[发明专利]电容传感器的高精度微弱电容变化检测电路

说明书

本发明公开电容传感器的高精度微弱电容变化检测电路，包括单片机、正弦波信号发生器、CA转换电路、固定增益电路、低通滤波电路1、同步解调电路、均方根电路、第一多路选择开关、低通滤波电路2和电平偏移电路。正弦波信号发生器产生两路正弦波信号。CA转换电路仅输出与电容传感器变化量有关的正弦波信号后，依次经固定增益电路、低通滤波电路1、同步解调电路、低通滤波电路2后，与电容传感器变化量有关的正弦波信号的幅值被解出，输出到单片机的片内模数转换器。本发明的检测电路在单片机控制下自动调零，无须人工调试，测量精度高、转换速度快。特别适用于电容量变化特别微弱的电容传感器。

技术领域

本发明涉及传感器测量领域，特别涉及电容传感器的高精度微弱电容变化检测电路。

背景技术

电容式传感器基本原理是把某种物理量，例如位移、面积、电介质等转化为电容，然后通过测量电容来间接测量所求物理量。电容传感器具有十分广泛的用途。尤其是在高精度检测领域，电容传感器具有无可替代的地位。电容传感器具有灵敏度高、响应快的优点，但是测量电路较为复杂。大部分情况下，电容传感器的电容变化量比较微弱，电路容易受到自身寄生参数、环境变化的影响，这使得问题变得更加复杂。

常见的微弱电容测量技术有直流充放电法、交流电桥法、V/T转换法和基于运算放大器的负反馈交流激励法。直流充放电法采用直流激励，测量精度容易受到放大器失调电压漂移的影响。另外，该方法要对电容进行快速充放电，需要用到电子开关，电路精度容易受电子开关电荷注入效应的影响。交流电桥法调零比较繁琐，而且容易受到电路寄生电容的影响，实际实施过程中需要复杂的屏蔽措施。该法对小电容的微弱变化测量较为困难。V/T转换法是利用测量电容充放电时间来测量电容值，同直流充放电法一样，测量精度容易受电路直流电压漂移和电子开关注入电荷的影响；从部分公开文献来看，目前微弱电容检测实际应用中测量精度最高的电路是基于运算放大器的负反馈交流激励法。该方法具有很高的分辨率，而且抗寄生电容能力强。另外还有一种高压双边激励检测方法，需要用到高频高压激励信号，仅使用于特定对象和场合，限制条件较多。

在上述电容检测方法中多用于电容的静态测量，然而在许多应用中需要测量电容相对变化量随时间的变化。

在某些实际应用中，因为机构、材料等方面的原因，传感器基础电容量比较小，大约在pF的数量级，这个电容值远小于线缆的寄生电容。而电容变化量则更小，大约在fF以下量级。如何准确、动态地测量出微弱的电容变化量，是一个非常棘手的技术问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是公开一种电容传感器的高精度微弱电容变化检测电路，用于精确地检测电容传感器的微弱电容变化量。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

电容传感器的高精度微弱电容变化检测电路，包括单片机、正弦波信号发生器、CA转换电路、固定增益电路、第一低通滤波电路、同步解调电路、均方根电路、第一多路选择开关、第二低通滤波电路和电平偏移电路；正弦波信号发生器的四个输入端分别接入单片机输出的第一方波信号、第二方波信号、第一DAC模拟信号、第二DAC模拟信号，正弦波信号发生器的第一输出端连接CA 转换电路的第一输入端，正弦波信号发生器的第二输出端连接CA转换电路的第二输入端；待测的电容传感器接入正弦波信号发生器的第二输出端和CA转换电路的第二输入端之间；CA转换电路的输出端通过固定增益电路、第一低通滤波电路连接到同步解调电路的第一输入端；同步解调电路的第二输入端接入单片机输出的第三方波信号，同步解调电路的输出端连接第一多路选择开关的一个输入端；均方根电路的输入端连接第一低通滤波电路的输出端，均方根电路的输出端连接第一多路选择开关的另一个输入端；第一多路选择开关的输出端连接第二低通滤波电路的第一输入端；电平偏移电路输出一个直流偏移电压信号到第二低通滤波电路的第二输入端，第二低通滤波电路最终输出有用的直流信号到单片机的片内模数转换器中。