陳莉

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院陜西西安710302）

隨著加工工藝以及新型材料不斷地被開發(fā)，傳統(tǒng)的電容位移傳感器的缺點(diǎn)正在被逐步克服，新型的電容位移傳感器的精度與穩(wěn)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(tài)，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(yīng)快等優(yōu)勢[1]。分析其原因可發(fā)現(xiàn)，電容位移傳感器的主要組成部件為微弱電容檢測系統(tǒng)和探測頭組成。目前，國內(nèi)對于電容位移傳感器的微弱電容檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還處于滯后狀態(tài)，這是導(dǎo)致位移傳感器滯后的主要原因。因此，目前國內(nèi)需要更進(jìn)一步的研究微弱電容檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

目前，電容位移傳感器的檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)正在向高精度[2]和小型化趨勢發(fā)展。尤其對于微弱電容測量領(lǐng)域，比如納米級高精度電容位移傳感器、電容層析成像等領(lǐng)域中，電容的值在零點(diǎn)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(tǒng)的電容檢測技術(shù)根本無法實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)傳感器微弱電容信號的高精度檢測方案設(shè)計(jì)。該檢測電路的實(shí)現(xiàn)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(fā)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(jù)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(zhì)的函數(shù)[4]。如平行板電容器，當(dāng)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(shù)，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(fā)現(xiàn)，電容量的變化和s、d、ε3個參數(shù)均有關(guān)[5]。這3個參數(shù)任何一個發(fā)生變化，均會影響電容量的變化。若確定其中兩個參數(shù)不變，改變第三個參數(shù)，電容量便會隨之變化，根據(jù)此理論可測量得到物體的位移。位移的變化使得電容量發(fā)生變化，當(dāng)電容量發(fā)生變化時通過電容檢測方法將此變化轉(zhuǎn)換為有用的電信號輸出，從而可根據(jù)輸出信號的大小計(jì)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(jié)構(gòu)原理示意圖。該結(jié)構(gòu)比較傳統(tǒng)，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(jié)構(gòu)在某種意義上講，是一種變極距型的傳感器。與傳統(tǒng)傳感器區(qū)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(jié)構(gòu)原理示意圖

圖2 球型極板電容位移傳感器結(jié)構(gòu)原理示意圖

2 微弱電容檢測系統(tǒng)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(tǒng)的設(shè)計(jì)，首先要消除電纜電容的影響。因在對被測對象進(jìn)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(tǒng)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(jìn)行信息導(dǎo)線傳輸?shù)钠帘未胧?。若不進(jìn)行屏蔽，測量結(jié)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(jìn)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(dǎo)體不對測量頭和芯線產(chǎn)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(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)以上對微弱電容測量電路中細(xì)節(jié)問題的分析，設(shè)計(jì)出如圖4所示的微弱電容檢測系統(tǒng)原理框圖。在該原理圖中由DDS數(shù)字合成技術(shù)集成芯片為核心產(chǎn)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(chǎn)生的電阻熱噪聲由T型網(wǎng)絡(luò)[10]結(jié)構(gòu)進(jìn)行降低，采用不完全驅(qū)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(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換之后的信號經(jīng)過交流放大電流進(jìn)行放大，并通過相敏檢波技術(shù)消弱噪聲，提高解調(diào)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(tǒng)原理框圖

2.3 硬件電路設(shè)計(jì)

根據(jù)圖4所示的微弱電容檢測系統(tǒng)原理框圖，通過對T型反饋電阻[12]網(wǎng)絡(luò)及驅(qū)動電纜的功能分析，最終確定轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。為了能夠達(dá)到測量精度的要求，采用ADI公司的運(yùn)算放大器AD549[13]。該運(yùn)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(jìn)行電壓調(diào)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(zhuǎn)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(jīng)過交流放大電路進(jìn)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(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖。該濾波器為有源濾波[19]，設(shè)計(jì)時著重考慮類型、截至頻率、階數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)[20]。文中設(shè)計(jì)的濾波器為2階無限增益多路反饋低通濾波器，級聯(lián)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(shè)計(jì)

3 系統(tǒng)測試

在系統(tǒng)測試之前，必須要對本文中雙路信號發(fā)生模塊產(chǎn)生的信號的幅度和頻率的穩(wěn)定性進(jìn)行測試，因?yàn)殡p路信號發(fā)生模塊產(chǎn)生信號的穩(wěn)定性對電容測量電路的影響非常明顯，所以在對系統(tǒng)進(jìn)行測試前必須進(jìn)行雙路信號發(fā)生模塊的信號穩(wěn)定性測試，如表一所示為測量的雙路信號發(fā)生模塊產(chǎn)生的幅度和頻率穩(wěn)定性的測試結(jié)果，從表中可以看到該雙路信號產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的信號穩(wěn)定性很好，一個小時內(nèi)可以穩(wěn)定在0.01 Hz內(nèi)。

表1 雙路正弦信號頻率穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

如圖8所示為根據(jù)電路理論設(shè)計(jì)，在軟件中進(jìn)行電路圖的設(shè)計(jì)之后，通過板子的硬件制作技術(shù)設(shè)計(jì)的硬件電路圖，針對該板子是否能夠達(dá)到理論所要求的性能指標(biāo)，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(tǒng)實(shí)現(xiàn)電路板

如圖9所示為微弱電容測量電路實(shí)驗(yàn)平臺的搭建實(shí)物圖。該圖中的儀器及設(shè)備主要有三維壓電定位/掃描工作臺、測頭、電容傳感器、標(biāo)準(zhǔn)量塊等5個主要模塊[22]。這5個主要模塊的性能參數(shù)，如表1所示。通過表格中的參數(shù)列表，能夠清楚的看到各個儀器及設(shè)備的指標(biāo)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(guān)系展示了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的具體操作。表1中給出各個實(shí)驗(yàn)器件的描述以及性能指標(biāo)的介紹，實(shí)驗(yàn)中具體的參數(shù)都是根據(jù)這些硬件參數(shù)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。

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(shí)驗(yàn)裝置與標(biāo)準(zhǔn)器

如圖11所示為，表征電容量與輸出電壓值之間的線性關(guān)系擬合出的非線性特性曲線。圓圈代表微弱電容檢測系統(tǒng)輸出的電壓與可變電容之間的關(guān)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(fā)現(xiàn)，測量實(shí)際值極為接近擬合曲線[24]，因此表明系統(tǒng)的線性特性良好。

圖11 非線性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如圖12所示為該系統(tǒng)在30 min內(nèi)示值穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從該實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)30分鐘內(nèi)的電壓值維持在0.7 mV內(nèi)。

圖12 30min內(nèi)示值穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)束語

文中通過對現(xiàn)有球型電容位移傳感器存在的電容量變化微小、極板結(jié)構(gòu)材質(zhì)特殊、尺寸極其微小等問題，通過對現(xiàn)有電容傳感器中關(guān)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(jìn)行解決，設(shè)計(jì)了微弱電容測量電路。通過對電路各個模塊的硬件設(shè)計(jì)到非線性仿真分析發(fā)現(xiàn)，實(shí)際測量結(jié)果與擬合曲線擬合效果良好，也驗(yàn)證了該電路設(shè)計(jì)具有實(shí)用價值。