电荷平衡式电容传感器的研究.pdfVIP

上 海 交 大 学 学 报 第 27卷 第 1期 JOURNALOFSHANk~A：JIAOTONGUNIVERSITY Vo1．27 №11993 7一77 电荷平衡式 电容传感器的研究 蔡 萍 沈生培 ④ (精密仪器系) T尸 摘 要 本文介绍 电荷平衡式 电容传感器往移测量系统的原理 、结构和系统设计． 拳系统采用特殊设计的三积分A／D转换器，使仪器的分辨率选二十五万分之一， 采样速率违 50次／s以上。本文对待感器、三积分A／D转换器等关键部分 均 作 了 详细分析和设计 ． 关键词 感器，电容传感器，电荷平衡式，测量系统，系统设计 0 引 言 由于 电容传感器结构简单，灵敏度高，耐高温等特点而倍受青睐．然而传统的电容传感 器测量 电路存在下列映点，致使 电容传感器的使用受到限制． (1) 传感器的灵敏度与激励 电压的幅值和频率有关，对高精度测量必须有稳频和 稳 幅 措施，这就导致 电路成本增加和设计调试困难． (2) 电容传感器的电容量C随介质常数 s、极板面积 、极板之间的距离6而 变 化， 取其中某一参数为被铡量时，另两个参数必须保持恒定，这在许多情况下很难办到． (3) 电容传感器的测量电容量通常为几个 pF到几十个 pF之间，而连接电容传感器导 线的分布 电容往往远大于此值．如果没有特殊措施，电容传感器是无法使用的． 本文研究的 电荷平衡式电窖传感器及其测量 电路能克服以上缺点．并已成功地用于高精 度大位移测量．仪器经计量部门鉴定，测量精度在万分之一以上，24小时稳定性为十万分之 二，分辨率为百万分之 四． 1 工作原理 整个 电荷平衡式测量系统包括：变面积式电容传感器，前置放大器、干扰抑制器、调制 与解调器，积分器，A／D转换器和单片微处理器等，如图1所示．变面积式电容传感器是 把机械位移转换 成电容的变化}前置放大器包括阻抗变换器和交流放大器二部分，调制与解 本文19g1年5月21曰收到 上 海 交 通 大 学 学 报 ]993年 第i期 调器为铡量和基准fU容提供 频率反相位的方波 电压，也为积分器提供直流输入 电压}干扰 抑制器可去掉解调过程 中的尖峰电压}积分器的输出电压起跟踪作用JA／D转换器把模拟电 压转换成数字量，具有高速高精度的特点，单片微处理器主要对 以上各部分起逻辑控制和处 理作用． 图 l 工作原理框图 系统工作原理如下：被测电容C 的极板上作用着频率和幅值恒定的方 波 电压 r，传 感器的另一端有定值 电容 Cr(图1，图3)，C 端作用的电压频率与参考 电压相 同，但 相 位相反，方波 电压的幅值 随被测 电容 C 的增加而增加．C 和a 公共扳板的对 地 电容 为C ．此即为传感器的输出电容．任一瞬问积累于C。上的电荷为 q=C ，一C ． (1) 从输出电路看有 q=C 。 (2) 式中 。为传感器的输出电压。它是与 ，和 同频率的方波 电压 ，或 与 同相 ，或 与 同相，这取决于传感器位移的方 向．将式 (2)代八式(1)得 V。= (C ，一C )／Co (3) 由于 。的内阻是传感器的输出电阻，输出阻抗很高，所以在信号送至交流放大器之前 必须先经 阻抗变换器．交流放大器的输出信号送至干扰抑制器和解调器，解调器输出的直流 电压 的值正比于 的幅值．只要 。不为零， 便随时问的增加而增、减 ．因此 是 一 个斜坡 电压，经调制器调制后便变成幅值不