[发明专利]电容式距离传感器

说明书

本发明涉及一种电容式距离传感器，包括：待测电容测量极板、参考电容Cref、开关S3、开关S4、待测电容充/放电电路、参考电容充/放电电路、全差分采样/保持电路和源跟随器。待测电容测量极板和被测导电体表面形成待测电容Cf；待测电容测量极板通过开关S3与待测电容充/放电电路连接，同时与源跟随器连接；参考电容Cref的一端通过开关S4与参考电容充/放电电路连接，同时与源跟随器连接，另一端与系统地Vss连接；全差分采样/保持电路的输入端连接源跟随器的电压输出端；源跟随器的两输入端分别与待测电容Cf和参考电容Cref连接。本发明对寄生效应不敏感，抗噪声能力强，测量精度高。

技术领域

本发明属于传感器设计领域，具体涉及到一种电容式距离传感器。

背景技术

随着物联网的迅猛发展，传感器的应用也越来越广泛，种类也越来越多。目前检测导体表面距离深度的传感器原理基本上都是通过检测耦合电容的电容值，由耦合电容的大小和距离成反比间接得到导体表面距离的深度。当待测导体表面和电容测量极板形成耦合电容，通过电路就可以测量出耦合电容的大小，然后由公式D＝ζ*S/C，可得到待测物体表面和电容测量极板之间的距离。其中D为耦合电容两极板的距离，C为耦合电容的电容值，ζ为两极板间的介电常数，S为极板面积。

但是检测耦合电容的大小的方法却不尽相同，主要有以下几种：(1)通过对待测电容施加激励信号，不同的电容值对应不同的输出电压，通过测量不同的输出电压来换算对应的电容值；(2)电容通过电阻放电，检测放电到额定电压的时间来换算电容值；(3)待测电容和额定电容进行电荷中和，通过测量中和后的电平来换算电容值；(4)待测电容和额定电容进行电荷中和，通过测量到达额定电压的时间换算电容值。目前这些方法受寄生效应影响，特别是当待测电容和寄生电容处于同一量级的时候，误差往往较大；同时当测量较小电容时，器件噪声以及电源抖动对测量带来较大的误差。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明提供的电容式距离传感器，包括：待测电容测量极板、参考电容Cref、开关S3、开关S4、待测电容充/放电电路、参考电容充/放电电路、全差分采样/保持电路和源跟随器。

进一步地，所述待测电容测量极板和被测导电体表面形成待测电容Cf；所述待测电容测量极板通过开关S3与所述待测电容充/放电电路连接，同时与所述源跟随器连接。所述待测电容测量极板为导电极板，由一层金属组成，基板面积大小和整个待测导体表面纹理分布有关。

进一步地，所述参考电容Cref的一端通过开关S4与所述参考电容充/放电电路连接，同时与所述源跟随器连接，另一端与系统地Vss连接。所述参考电容Cref的电容选取和待测电容Cf大小相当。

进一步地，所述全差分采样/保持电路的输入端连接源跟随器的电压输出端。

进一步地，所述源跟随器的两输入端分别与待测电容Cf和参考电容Cref连接。

进一步地，所述待测电容充/放电电路，包括开关S1、基准电压Vrefp和电流源IS1。所述开关S1的一端连接基准电压Vrefp，另一端通过电流源IS1接系统地Vss，同时通过开关S3和所述待测电容Cf相连。

进一步地，所述参考电容充/放电电路，包括开关S2、基准电压Vrefn和电流源IS2。所述开关S2的一端连接基准电压Vrefn，另一端通过电流源IS2接系统地Vss，同时通过开关S4和所述参考电容Cref相连。所述参考电容充/放电电路和待测电容充/放电电路对称；所述电流源IS1和电流源IS2相匹配。