1.引言
电容传感器在电子测量技术中占有十分重要的地位，广泛应用于各种测量系统。他具有结构简单，分辨率高，抗干扰能力强，动态响应快，能在恶劣工况条件下工作，并能实现非接触式测量等特点。他的基本工作原理是基于被测物理量的变化可以转换为电容量变化的这一特点。由物理学可知，电容器的电容量是构成电容器的两极片形状、大小、相互位置及电介质介电常数的函数。以平行板电容器为例，当不考虑边缘电场影响时，其电容量Cx(F)为：
其中： ε为电容传感器介质的介电常数(F／m)；
S为极板的面积(m2)；δ为极板间的距离(m)。
电容传感器的工作原理正是如此。也就是说当极板间的距离发生变化或极板间的介质状态参数发生变化而使介电常数ε产生变化时(如介质的温度、湿度等参数发生变化时，匀能导致介电常数的变化)都将引起电容量变化。故可据此测量物体的位移以及介质的各种状态参数。只要被测物理量的变化能使电容器中任一种参数产生相应的改变而引起电容量变化，那么再经过一定的测量线路将此变化转换为有用的电信号输出，即可根据这种输出信号大小来判定被测物理量的大小，这就是电容式传感器的基本工作原理。本文介绍的平行板电容传感器主要利用了被测物体介电常数与密度的关系，可把介质的密度变化与电容变化联系起来。电容式传感器有一个重要特征，就是电容变化量很小，只有几十pF甚至几pF，也就是说检测的是电容的微小变化，此特征使他极易受外界干扰。采用并联传感器可以提高电容变化量，但寄生电容的影响仍然不容忽视，严重时寄生电容将远大于本体电容，使有用信号被寄生电容噪声淹没，以至传感器无法工作。这些寄生电容随温度、湿度、位置以及元器件的性能等因素变化而变化，这就要求测量电路能有效的抑制寄生电容。
2 原 理
本电路是基于计算机控制基础上的，目的是实时精确地检测出微小电容的变化。框图如图1所示。
2．1 电容量与电压值转换
其电路如图2所示。
Cx为被测电容，A1为电容电压转换放大器，他必须具有低噪声、输入阻抗高、单位增益带宽高等特点，这些特点可使其作为电容传感器理想的测量电路。μi(t)为激励源(高频正弦信号，由信号发生器MAX038产生，角频率为ω)，Cs1：，Cs2：表示被测电容两端对地的分布电容，Cf，Rf分别为反馈电容、反馈电阻。uo(t)为放大器输出电压，可得出： 也就是说，只要求出放大器A1输出电压的幅值，平行板电容传感器间介质的介电常数的变化就可求出了。当然这就要求激励源μi(t)及反馈电容Cf稳定。由于被测电容Cx的一侧极板(激励极板)只与低阻抗的信号源相连，另一检测极板总处于虚地，所以其放大器A1输出电压的幅值Uo不受寄生电容的影响。这里反馈电阻兄的作用是为运算放大器的直流偏置电流提供一个通路，以防止运算放大器输出漂移而饱和。
2．2 电压检测
放大器A1输出电压uo(t)经带通滤波放大后，送相敏检波器，作为相敏检波器的一路输入：ux信号发生器产生的500kHz标准信号经驱动放大后，作为相敏检波器的另一路输入uy.本电路中的相敏检波器使用模拟乘法器AD534，此器件本身具有有源负反馈和稳定的基准电压源以及高增益的输出运放。相敏检波器和低通滤波器的组合称之为锁定检测放大电路，或解调电路。原理如图3所示。
这是一个与放大器A1的输出电压幅度成正比的直流电压信号，他也与被测电容Cx成正比，此信号送人控制器，经一系列转化及计算便可得到被测电容值。
3 本体电容的抵消
以上可求得电容的绝对值，但在平行板电容器检测中，检测的是电容的变化，而电容的变化通常是非常微小的，为了提高测量精度，需要抵消掉他的本体电容(测量前的初始电容)。具体的做法是：增加标准补偿电容Cb(见图1)，原则上是给Cb的一极加与μi(t)同频反相的正弦信号，也就是在最前极平衡掉本体电容，实际上这一过程是在控制器的控制下实施的，这种控制电路称为自平衡电容测量电路。Cx，Cb的一端分别接放大器A1的反相输入端，他们的另一端并不直接与信号发生器产生的标准信号相连，而是分别接两乘法器(测量乘法器、补偿乘法器)的输出端，这两个乘法器的输入端有一端接在一起，接正弦激励，另一端分别接控制器输出的直流电压信号(U1，U2)，这两个直流电压信号由控制器检测到反馈信号Uf后经计算给出，通过以上控制过程，原则上可使系统在每次正式测量前进行自校准，从而抵消掉本体电容。
4 移相器
由于传感器对外引线以及电路板布线的影响，高频信号会产生移相，此移相将带来许多不便。因此要加两个移相器来抵消引线及布线所带来的额外移相。
移相器电路如图4所示。
此电路为一晶优的移相电路，他的输出电压uo(t)与输入电压μi(t)之间的相位差为一π一90～一n+90。A2为具有低噪声、高输入阻抗、高单位增益带宽的运算放大器，P1，P2为两个同型号的数字式电位器，由控制器根据所采集到的信号进行同步调节，使相敏检波器两输入电压同相，使图1中Uf的初始值为0。
5 结 语
本文提出的是一种很好的电容检测方法，他的特点是可只测量电容变化量，精度高，有较强的抑制寄生电容的能力。为使电路稳定、低漂移，还需在器件选择上下工夫，比如电路中的电阻应选温度系数好的RJ-1或则RJ-2金属膜精密电阻，电容应选温度特性好的陶瓷电容。电容式传感器的绝缘、屏蔽问题也不能忽视，引出导线应采用双层屏蔽电缆。此外为提高信噪比可桌用并联传感器提高电容变化量的方法以增加其抗干扰能力。 |
