微小電容測(cè)量電路

電容式傳感器是將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成電容量變化的一種裝置。電容式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分辨力高、工作可靠、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、可非接觸測(cè)量，并能在高溫、輻射和強(qiáng)烈振動(dòng)等惡劣條件下工作等優(yōu)點(diǎn)已在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。例如在氣力輸送系統(tǒng)中，可以用電容傳感器來獲得濃度信號(hào)和流動(dòng)噪聲信號(hào)，從而測(cè)量物料的質(zhì)量流量；在電力系統(tǒng)中，采用電容傳感器在線監(jiān)測(cè)電纜溝的溫度，確保使用的安全；由英國曼徹斯特科學(xué)與技術(shù)大學(xué)(UMIST)率先開發(fā)的電容層析成像(ECT)技術(shù)是解決火電廠煤粉輸送風(fēng)-粉在線監(jiān)測(cè)等氣固兩相流成分和流量檢測(cè)的有效途徑，其中微小電容測(cè)量是關(guān)鍵技術(shù)之一。
??? 電容傳感器的電容變化量往往很小。結(jié)果電容傳感器電纜雜散電容的影響非常明顯。特別在電容層析成像系統(tǒng)中被測(cè)電容變化量可達(dá)0.01pF，屬于微弱電容測(cè)量，系統(tǒng)中總的雜散電容(一般大于100 pF)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于系統(tǒng)的電容變化值，且雜散電容會(huì)隨溫度、結(jié)構(gòu)、位置、內(nèi)外電場(chǎng)分布及器件的選取等諸多因素的影響而變化，同時(shí)被測(cè)電容變化范圍大。因此微小電容測(cè)量電路必須滿足動(dòng)態(tài)范圍大、測(cè)量靈敏度高、低噪聲、抗雜散性等要求。
1 充/放電電容測(cè)量電路
??? 充/放電電容測(cè)量電路基本原理如圖1所示。
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??? 由CMOS開關(guān)S1，將未知電容Cx充電至Ve，再由第二個(gè)CMOS開關(guān)S2放電至電荷檢測(cè)器。在一個(gè)信號(hào)充/放電周期內(nèi)從Cx傳輸?shù)綑z波器的電荷量Q=Ve?Cx，在時(shí)鐘脈沖控制下，充/放電過程以頻率f=1/T重復(fù)進(jìn)行，因而平均電流Im=Ve?Cx?f，該電流被轉(zhuǎn)換成電壓并被平滑，最后給出一個(gè)直流輸出電壓 Vo=Rf?Im=Rf?Ve?Cx?f(Rf為檢波器的反饋電阻) 。
??? 充/放電電容測(cè)量電路典型的例子為差動(dòng)式直流充放電C/V轉(zhuǎn)換電路，如圖2所示。
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??? Cs1和Cs2分別為源極板和檢測(cè)極板與地間的等效雜散電容(通過分析可知，它們不影響電容Cx的測(cè)量)。S1-S4是CMOS開關(guān)，S1和S3同步，S2和S3同步，它們的通斷受頻率f的時(shí)鐘信號(hào)控制，每個(gè)工作周期由充/放電組成。分析可得電路輸出為.