CN106767362A - 一种电容式微位移传感器检测电路 - Google Patents

Abstract

一种电容式微位移传感器检测电路包括正弦激励源电路、电容检测电路、精密全波整流电路、增益滤波电路。正弦激励源信号施加于传感器，通过电容检测电路，将正比于极板间距变化的电压输出，通过精密全波整流电路、增益滤波电路，取出变化电压的直流分量，该直流分量正比于电容传感器极板间距。解决了变间隙式电容位移传感器输出特性的非线性问题。该电路输出电压与传感器测头间位移成正比，具有很强的抗杂散电容能力和抗干扰能力。

Description

一种电容式微位移传感器检测电路

技术领域

本发明涉及一种传感器检测电路，尤其是一种电容式微位移传感器检测电路。

背景技术

电容式位移传感器具有非接触测量、结构简单、精度高、动态特性好和频带宽等优点，在工业生产和科学研究中得到广泛应用。

目前，在微电容传感器处理电路的研究方面，国内与国外有较大的差距。国外在研究领域，以美国密歇根大学集成传感器与集成电路中心为代表，他们所开发的单片集成微电容传感系统可以检测温度、湿度、气压和加速度各项参数。其中各传感器都采用敏感电容结构。荷兰Delft科技大学的Gerard C.M.Meijer领导的小组开发的气象智能测量系统可以把传感器与处理电路集成，其通用传感接口可以测量0-2pF，0-12pF及0-300pF范围的敏感电容，并且可以测量热电阻和Pt电阻。

发明内容

本发明设计了一种电容式微位移传感器检测电路，解决了变间隙式电容位移传感器输出特性的非线性问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

电容式微位移传感器检测电路包括正弦激励源电路、电容检测电路、精密全波整流电路、增益滤波电路。正弦激励源信号施加于传感器，通过电容检测电路，将正比于极板间距变化的电压输出，通过精密全波整流电路、增益滤波电路，取出变化电压的直流分量，该直流分量正比于电容传感器极板间距。

所述正弦激励源电路采用有源晶振提供频率稳定的激励信号，设计电压反馈稳幅环节保持激励信号的幅值稳定，100kHz正弦激励，以降低电极阻抗，提高检测电路频响和提高精度。晶振X1输出100kHz方波信号，通过R₁，C₁组成的低通滤波器，300kHz以上的高次谐波大大被削弱，再通过由运算放大器A₁、双T型滤波器、R₂和R₃构成的选频放大电路选频，Q₁选用N沟道结型场效应管BF245A，工作在可变电阻区。Q₁相当于受栅源电压控制的可变电阻，调节电压反馈电路的反馈系数，稳定正弦激励源信号幅值。A₂选取高速、低能耗的AD817。

所述电容检测电路由OPA627和AD817及相应的滤波器组成，C_x为电容传感器电容，Cr_ef为参考电容，大阻值电阻R₁与C₁并联，控制运算放大器A₁输入直流偏置。A₁，C₁，C_ref和R₁构成高通滤波器，滤除低频干扰。双T型滤波器的陷波频率选为100kHz，运算放大器A2对于100kHz的激励信号相当于开环。运算放大器A₁，A₂和高通滤波器的串联电路，对激励源信号，其放大倍数为A₁的闭环放大倍数与A₂的开环放大倍数之积，其输入阻抗为A₁的输入阻抗。杂散电容相当于接在A₁的反向输入端与地之间，通过A₁的虚地作用，杂散电容对电路的影响可以忽略。电路传递函数为:

U_in为激励源电压，d_x为电容传感器极板间的位移。为降低整个电路的噪声影响，A₁选取高速、低噪音和低偏置电流的OPA627，A₂选取高速、低能耗的AD817。

所述精密全波整流电路输入为电容检测电路输出的正弦信号。对于正极性信号，D₂正向偏置，A₁输出-(R₂/R1)U_in ，A₂迭加通过R₃和R₄的信号并输出：

选取R₁=R₂，R₄=2R₃，A₂输出U_out=(R₅/R₄)U_in。对于负极性信号，D₂截止，D₁构成负反馈，A₁的输出为零，无信号通过R₃，A₂的输出U_out=-(R₅/R₄)U_in；从而A₂输出精密全波整流信号。A₁，A₂采用低噪音、高精度的AD797，而D₁，D₂采用快速开关二极管1N4148，以减小二极管带来的时间延迟影响。

所述增益滤波电路需滤除电路中各次高阶谐波以及带宽以外的干扰信号，保留直流分量。运算放大器A₁，C₁和R₁构成低通滤波器，滤除各次高阶谐波。R₁调整增益，以利于信号的后续处理；双T型滤波器滤除基波。运算放大器A₂，电容C₂和电阻R₂构成缓冲器，最终信号缓冲输出，输出信号正比于电容传感器位移变化。

发明的有益效果是：电容式微位移传感器检测电路，解决了变间隙式电容位移传感器输出特性的非线性问题。该电路输出电压与传感器测头间位移成正比，具有很强的抗杂散电容能力和抗干扰能力。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是电容检测系统框图。

图2是正弦激励源电路。

图3是电容检测电路。

图4是精密全波整流电路。

图5是增益滤波电路。

具体实施方式

在图1中，电容式微位移传感器检测电路包括正弦激励源电路、电容检测电路、精密全波整流电路、增益滤波电路。正弦激励源信号施加于传感器，通过电容检测电路，将正比于极板间距变化的电压输出，通过精密全波整流电路、增益滤波电路，取出变化电压的直流分量，该直流分量正比于电容传感器极板间距。

在图2中，所述正弦激励源电路采用有源晶振提供频率稳定的激励信号，设计电压反馈稳幅环节保持激励信号的幅值稳定，100kHz正弦激励，以降低电极阻抗，提高检测电路频响和提高精度。晶振X1输出100kHz方波信号，通过R₁，C₁组成的低通滤波器，300kHz以上的高次谐波大大被削弱，再通过由运算放大器A₁、双T型滤波器、R₂和R₃构成的选频放大电路选频，Q₁选用N沟道结型场效应管BF245A，工作在可变电阻区。Q₁相当于受栅源电压控制的可变电阻，调节电压反馈电路的反馈系数，稳定正弦激励源信号幅值。A₂选取高速、低能耗的AD817。

在图3中，所述电容检测电路由OPA627和AD817及相应的滤波器组成，C_x为电容传感器电容，Cr_ef为参考电容，大阻值电阻R₁与C₁并联，控制运算放大器A₁输入直流偏置。A₁，C₁，C_ref和R₁构成高通滤波器，滤除低频干扰。双T型滤波器的陷波频率选为100kHz，运算放大器A2对于100kHz的激励信号相当于开环。运算放大器A₁，A₂和高通滤波器的串联电路，对激励源信号，其放大倍数为A₁的闭环放大倍数与A₂的开环放大倍数之积，其输入阻抗为A₁的输入阻抗。杂散电容相当于接在A₁的反向输入端与地之间，通过A₁的虚地作用，杂散电容对电路的影响可以忽略。电路传递函数为:

U_in为激励源电压，d_x为电容传感器极板间的位移。为降低整个电路的噪声影响，A₁选取高速、低噪音和低偏置电流的OPA627，A₂选取高速、低能耗的AD817。

在图4中，所述精密全波整流电路输入为电容检测电路输出的正弦信号。对于正极性信号，D₂正向偏置，A₁输出-(R₂/R1)U_in ，A₂迭加通过R₃和R₄的信号并输出：

选取R₁=R₂，R₄=2R₃，A₂输出U_out=(R₅/R₄)U_in。对于负极性信号，D₂截止，D₁构成负反馈，A₁的输出为零，无信号通过R₃，A₂的输出U_out=-(R₅/R₄)U_in；从而A₂输出精密全波整流信号。A₁，A₂采用低噪音、高精度的AD797，而D₁，D₂采用快速开关二极管1N4148，以减小二极管带来的时间延迟影响。

在图5中，所述增益滤波电路需滤除电路中各次高阶谐波以及带宽以外的干扰信号，保留直流分量。运算放大器A₁，C₁和R₁构成低通滤波器，滤除各次高阶谐波。R₁调整增益，以利于信号的后续处理；双T型滤波器滤除基波。运算放大器A₂，电容C₂和电阻R₂构成缓冲器，最终信号缓冲输出，输出信号正比于电容传感器位移变化。

Claims (5)

1.一种电容式微位移传感器检测电路包括正弦激励源电路、电容检测电路、精密全波整流电路、增益滤波电路。

2.根据权利要求1所述的电容式微位移传感器检测电路，其特征是所述正弦激励源电路采用有源晶振提供频率稳定的激励信号晶振X1输出100kHz方波信号，通过R₁，C₁组成的低通滤波器，再通过由运算放大器A₁、双T型滤波器、R₂和R₃构成的选频放大电路选频，Q₁选用N沟道结型场效应管BF245A，工作在可变电阻区，Q₁相当于受栅源电压控制的可变电阻，调节电压反馈电路的反馈系数，稳定正弦激励源信号幅值，A₂选取高速、低能耗的AD817。

3.根据权利要求1所述的电容式微位移传感器检测电路，其特征是所述电容检测电路由OPA627和AD817及相应的滤波器组成，A₁，C₁，C_ref和R₁构成高通滤波器，滤除低频干扰，双T型滤波器的陷波频率选为100kHz，运算放大器A₁，A₂和高通滤波器的串联电路，杂散电容相当于接在A₁的反向输入端与地之间，通过A₁的虚地作用，杂散电容对电路的影响可以忽略；电路传递函数为： ，U_in为激励源电压，d_x为电容传感器极板间的位移，A₁选取高速、低噪音和低偏置电流的OPA627，A₂选取高速、低能耗的AD817。

4.根据权利要求1所述的电容式微位移传感器检测电路，其特征是所述精密全波整流电路输入为电容检测电路输出的正弦信号，A₁，A₂采用低噪音、高精度的AD797，而D₁，D₂采用快速开关二极管1N4148。

5.根据权利要求1所述的电容式微位移传感器检测电路，其特征是所述增益滤波电路需滤除电路中各次高阶谐波以及带宽以外的干扰信号，保留直流分量；运算放大器A₁，C₁和R₁构成低通滤波器，滤除各次高阶谐波；R₁调整增益，双T型滤波器滤除基波，运算放大器A₂，电容C₂和电阻R₂构成缓冲器。