CN1551988A - 传感器电容检测装置及传感器电容检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种传感器电容检测装置及传感器电容检测方法，其中，在第一运算放大器OP1的反馈电路中串联插入电容C及阻抗变换器Hiz，在所述电容与变换器的连接点上通过信号线L连接有电极P1。信号线L通过高阻值的电阻R3连接在基准电位上。虽然在反馈电路中插入电容时，信号线处于悬浮状态，电路动作变得不稳定，但由于信号线L通过电阻R3被固定在规定的电位上，因此可使其动作稳定。此外，也可以用电压跟随器构成阻抗变换器，并在其输出上连接电阻R3。

Description

传感器电容检测装置及传感器电容检测方法
技术领域
本发明涉及传感器电容的检测技术，更具体地说，涉及为了更精确地进行微小电容的测定而可将测定电容的电容传感器与检测器之间的连接线的电位固定起来的传感器电容检测装置及方法。
背景技术
图1表示一种现有实例的传感器电容检测装置，所述传感器电容检测装置用于测定如电容式麦克风等、在各种频率下其电容值发生变化的传感器的电容。如图1所示，所述传感器电容检测装置包括具有反馈电阻Rf的运算放大器OP和用于发生交流电压Vin的交流电压发生器OSC，并在运算放大器OP的输入端子和交流电压发生器OSC之间通过信号线L连接有传感器电容Cs。
图1所示的现有实例的传感器电容检测装置，通过来自交流电压发生器OSC的交流电压Vin，使传感器电容Cs中产生电流。由于运算放大器OP的输入阻抗在理想状态下为无穷大，而且运算放大器OP的两个输入端子处于虚短路状态，因而可从运算放大器OP的输出端子得到如下的输出电压：
         Vout＝-(jωinCs)·Rf·Vin通过对所述输出电压Vout进行信号处理，可以获得与传感器电容Cs相对应的值。
在图1所示的现有实例的传感器电容检测装置中，作为反馈阻抗使用了电阻Rf。设Vin＝V·sinωint，并且当设定传感器电容Cs根据所施加的物理量，以固定的基准电容Cd为中心且以角频率ωc发生变化，即
      Cs＝Cd+ΔC·sinωct时，输出电压Vout可如下表示：
Vout＝-Rf[(Cd+ΔC·sinωct)·ωin·cosωint
      +ΔC·ωc·cosωct·sinωint]V·sinωint
从上式可知，输出电压Vout含有与传感器电容的角频率ωc成比例的项，从而具有与传感器电容Cs的变化频率相关的频率特性。
因此，需要在传感器电容检测装置的后面部分设置处理电路，用来消除与所述角频率ωc成比例的项，这样将导致装置整体的规模变大。
于是，提出了这样一种装置，即，所述装置使用反馈电容器来代替运算放大器OP的反馈电阻Rf，由此可获得与传感器电容的角频率ωc不相关的输出电压Vout。图2表示使用了所述反馈电容器Cf的传感器电容检测装置，所述装置的输出电压Vout可如下表示：
      Vout＝-(Cd+ΔC·sinωct)/Cf·V·sinωint
从上式可知，由于输出电压Vout不具有与传感器电容的变化频率相关的特性，因此不必设置用于消除与角频率ωc成分成比例的项的附加电路。
在图2所示的传感器电容检测装置中，由于使用了反馈电容Cf作为运算放大器的反馈阻抗，因而在连接所述电容Cf与传感器电容Cs的信号线L上没有外部电流的流入流出。因此，信号线L处于电气悬浮状态，电位变得不稳定，并将导致电路输出饱和为电源电压等，因此存在电路不能正常运行的问题。
发明内容
本发明是为解决上述现有的问题而进行的，其目的在于，使得在传感器电容检测装置中，即使在运算放大器的反馈电路中使用电容的情况下，也可以固定信号线的电位。
为了达到上述目的，本发明的传感器电容检测装置是一种用于检测电容传感器的电容的传感器电容检测装置，其中，所述电容传感器的电容随物理量的变化而变化，其特征在于，所述传感器电容检测装置包括：电压发生器，用于供给交流电压或直流电压中的至少一种；运算放大器；电容器；阻抗变换器；信号线，其一端连接有可连接电容传感器的传感器连接部分，另一端分别连接有所述阻抗变换器的输入端子和所述电容器；以及第一电阻，其两端连接在所述信号线和基准电压上；其中，所述电压发生器的输出端子连接在所述运算放大器的输入端子上，在所述运算放大器的反馈环上插入了所述电容器和所述阻抗变换器。
这里，既可以设定所述第一电阻，使得在所述信号线和所述第一电阻之间几乎没有电流的流入流出，也可以设定所述第一电阻，使得当将电容传感器连接到信号线上、且所述电容传感器的电容发生变化时，从所述信号线观看所述第一电阻时的阻抗大于从所述信号线观看所述反馈环或所述电容传感器时的阻抗。
此外，本发明的传感器电容检测装置是一种用于检测电容传感器的电容的传感器电容检测装置，其中，所述电容传感器的电容随物理量的变化而变化，其特征在于，所述传感器电容检测装置包括：电压发生器，供给交流电压或直流电压中的至少一种；运算放大器；电容器；阻抗变换器；信号线，在一端连接有可连接电容传感器的传感器连接部分，在另一端分别连接有所述阻抗变换器的输入端子和所述电容器；以及第二电阻，其两端连接在所述信号线和所述阻抗变换器的输出端子上；其中，所述电压发生器的输出端子连接在所述运算放大器的输入端子上，在所述运算放大器的反馈环上插入了所述电容器和所述阻抗变换器。
这里，既可以设定所述第二电阻，使得在所述信号线和所述第二电阻之间几乎没有电流的流入流出，也可以设定所述第二电阻，使得当将电容传感器连接到信号线上、且所述电容传感器的电容发生变化时，从所述信号线观看所述第二电阻时的阻抗高于从所述信号线观看所述反馈环或所述电容传感器时的阻抗。
此外，当所述电容传感器的电容的变化频率在音频波段时，所述第一电阻或所述第二电阻最好为10MΩ以上。此外，所述阻抗变换器也可以由电压跟随器形成。而且，所述传感器电容检测装置还可以包括：屏蔽部件，电气屏蔽所述信号线的至少一部分；保护电压施加部件，向所述屏蔽部件施加与所述信号线的电压同电位的电压。
此外，传感器的电容变化不仅包括频率上的变化，还包括所有的时间上的变化，例如，还包括平稳地上升或下降的变化，以及瞬间上升的数字信号的变化等。
此外，为了达到上述目的，本发明是一种用于检测电容传感器的电容的传感器电容检测方法，其中，所述电容传感器的电容随物理量的变化而变化，其特征在于，所述方法由下述步骤构成：将电容传感器的一端和电阻的一端连接在被串联插入到运算放大器的反馈环中的电容器及阻抗变换器的连接点上；向所述运算放大器输入交流电压或直流电压中的至少一种；以及，从所述运算放大器的输出端子输出与传感器电容相对应的输出电压；其中，通过设定使得在所述电容传感器的电容发生变化时，从所述信号线观看所述电阻时的阻抗大于从所述信号线观看所述反馈环或所述电容传感器时的阻抗。
这里，本发明是一种用于检测电容传感器的电容的传感器电容检测方法，其中，所述电容传感器的电容随物理量的变化而变化，其特征在于，所述方法由下述步骤构成：将电容传感器的一端和电阻的一端连接在被串联插入到运算放大器的反馈环中的电容器及阻抗变换器的连接点上；向所述运算放大器输入交流电压或直流电压中的至少一种；以及，从所述运算放大器的输出端子输出与传感器电容相对应的输出电压；其中，也可以通过设定使得在所述电容传感器的电容发生变化时，在所述信号线与所述电阻之间几乎没有电流的流入流出。
附图说明
图1是现有实例的传感器电容检测装置的电路图；
图2是现有实例的另一传感器电容检测装置的电路图；
图3是本发明第一实施例的传感器电容检测装置的电路图；
图4是本发明第二实施例的传感器电容检测装置的电路图；
图5是图3所示的第一实施例中所具有的阻抗变换器的具体结构电路图；
图6是使用图3所示的传感器电容检测装置进行实机测试所得的结果图表。
具体实施方式
图3是本发明第一实施例的传感器电容检测装置的电路图。所述传感器电容检测装置包括第一运算放大器OP1和阻抗变换器Hiz，第一运算放大器OP1的输出端子经电容器C连接在阻抗变换器Hiz的输入端子上。这里，阻抗变换器Hiz也可以如图5所示那样以电压跟随电路构成，其中，所述电压跟随电路由反相输入端子和输出端子被短路的第二运算放大器OP2构成。所述电压跟随电路将同相输入端子设为所述电路的输入端子，其输入阻抗高而输出阻抗低，并且，输入输出增益的绝对值为1。在阻抗变换器Hiz的输入端子上还连接有信号线L，在所述信号线L的另一端连接有电极(传感器连接部分的电极)P1，所述电极P1形成电容传感器的一端。在图3中，信号线L的部分用粗实线来表示。其中，传感器连接部分没有示出。电容传感器另一端的电极P2连接在基准电位，即给定电位上。基准电位也可以是接地电位。电容传感器另一端的电极P2虽然也可以处于悬浮状态，但是与基准电位连接时更能进行高精度的检测。
电容传感器是电极P1及电极P2之间的电容、即传感器电容Cs随所接收的物理量(加速度、压力、气体、光以及声波等)的变化而变化的传感器，例如电容式麦克风、微位移电容传感器等。
第一运算放大器OP1的同相输入端子连接在基准电位(包括接地电位的给定的DC电位)上，而由交流电压发生器OSC经第一电阻R1向反相输入端子施加交流输入电压Vin(角频率ωin)。交流电压发生器OSC还经第一电阻R1及第二电阻R2连接在阻抗变换器Hiz的输入端子上。第一运算放大器OP1的输出端子连接在传感器电容检测装置的输出端子OUT上，从所述输出端子OUT输出输出电压Vout。
第二阻抗R2、电容器C及阻抗变换器Hiz构成第一运算放大器OP1的反馈电路。
信号线L还与第三电阻R3的一端相连，所述电阻R3的另一端连接在基准电位(包括接地电位的给定电位)上。设定第三电阻R3，使得当电容传感器被连接在信号线L上、而且电容传感器的电容发生变化时，从信号线L观看所述第三电阻R3时的阻抗大于从信号线L观看反馈环或所述电容传感器时的阻抗。
图6表示使用图3所示的传感器电容检测装置进行实机测试所得的结果。在所述实机测试中，传感器电容Cs在音频波段(20Hz～20KHz)上变化，例如将其频率设为fc(＝ωc/(2π))＝1KHz，第一电容器C＝0.5pF。然后，将第三电阻R3的值进行各种变化，测定信号和噪声，并基于这些测量值求出S/N比。如图6所示，从所述实机测试的结果可知，最好选用10MΩ以上的阻抗作为第三电阻R3。然而，由于S/N比还根据时间常数的不同而发生变化，因此也可以根据所述时间常数来确定第三电阻R3的值，其中，所述时间常数由传感器电容Cs的变化频率fc和第一电容器C的电容来确定。另外，对于音频波段中的进行实机测试的其他频率来说，根据经验可以推测其具有相同的趋势。
通过使用高电阻作为第三电阻R3，经所述电阻连接信号线L、即阻抗变换器Hiz的输入端子和基准电位时，虽然在所述电阻的两端产生了电位差，但流经传感器电容Cs的交流电流几乎不流过第三电阻R3，因而所述电阻R3处于没有电流流入流出的状态。
下面，对图3所示的第一实施例的传感器电容检测装置的检测动作进行说明。另外，在下述中，设第一运算放大器OP1的同相输入端子、电容传感器的电极P2及交流电压发生器OSC的一端接地，并且，使用具有如图5所示结构的电压跟随器作为阻抗变换器Hiz。
(传感器电容的检测)
根据第一运算放大器OP1和第二运算放大器OP2以及第一电阻R1和第二电阻R2，可在第二运算放大器OP2的输出端子获得将交流输入电压Vin放大了-R2/R1倍的电压V2。即，
     V2＝-R2/R1·Vin                                    (1)
另一方面，由于第二运算放大器OP2的输入阻抗很高，且电位固定电路的输出阻抗很高，所以流经传感器电容Cs的交流电流几乎全部流向电容器C。即，在电位固定电路的电阻R3和信号线L之间没有电流的流入流出。此外，由于第二运算放大器OP2的两个输入端子处于虚短路状态，因而为相同电位，所以，第二运算放大器OP2的同相输入端子的电压也为V2，若设Vin＝V·sinωint，则流向传感器电容Cs的电流为：
    Is＝dCs·V2/dt                                  (2)
从而，从公式(1)可得：
Is＝-(R2/R1)·dCs·Vinsinωint/dt                    (3)
另外，流经电容器C的电流Ic为：
    Ic＝dC(Vout-V2)/dt                              (4)
由于流经电容器C的电流Ic和流经传感器电容Cs的电流Is相等，所以，来自输出端子OUT的输出电压Vout可通过公式(3)及公式(4)可表示为：
    Vout＝-(R2/R1)·(1+Cs/C)·V·sinωint           (5)
从公式5可知，输出电压Vout与传感器电容Cs成线性关系，因此，可通过对所述输出电压Vout进行信号处理来获得传感器电容Cs的值。
(传感器电容的变化部分的检测)
下面说明当如电容式麦克风等那样，传感器电容Cs以某个电容值Cd为中心并以角频率ωc变化时，对所述变化部分的检测，即，对下述情况下的ΔC的检测，
    Cs＝Cd+ΔC·sinωct。
如上所述，在第一电容器C中流通的电流i全部流经传感器电容Cs，因此，传感器电容Cs中所存储的电荷与第一电容器C中所存储的电荷相等。
     C(Vout-V2)＝Cs·V2                             (6)
然后，对公式(6)进行变形，并由于Vin＝dCs·V2/dt，所以得出以下公式(7)
     Vout＝(-R2/R1)·(1+Cs/C)·V·sinωint
         ＝(-R2/R1)·V·sinωint(1+Cd/C
            +ΔC·sinωct/C)                        (7)
这样，输出电压Vout不具有对传感器电容Cs的变化频率的相关性，所以可获得与传感器电容Cs的变化部分ΔC成线性关系的输出。
在图3所示的实施例中，用于固定信号线的电位的第三电阻R3被连接在基准电位(包括零电位的给定电位)上，但是，当使用图5所示的电路作为阻抗变换器时，也可以代替基准电位，将其连接在第二运算放大器OP2的输出端子上。图4表示将高阻值的第三电阻R3如上述连接在信号线L和第二运算放大器OP2的输出端子上时的第二实施例。
在所述第二实施例中，信号线L被固定在由电流电压Vin和输入端子的电位确定的电位上。此外，第三电阻R3连接在第二运算放大器OP2的反相输入端子和同相输入端子之间，并且，所述两个输入端子处于虚短路状态，从而在理想的状态下为相同电位，因此，在第三电阻R3的两端没有电位差，所流通的电流为零。由此，流经传感器电容Cs的电流全部为流经电容器C的电流，从而在信号线L与第三电阻R3之间没有电流的流入和流出，进而可实现精度更高的电容检测。
在第一及第二实施例中，第三电阻R3也可以使用二极管、晶体管等。当使用二极管时，可利用其反偏状态下的高阻抗，当使用晶体管时，可利用其关断状态下的高阻抗。
此外，在第一及第二实施例中，使用了交流电压发生器OSC，但也可以使用直流电压发生器。当将直流电压设为V时，在电容传感器施加某些物理量后，所述电容传感器的电容发生变化，进而输出Vout也变化。此时，公式(5)及公式(7)分别可表示为：
     Vout＝-(R2/R1)·(1+Cs/C)·V                    (5)’
     Vout＝(-R2/R1)
         ·(1+Cd/C+ΔC·sinωct/C)·V               (7)’
此外，通过使用屏蔽线(图中未示出)包覆一部分或全部的信号线L来进行电气屏蔽，并且，向所述屏蔽线施加与信号线的电位同电位的保护电压，由此，可降低在信号线与基准电位之间形成的寄生电容的影响，并可进一步提高输出电压的S/N比。
由于本发明具有如上结构，因此，通过将连接电容传感器与第二运算放大器的信号线的电位经下述电阻固定在给定的基准电位上，可以避免信号线处于悬浮状态，从而可稳定电路的运行，其中，所述电阻是如下设定的给定电阻，即，当将电容传感器连接到信号线上、且所述电容传感器的电容发生变化时，从信号线观看电阻时的阻抗大于从信号线观看反馈环或电容传感器时的阻抗。
此外，通过将用于固定信号线电位的、如上述设定的电阻连接在第二运算放大器的输出端子与信号线之间，可以使经所述电阻和信号线流通的电流在理想状态下为零，从而可以进行更加准确的电容检测。
工业实用性
本发明的传感器电容检测装置可以作为电容式传感器的检测电路来使用，特别是，可以作为用于精确检测微小电容的电容检测装置或便携式电话机等小型、轻便的设备中所安装的麦克风装置的电路来使用。

Claims (11)

1.一种传感器电容检测装置，用于检测其电容随物理量的变化而变化的电容传感器的电容，其特征在于，
所述传感器电容检测装置包括：
电压发生器，用于供给交流电压或直流电压中的至少一种；
运算放大器；
电容器；
阻抗变换器；
信号线，其一端连接有可连接电容传感器的传感器连接部分，另一端分别连接有所述阻抗变换器的输入端子和所述电容器；以及
第一电阻，其两端连接在所述信号线和基准电压上，
其中，所述电压发生器的输出端子连接在所述运算放大器的输入端子上，
在所述运算放大器的反馈环上插入了所述电容器和所述阻抗变换器。
2.如权利要求1所述的传感器电容检测装置，其特征在于，
设定所述第一电阻，使得在所述信号线和所述第一电阻之间几乎没有电流的流入流出。
3.如权利要求1所述的传感器电容检测装置，其特征在于，
设定所述第一电阻，使得在将电容传感器连接到信号线上、且所述电容传感器的电容发生变化时，从所述信号线观看所述第一电阻时的阻抗大于从所述信号线观看所述反馈环或所述电容传感器时的阻抗。
4.一种传感器电容检测装置，用于检测其电容随物理量的变化而变化的电容传感器的电容，其特征在于，
所述传感器电容检测装置包括：
电压发生器，用于供给交流电压或直流电压中的至少一种；
运算放大器；
电容器；
阻抗变换器；
信号线，其一端连接有可连接电容传感器的传感器连接部分，另一端分别连接有所述阻抗变换器的输入端子和所述电容器；以及
第二电阻，其两端连接在所述信号线和所述阻抗变换器的输出端子上，
其中，所述电压发生器的输出端子连接在所述运算放大器的输入端子上，
在所述运算放大器的反馈环上插入了所述电容器和所述阻抗变换器。
5.如权利要求4所述的传感器电容检测装置，其特征在于，
设定所述第二电阻，使得在所述信号线和所述第二电阻之间几乎没有电流的流入流出。
6.如权利要求4所述的传感器电容检测装置，其特征在于，
设定所述第二电阻，使得在将电容传感器连接到信号线上、且所述电容传感器的电容发生变化时，从所述信号线观看所述第二电阻时的阻抗大于从所述信号线观看所述反馈环或所述电容传感器时的阻抗。
7.如权利要求1至6中任一项所述的传感器电容检测装置，其特征在于，当所述电容传感器的电容的变化频率在音频波段时，所述第一电阻或所述第二电阻为10MΩ以上。
8.如权利要求1至7中任一项所述的传感器电容检测装置，其特征在于，所述阻抗变换器由电压跟随器形成。
9.如权利要求1至8中任一项所述的传感器电容检测装置，其特征在于，所述传感器电容检测装置还包括：
屏蔽部件，电气屏蔽所述信号线的至少一部分；
保护电压施加部件，向所述屏蔽部件施加与所述信号线的电压同电位的电压。
10.一种传感器电容检测方法，用于检测其电容随物理量的变化而变化的电容传感器的电容，其特征在于，
所述方法由以下步骤构成：
将电容传感器的一端和电阻的一端连接在被串联插入到运算放大器的反馈环中的电容器及阻抗变换器的连接点上；
向所述运算放大器输入交流电压或直流电压中的至少一种；以及
从所述运算放大器的输出端子输出与传感器电容相对应的输出电压，
其中，通过设定使得在所述电容传感器的电容发生变化时，从所述信号线观看所述电阻时的阻抗大于从所述信号线观看所述反馈环或所述电容传感器时的阻抗。
11.一种传感器电容检测方法，用于检测其电容随物理量的变化而变化的电容传感器的电容，其特征在于，
所述方法由以下步骤构成：
将电容传感器的一端和电阻的一端连接在被串联插入到运算放大器的反馈环中的电容器及阻抗变换器的连接点上；
向所述运算放大器输入交流电压或直流电压中的至少一种；以及
从所述运算放大器的输出端子输出与传感器电容相对应的输出电压，
其中，通过设定使得在所述电容传感器的电容发生变化时，在所述信号线与所述电阻之间几乎没有电流的流入流出。
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