电容传感器新型微弱电容测量电路

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1、2002年12月传感技术学报第4期NewSmallCapacitanceMeasuringCircuitforCapacitanceSensorWANGLei,WANGBaoliang,JIHaifeng,HUANGZhiyao,LIHaiging(NationalKeyLa}oratoryofIncutrialControlTechnology,IntituteofAutomationIntrumentation,DepartmentofControlScienceancEngineering,ZhejiangUnierity,Hang

2、hou310027,P.R.China)Abstract:Anewsmallcapacitancemeasuringcircuitbasedonchargeamplifierprinciplewasdevelopedforca-pacitancesensor.Theadvantagesofthiscircuitarestray-immune,highresolutionbecauseofnoeffectofchargeinjectionandhighdataacguisitionratebecauseofnofilterinthiscir

3、cuit.Testresultsshowthatthelinearityofthiscircuitisgood,thesensitivityof4.8mV/fFandresolutionof0.5fFcanbeachieved.Keywor

4、路具有较强的抗杂散电容性能;较好的解决了电子开关的电荷注入效应对测量分辨率的影响问题;该电路无需滤波器,基于该新型电路的电容数据采集系统可以达到很高的数据采集速度试验测试表明该电路线性度好,灵敏度为4.8mV/fF,分辨率可达到0.5fF关键词:电容;测量;传感器;电路中图分类号:TP212文献标识码:A文章编号:1004-1699(2002)04-0273-05低噪声的矛盾难以解决,滤波器存在成为提高数据采集速度的瓶颈等问题1,2]1引言目前,用于解决测量微弱电容的方法主要有电电容传感器广泛的应用于多种检测系统中,用荷转移法和交流法这两

5、种电路的基本测量原理是以测量诸如液位~压力~位移~加速度等物理量在某通过激励信号连续对被测电容进行充放电,形成与些场合,例如电容层析成像系统中,传感电容的变化被测电容成比例的电流或电压信号,从而测量出被量小至fF级,这就对电容测量电路提出了更高的要测电容值但是由于连续充放电测量信号中具有脉求在现阶段测量飞法级的电容主要有以下几方面动噪声,需要先进行滤波除去其中的脉动成分,但滤的困难:D杂散电容往往要比被测电容高的多,被测波器的引入却成为提高数据采集速度的一个瓶颈量常被淹没在干扰信号中;@测量电路一般要使用另外,电荷转移法是利用电子开关网络

6、控制电路的一定量的电子开关,但电子开关的电荷注入效应对充放电,电了开关的电荷注入效应对测量结果的影测量系统的影响难以消除;由于测量对象的快速响还难以完全消除;交流法需要考虑相位补偿,电路多变性,需要较高的数据采集速度,但采集速度和降结构相对复杂,成本也较高3~5].来稿日期:2002-07-04D基金项目:浙江省自然科学基金资助项目(600094);国家自然科学基金重大资助项目(59995460-5);国家~八六三'计划专项经费资助项目(2001AA413210)Z74传感技术学报Z00Z年本文针对以上问题提出并设计了一种基于电影响问题使

7、电路达到了较高的分辨率;对微弱电容荷放大原理的电容测量电路一方面该电路对被测数据采集提供了一种新的思路和方法,电容只进行一次充放电即可完成对电容的测量由于测量结果是直流稳定信号不存在脉动成分故电Z新型电路测量原理路中无需滤波器因此大大提高了基于该电路的数据采集系统的数据采集速度,另一方面该电路较好图l示出了基于电荷放大原理提出的新型微弱的解决了电子开关的电荷注入效应的对测量精度的电容测量电路的原理图,图l基于电荷放大原理的电容检测电路图中C为被测电容它的左侧极板为激励电电容C也会引入误差,一般认为电荷注入效应的机x0极右侧极板为检测电极,

8、C和C表示每个电极所制主要有两方面一方面是由于沟道电荷造成在关asbs有杂散电容的等效电容C由激励源驱动它的存断时这些沟道电荷分别从漏极和源极流出流入测as在对流过被测电容的电流无影响,电容C