构图。该滤波器为有源滤波[19]，设计时着重考虑类型、截至频率、阶数进行设计[20]。文中设计的滤波器为2阶无限增益多路反馈低通滤波器，级联形成的8阶巴特沃斯型滤波器，其截至频率为10 kHz[21]。

图7 低通滤波器的设计

3 系统测试

在系统测试之前，必须要对本文中双路信号发生模块产生的信号的幅度和频率的稳定性进行测试，因为双路信号发生模块产生信号的稳定性对电容测量电路的影响非常明显，所以在对系统进行测试前必须进行双路信号发生模块的信号稳定性测试，如表一所示为测量的双路信号发生模块产生的幅度和频率稳定性的测试结果，从表中可以看到该双路信号产生模块产生的信号稳定性很好，一个小时内可以稳定在0.01 Hz内。

表1 双路正弦信号频率稳定性实验

如图8所示为根据电路理论设计，在软件中进行电路图的设计之后，通过板子的硬件制作技术设计的硬件电路图，针对该板子是否能够达到理论所要求的性能指标，下文中给出具体的性能测试和误差分析。

图8 微弱电容检测系统实现电路板

如图9所示为微弱电容测量电路实验平台的搭建实物图。该图中的仪器及设备主要有三维压电定位/扫描工作台、测头、电容传感器、标准量块等5个主要模块[22]。这5个主要模块的性能参数，如表1所示。通过表格中的参数列表，能够清楚的看到各个仪器及设备的指标性能。

如图10所示为测试平台原理示意图，该示意图通过各个器件和期间位置的相对关系展示了验证实验的具体操作。表1中给出各个实验器件的描述以及性能指标的介绍，实验中具体的参数都是根据这些硬件参数进行的实验。

图9 测试平台原理示意图

图10 测试平台的搭建

表1 主要实验装置与标准器

如图11所示为，表征电容量与输出电压值之间的线性关系拟合出的非线性特性曲线。圆圈代表微弱电容检测系统输出的电压与可变电容之间的关系曲线，直线为利用最小二乘法得到的测量值的最佳拟合直线[23]。通过对比发现，测量实际值极为接近拟合曲线[24]，因此表明系统的线性特性良好。

图11 非线性实验结果

如图12所示为该系统在30 min内示值稳定性实验结果，从该实验结果可以发现30分钟内的电压值维持在0.7 mV内。

图12 30min内示值稳定性实验结果

4 结束语

文中通过对现有球型电容位移传感器存在的电容量变化微小、极板结构材质特殊、尺寸极其微小等问题，通过对现有电容传感器中关键部件微弱电容测量电路的研究以及对电容工作原理的简单介绍到电容电缆的信号传输干扰问题进行解决，设计了微弱电容测量电路。通过对电路各个模块的硬件设计到非线性仿真分析发现，实际测量结果与拟合曲线拟合效果良好，也验证了该电路设计具有实用价值。