电缆寄生电容测试系统
使用是德科技 B1500A 半导体器件分析仪 MFCMU 和 SCUU 进行 IV 和 CV 测量
图 1. 机械手连接的基本电缆配置
延长 电缆
剩余电感是一个 固定值
延长 电缆
3T 配置
不同的电缆布设 会产生不同的剩余 电感。
即使您把电 缆移到被 测器件处，剩余电感
也 不会改 变，仍能 提 供 稳定和 精确的测量
ir
结果。
面积
屏蔽 2T 配置的剩余电感是固定的，因为保 护屏蔽中流过的感应电流与中心导体中流过 的电流大小相同而方向相反。这一感应电流 有助于屏蔽测量电流产生的磁通量，使剩余 电 缆电 感 保 持 一 个 较小的固定值。反 之，3 T 配置中没有形成返回电流路径。这种配置中 的剩余电感取决于电缆的随机布设状态。由 于电缆的布设不受控制，因此难以保持剩余 电感为稳定的固定量值。测试环境的振动也 会改变测量电缆的剩余电感，造成其不稳定 的量值。人们很难补偿 3T 配置中测量电缆 的剩余电感。这有时也被称作“返回路径问 题”，如果 3T 配置中电缆末端的保护屏蔽 不能 短 路 在一起，就 会产 生 这一问题。您可 按照图 2 所示的方法连接保护屏蔽来解决 这一问题。
SMU 1 SMU 2 电路公共端
三轴电缆
机械手 施压 保护端
三轴 连接器
机械手 施压
保护端
三轴 外部屏蔽
图 5 是一个与精确 CV 测量略有不同的测量 装置。使用 4TP-屏蔽 2T 转换之后的电缆路 径看起来类似于 IV 测量装置，但有两个重要 区别。第一，IV 测量装置中使用的是三轴电 缆，而 CV 测量装置中则使用同轴电缆。第 二，测量电缆与 CV 测量装置中的机械手探 针之间有一条保护连接线，而在 IV 测量装置 中没有这条保护连接线。
使用 Keysight B1500A MFCMU
和 SCUU 进行 IV 和 CV 测量
机械工程测试技术课后习题答案 (1)
第三章：常用传感器技术 3-1 传感器主要包括哪几部分？试举例说明。
传感器一般由敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分组成。
如图所示的气体压力传感器。
其内部的膜盒就是敏感元件，它的外部与大气压力相通，内部感受被测压力p ，当p 发生变化时，引起膜盒上半部分移动，可变线圈是传感器的转换元件，它把输入的位移量转换成电感的变化。
基本电路则是完成上述电感变化量接入基本转换电路，便可转换成电量输出。
3-2 请举例说明结构型传感器与物性型传感器的区别。
答：结构型传感器主要是通过传感器结构参量的变化实现信号变换的。
例如，电容式传感器依靠极板间距离变化引起电容量的变化；电感式传感器依靠衔铁位移引起自感或互感的变化。
物性型传感器则是利用敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换。
例如，水银温度计是利用水银的热胀冷缩性质；压电式传感器是利用石英晶体的压电效应等。
3-3 金属电阻应变片与半导体应变片在工作原理上有何区别？答：（1）金属电阻应变片是基于金属导体的“电阻应变效应”， 即电阻材料在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化的现象，其电阻的相对变化为()12dR Rμε=+； （2）半导体应变片是基于半导体材料的“压阻效应”，即电阻材料受到载荷作用而产生应力时，其电阻率发生变化的现象，其电阻的相对变化为dR d E R ρλερ== 。
3-4 有一电阻应变片（见图3-105），其灵敏度S 0=2，R =120Ω，设工作时其应变为1000με，问ΔR =？设将此应变片接成图中所示的电路，试求：1）无应变时电流指示值；2）有应变时电流指示值；3）试分析这个变量能否从表中读出？解：根据应变效应表达式?R /R =S g ?得?R =S g ? R =2?1000?10-6?120=?1）I 1=R =120=0.0125A=2）I 2=(R +?R )=(120+?0.012475A=3）电流变化量太小，很难从电流表中读出。
电容传感器寄生电容干扰的产生原因及消除方法
电容传感器寄生电容干扰的产生原因及消除方法分析了电容传感器寄生电容存在的主要原因，以及消除寄生电容干扰的几种方法：主要采用驱动电缆技术、运算放大器驱动技术、整体屏蔽技术、集成组合技术来减小寄生电容，以提高传感器的性能。
电容式传感器具有结构简单，灵敏度高，温度稳定性好，适应性强，动态性能好等一系列优点，目前在检测技术中不仅广泛应用于位移、振动、角度、加速度等机械量的测量，还可用于液位、压力、成份含量等热工方面的测量中。
但由于电容式传感器的初始电容量很小，一般在皮法级，而连接传感器与电子线路的引电缆电容、电子线路的杂散电容以及传感器内极板与周围导体构成的电容等所形成的寄生电容却较大，不仅降低了传感器的灵敏度，而且这些电容是随机变化的，使得仪器工作很不稳定，从而影响测量精度，甚至使传感器无法正常工作，所以必须设法消除寄生电容对电容传感器的影响。
以下对消除电容传感器寄生电容的几种方法进行分析。
增加初始电容值法采用增加初始电容值的方法可以使寄生电容相对电容传感器的电容量减小。
由公式C0=ε0·εr·A/d0可知，采用减小极片或极筒间的间距d0，如平板式间距可减小为0.2毫米，圆筒式间距可减小为0.15毫米;或在两电极之间覆盖一层玻璃介质，用以提高相对介电常数，通过实验发现传感器的初始电容量C0不仅显著提高了，同时也防止了过载时两电极之间的短路;另外，增加工作面积A或工作长度也可增加初始电容值C0。
不过，这种方法要受到加工工艺和装配工艺、精度、示值范围、击穿电压等的限制，一般电容的变化值在10-3～103pF 之间。
采用“驱动电缆”技术，减小寄生电容如图1所示：在压电传感器和放大器A之间采用双层屏蔽电缆，并接入增益为1的驱动放大器，这种接法可使得内屏蔽与芯线等电位，进而消除了芯线对内屏蔽的容性漏电，克服了寄生电容的影响，而内外层之间的电容Cx变成了驱动放大器的负载，电容传感器由于受几何尺寸的限制，其容量都是很小的，一般仅几个pF到几十pF。
《传感器与检测技术》课后习题：第四章(含答案)
第四章习题答案1．某电容传感器（平行极板电容器）的圆形极板半径)(4mm r =，工作初始极板间距离)(3.00mm =δ，介质为空气。
问：（1）如果极板间距离变化量)(1m μδ±=∆，电容的变化量C ∆是多少？（2）如果测量电路的灵敏度)(1001pF mV k =，读数仪表的灵敏度52=k （格／mV ）在)(1m μδ±=∆时，读数仪表的变化量为多少？解：（1）根据公式SSSd C d d d d d dεεε∆∆=-=⋅-∆-∆ ，其中S=2r π （2）根据公式112k k δδ∆=∆ ，可得到112k k δδ⋅∆∆==31001100.025-⨯⨯= 2．寄生电容与电容传感器相关联影响传感器的灵敏度，它的变化为虚假信号影响传感器的精度。
试阐述消除和减小寄生电容影响的几种方法和原理。
解：电容式传感器内极板与其周围导体构成的“寄生电容”却较大，不仅降低了传感器的灵敏度，而且这些电容（如电缆电容）常常是随机变化的，将使仪器工作很不稳定，影响测量精度。
因此对电缆的选择、安装、接法都有要求。
若考虑电容传感器在高温、高湿及高频激励的条件下工作而不可忽视其附加损耗和电效应影响时，其等效电路如图4-8所示。
图中L 包括引线电缆电感和电容式传感器本身的电感；C 0为传感器本身的电容；C p 为引线电缆、所接测量电路及极板与外界所形成的总寄生电容，克服其影响，是提高电容传感器实用性能的关键之一；R g 为低频损耗并联电阻，它包含极板间漏电和介质损耗；R s 为高湿、高温、高频激励工作时的串联损耗电组，它包含导线、极板间和金属支座等损耗电阻。
此时电容传感器的等效灵敏度为2200220/(1)(1)g e e k C C LC k d d LC ωω∆∆-===∆∆- （4-28）当电容式传感器的供电电源频率较高时，传感器的灵敏度由k g 变为k e ，k e 与传感器的固有电感（包括电缆电感）有关，且随ω变化而变化。
低温漂高精度柔性电容传感器阵列检测电路
第62卷 第4期厦门大学学报(自然科学版)V o l .62 N o .4 2023年7月J o u r n a l o f X i a m e nU n i v e r s i t y (N a t u r a l S c i e n c e )J u l .2023h t t p :ʊjx m u .x m u .e d u .c n d o i :10.6043/j.i s s n .0438-0479.202302002低温漂高精度柔性电容传感器阵列检测电路宋文俊,张智博,郑建毅*,吴德志(厦门大学萨本栋微米纳米科学技术研究院,福建厦门361102)摘要:为了抑制温度和屏蔽电缆的寄生电容对柔性电容传感器检测精度的影响,设计了一种低温漂高精度柔性电容传感器检测电路.基于电容对交流信号的容抗与容值的关系,采用运算放大式的C /V 转换电路将待测电容传感单元的容值转换为交流信号的幅值,再通过精密整流电路将其转换为直流电压输出;针对传感器应用环境温度变化较大的情况,采用具有自动增益控制的文氏电桥振荡电路产生正弦交流信号,选用具有零温度系数点的结型场效应管作为可变电阻,极大地减小温度变化对输出幅值的影响;采用双层屏蔽的方式与C /V 转换电路搭配,极大地抑制屏蔽电缆引入的寄生电容以及电容传感阵列中其他传感单元对待测传感单元的影响.实验表明,测量5~50p F 电容时,测量值与采用L C R 测试仪测得的准确值的最大相对误差为1.70%;温度从-40ħ变化到100ħ,输出正弦信号的幅值只变化了0.88%;1m 长的R G 316同轴屏蔽电缆的寄生电容(93p F )只使检测结果漂移了0.16p F .关键词:C /V 转换;自动增益控制;文氏电桥振荡电路;双层屏蔽;寄生电容中图分类号:T M937.2 文献标志码:A 文章编号:0438-0479(2023)04-0554-07收稿日期:2023-02-04 录用日期:2023-06-19基金项目:国家重点研发计划(2021Y F B 323302);厦门市自然科学基金(3502Z 20227176)*通信作者:z j y@x m u .e d u .c n 引文格式:宋文俊,张智博,郑建毅,等.低温漂高精度柔性电容传感器阵列检测电路[J ].厦门大学学报(自然科学版),2023,62(4):554-560. C i t a t i o n :S O N G WJ ,Z H A N GZB ,Z H E N G J Y ,e t a l .Ad e t e c t i o n c i r c u i t f o r f l e x i b l e c a p a c i t o r s e n s o r a r r a y w i t h l o w -t e m pe r a t u r e d r if t a n d h igh a c c u r a c y[J ].JX i a m e nU n i vN a t S c i ,2023,62(4):554-560.(i nC h i n e s e ) 柔性电子器件具有良好的延展性,在智能设备[1]㊁可穿戴系统[2]㊁电子皮肤[3]等诸多领域得到广泛应用,由于检测区域较大,此时单个传感器已不满足需求,需要利用多个传感单元相互配合才可完成对待测物理量变化的检测.电容传感检测具有精度高㊁非接触式㊁动态响应快的优点,在柔性电子中占据重要地位.受其体积和结构的影响,电容传感器的电容值一般为p F 级,通常情况下,传感器与检测电路之间通过屏蔽电缆连接起来,而每米屏蔽电缆会引入几十甚至几百p F 的寄生电容,为提高检测精度,必须消除屏蔽电缆引入的寄生电容的影响.此外,当传感器应用于飞机或火箭等航空航天领域时,环境温度变化范围较大,因此温度变化对检测电路的影响也不可忽视.常见的电容传感器检测电路一般使用电容数字转换(C D C )芯片[4-5]或开关电容转换方式[6-7].采用C D C 芯片的检测电路直接将工业生产的检测芯片与待测电容相连,将电容值转换为数字信号输出,但是这些芯片一般不具有抗寄生电容的作用;利用开关电容转换的检测电路基于电荷守恒定律,通过控制待测电容充电时间内流入的电荷量,再将流出的电荷输入到参考电容中,即可知待测电容与参考电容的关系.使用开关电容转换方式一般通过差分的方式消除寄生电容的影响,但在阵列的检测中,由于阵列单元之间存在相互串扰的问题,这种串扰的影响无法通过差分的方式消除.本研究采用一种基于电容对交流信号的容抗与容值关系的运算放大式检测电路,通过向待测电容单元输入高频的正弦激励信号,将待测电容传感单元的容值转换为正弦信号的幅值,由此得到待测电容的容值.采用双层屏蔽的方式,并利用运算放大器 虚短虚断 的特性消除屏蔽电缆寄生电容和除待测传感单元以外的传感单元两极的电位差,极大地减小了其对检测结果的影响.由于检测结果的稳定性取决于正弦信号幅值的稳定性,采用具有自动增益控制的文氏电桥振荡电路产生正弦信号,用具有零温度系数点的结型场效应管(J F E T )代替传统的二极管作为可变电阻,极大地提高了输出的正弦信号的温度稳定性.Copyright ©博看网. All Rights Reserved.第4期宋文俊等:低温漂高精度柔性电容传感器阵列检测电路h t t p :ʊjx m u .x m u .e d u .c n 1 检测电路结构和原理1.1 检测电路总体设计方案本研究设计的柔性电容传感器阵列检测电路基于电容在交流信号中容抗与容值的关系,通过电容的容抗从而得到电容的容值.检测电路主要包括信号发生模块㊁行列选通模块㊁C /V 转换模块㊁精密整流模块,其总体设计框图与实物图如图1所示.首先通过信号发生模块产生高频的正弦交流信号,然后通过行列选通模块产生时序逻辑信号控制模拟开关,将正弦信号循环输入到阵列的各个电容传感单元中,再通过C /V 转换模块将当前阵列传感单元的容值与正弦信号的幅值相关联,最后为了方便信号的采集,通过精密整流模块和滤波模块将正弦信号的幅值转化为直流电压输出.图1 电容传感器阵列检测电路总体设计框图与实物图F i g .1T h e o v e r a l l d e s i g n b l o c k d i a g r a ma n d p h y s i c a l d i a g r a mo f t h e c a p a c i t i v e s e n s o r a r r a y de t e c t i o n c i r c u i t 1.2 信号发生模块信号发生模块由振荡电路和自动增益控制电路构成,如图2所示.I D 为漏极电流;U D S 为施加在J F E T 的漏极和源极之间的电压;U G S 为施加在栅极和源极之间的电压;ω0为文氏电桥最终输出信号的稳定频率.图2 带自动增益控制的文氏电桥振荡电路F i g .2W i e n b r i d ge o s c i l l a t o r c i r c u i tw i t h a u t o m a t i c g a i n c o n t r o l 1.2.1 振荡电路常用的产生正弦信号的方法有直接数字频率合成技术[8]和R C 文氏电桥振荡电路[9].其中直接数字频率合成技术需要搭配微控制器一同使用,电路复杂且功耗较高;而一般的R C 文氏电桥振荡电路使用二极管作为可变电阻,使得电路可以起振并且能够稳定下来,然而二极管的温度特性极差,所以使用二极管作为可变电阻搭建的文氏电桥所输出的正弦信号幅值随着温度的变化而发生显著变化,这会对检测结果产生直接影响.本研究在传统的文氏电桥的基础上,根据J F E T 在可变电阻区工作时其电阻值受栅极电压控制的特性,使用J E F T 代替二极管作为可变电阻,搭建出如图2所示的带自动增益控制的文氏电桥振荡电路.为降低振荡电路的功耗,振荡电路中的运算放大器均选用精密运算放大器O P A 2197,其增益带宽为2.5MH z ,压摆率为5V /μs ,供电电流仅需140μA ,完全满足电路的设计需要.如图2所示,文氏电桥正向输入端为选频网络,㊃555㊃Copyright ©博看网. All Rights Reserved.厦门大学学报(自然科学版)2023年h t t p :ʊjx m u .x m u .e d u .c n 一般取R 1=R 2=R ,C 2=C 3=C ,则选频网络的增益表达式为A F S =R ʊ1i ωCR +1i ωC +R ʊ1i ωC =13+i ωR C -1ωR C,(1)其中,ʊ表示求并联阻抗.当且仅当ω=ω0=1/R C 时,输入输出之间的相移为0ʎ,增益大小为1/3.要想让电路起振,电路的总体增益要大于1才行,而文氏电桥的反相输入端为放大环节,放大环节的增益表达式为A A F =1+R 4R 6+R 12ʊR J,(2)其中,R 4㊁R 6㊁R 12为固定电阻,R J 为JF E T 的电阻值.当A A F >3时,即R 4>2(R 6+R 12ʊR J ),电路的总体增益大于1,电路将不断放大频率为ω0的噪声直至超过供电电压出现顶部失真.为避免出现这种情况,在信号被放大到出现顶部失真前,将A A F 调至3,此时电路处于稳定状态,而这需要通过J F E T 的可变电阻特性来实现.本研究选用型号为M C H 3914的J E F T ,其转移特性曲线如图3所示,当施加在J F E T 的漏极和源极之间的电压U D S 固定时,其漏极电流I D 的大小受施加在栅极和源极之间的电压U G S 控制,而I D 的大小可以直接体现出J F E T 等效电阻的大小.因此,只要控制U G S 即可控制电路的振荡和稳定.图3 M C H 3914的转移特性曲线F i g.3T r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i c c u r v e o fM C H 3914由图3可知,M C H 3914的转移特性曲线也受温度影响,不同温度对应不同的转移特性曲线,M C H 3914在不同温度下的转移特性曲线之间存在一个交点,可称为零温度系数点,即M C H 3914在该点的I D 和U G S 不随温度变化,设此点对应电压为U G S 0.由式(2)可知,通过调整R 4㊁R 6㊁R 12的阻值使电路稳定时,J F E T 栅极和源极之间的电压U G S 等于U G S 0,此时正弦信号的幅值将不受温度的影响.通过反复测试不同R 4㊁R 6㊁R 12阻值下振荡电路的温度漂移,当R 4=347Ω,R 6=120Ω,R 12为开路时,M C H 3914的U G S =-0.60746V ,此时振荡电路的温度漂移最小.1.2.2 自动增益控制图2中自动增益控制电路将振荡电路输出的正弦信号A 0s i n (ω0t )反馈回来控制J E F T 的U G S .自动增益控制电路可以分为精密整流电路和比例积分电路,其中精密整流电路将正弦信号转换为直流电压,直流电压大小为2A 0/π,比例积分电路将转换的直流电压与2.5V 基准电压相减后的输出直接与J F E T 的栅极相连为U G S ,其输入输出关系如下:2.5R 14R 13+R 141+R 8R 11-2A 0π㊃R 8R 11=U G S .(3)起始阶段,正弦信号幅值很小,U G S 为正,此时J F E T 的等效电阻R J 几乎为零;电路增益大于1时开始振荡,正弦信号幅值不断增大,U G S 不断减小,R J 不断增大,直至增大到满足R 4=2(R 6+R 12ʊR J ),电路达到稳定,正弦信号幅值不再变化.实际电路中,此电路并不会达到完全稳定的状态,而是处于动态稳定的状态,即电路总体增益在1上下波动,而U G S 也会小幅的振荡,由式(3)可得U G S +ΔU G S =2.5R 14R 13+R 141+R 8R 11-2A '0π㊃R 8R 11.(4)结合式(3)和(4)可得A '0=A 0-ΔU G S2π㊃R 8R 11.(5)由式(5)可知,增大R 8/R 11的值可减小正弦信号幅值的振荡,但也不能太大,否则电路将无法达到稳定状态;此外,选择合适的滤波电容C 4也可以进一步提升输出的稳定性.本研究中R 8=30k Ω,R 1=1k Ω,C 4=30p F .使用台式万用表测量自动增益控制电路中精密整流电路的输出,在同一温度下其正弦信号幅值可在10μV 的量级上保持稳定.通过调整R 13与R 14对2.5V 的分压可调节输出正弦信号的幅值A 0,其中2.5V 电压由R E F 3125基准电压芯片提供,其输出误差仅有0.2%,电源电流为115μA ,输出温漂在-40~125ħ范围内最大为0.002%/ħ.1.3 C /V 转换电路将上述信号发生模块产生的高频正弦信号输入㊃655㊃Copyright ©博看网. All Rights Reserved.第4期宋文俊等:低温漂高精度柔性电容传感器阵列检测电路h t t p :ʊjx m u .x m u .e d u .c n 到电容传感单元中,通过电容在交流信号中容抗与容值的关系将容值转换为交流信号的幅值,其基本原理如图4所示.R f 为反馈电阻;C f 为反馈电容;C x 为待测电容.图4 C /V 转换电路F i g.4C /Vc o n v e r s i o n c i r c u i t 图4中运算放大器的输出电压为U 0(t )=i ω0R f C xi ω0R f C f +1㊃A 0s i n (ω0t -π).(6)经过精密整流电路处理后,由A D 采集到的电压值为U 0=i ω0R f C xi ω0R f C f +1㊃2A 0π.(7)由式(6)可知,当反馈电容与反馈电阻确定后,正弦交流信号的频率也会对转换电路的输出结果产生影响,为保证检测电路的线性度以及分辨率,需要选择合适的正弦交流信号频率.本研究所检测的电容传感器阵列中传感单元的容值为5~30p F ,因此选取反馈电容为6p F ,反馈电阻为1M Ω,图5所示为待测电容为6p F ,反馈电容为6p F ,反馈电阻为1M Ω时转换电路的频率特性曲线.图5 转换电路频率特性曲线F i g .5F r e q u e n c y ch a r a c t e r i s t i c c u r v e o f c o n v e r s i o n c i r c u i t 由转换电路的频率特性曲线可得,当正弦信号频率小于26.6k H z 时,输出信号的增益将小于-3d B .为避免转换电路输出信号的幅值过小,并保证自动增益控制文氏电桥振荡电路输出的正弦交流信号的稳定性,根据式(1),取R =10k Ω,C =470p F ,产生频率为33.9k H z 的正弦交流信号作为激励信号.2 寄生电容的抑制2.1 屏蔽电缆寄生电容的产生原理一般情况下,传感器与检测电路会独立放置,为防止外界电磁的干扰,需采用屏蔽电缆将二者连接,如图6所示,屏蔽电缆的屏蔽层与大地相连形成一个等势面,因此外界的电磁干扰就不会对内部的信号产生影响.但内部信号与屏蔽层之间存在电位差,因此屏蔽电缆的内部传输线与屏蔽层会形成一个电容.图6 屏蔽电缆中寄生电容的产生原理F i g .6G e n e r a t i o n p r i n c i p l e o f p a r a s i t i c c a pa c i t a n c e i n s h i e l d e d c ab l e2.2 寄生电容的消除在阵列检测中,由于阵列单元之间存在串扰的问题,所以无法采用传统的差分形式消除寄生电容,一般通过如图7所示的 零电势法 将除待测传感单元以外的其他传感单元接地以消除阵列单元之间的串扰.如图7所示,在电容传感器阵列检测中,待测传感单元与阵列中其他传感单元存在串并联的关系.尽管通过零电势法可消除阵列中的串扰,但是与待测传感单元同行列的传感单元仍如寄生电容一般并联在其两端,且这些传感单元的电容值是变化的,无法通过差分的形式将其消除.由图6可知,屏蔽电缆的寄生电容由内部传输线与屏蔽层之间存在的电位差形成,若能消除该电位差即可消除屏蔽电缆的寄生电容.因此本研究结合所设计的C /V 转换电路,采用图8所示的寄生电容消除方案,在信号传输线外加上两层屏蔽层,内屏蔽层与信号地相连,利用运算放大器 虚短虚断 的特性消除内屏蔽层与信号传输线之间的电位差,同时为防止外部㊃755㊃Copyright ©博看网. All Rights Reserved.厦门大学学报(自然科学版)2023年h t t p :ʊjx m u .x m u .e d u .cn 图7 电容传感阵列串扰的影响与消除F i g .7I n f l u e n c e a n d e l i m i n a t i o n o f c r o s s t a l k i n c a p a c i t i v e s e n s o r a r r a ys C C O L 和C R O W 分别为与待测传感单元同行和同列的传感单元的总和,C P 1和C P 2为屏蔽电缆的寄生电容.图8 双层屏蔽方案F i g .8D o u b l e l a y e r s h i e l d i n g sc h e m e 电磁干扰,外屏蔽层与大地相连.图8中,C C O L 与C P 1直接与信号源相连,对电容的测量没有影响;C R O W 与C P 2的一极与信号地相连,另一极与运算放大器的虚地端相连,二者之间没有电位差,也对电容的测量没有影响.但由于实际的运算放大器会存在失调电压U O S 与偏置电流I B ,所以C R O W 与C P 2的两端还是会有微小的电位差,也会有微弱的电流流过二者,因此在实际设计过程中,应选用U O S 与I B 较小的运算放大器来搭建C /V 转换电路.3 检测电路测试实验3.1 检测电路测量精度测试在进行精度测试实验时,选取5~50p F 范围内一些常见电容值的贴片电容作为待测电容,将这些待测电容的准确容值通过L C R 测试仪测出,与检测电路的测量结果进行对比,结果如表1所示.表1 检测电路测量精度测试数据T a b .1 T e s t d a t a t o c h e c k t h em e a s u r e m e n t a c c u r a c y o f t h e d e t e c t i o n c i r c u i t标称值/p F L C R 测量值/p F 输出电压/V 拟合值/p F 误差值/p F 相对误差/%66.460.234756.570.11 1.701010.040.3604210.04001515.300.5512915.3002020.070.7204519.96-0.11-0.552424.310.8773924.28-0.03-0.123029.531.0664529.49-0.04-0.143939.001.4113538.99-0.01-0.034747.951.7387748.020.070.15㊃855㊃Copyright ©博看网. All Rights Reserved.第4期宋文俊等:低温漂高精度柔性电容传感器阵列检测电路h t t p :ʊjx m u .x m u .e d u .c n 将表1中的L C R 测量值与检测电路的输出电压通过最小二乘法线性拟合,得到线性回归方程为y =0.03629x -0.00377,(8)相关系数R 2=0.99998,表明本研究设计的检测系统线性度极好.由输出电压通过式(8)得到的拟合值与L C R 测量值的最大相对误差为1.70%,表明本研究设计的检测电路能达到很高的精度.3.2 电路温漂测试将传统的采用二极管作为可变电阻的文氏电桥振荡电路与本研究设计的具有自动增益控制的文氏电桥振荡电路放入环境实验箱内,进行-40~100ħ的温度实验,并通过台式万用表测得不同温度下二者产生的正弦信号经精密整流后的输出电压.如表2所示,温度从-40ħ变化到100ħ,传统电桥产生的正弦信号幅值漂移了66.15%,而具有自动增益控制的电桥产生的正弦信号幅值只漂移了0.88%,电路的温度特性得到了极大的改善.表2 信号发生电路温漂实验结果T a b .2 R e s u l t s o f t e m p e r a t u r e d r i f t e x p e r i m e n t o f s i g n a l ge n e r a t o r c i r c u i t 温度/ħ传统电桥输出/V自动增益控制电桥输出/V-400.947570.38347-200.883550.3842000.810130.38505200.740660.38535400.659330.38573600.569010.38595800.464190.386181000.320780.386863.3 寄生电容抑制效果测试为测试对屏蔽电缆寄生电容的消除效果,使用不同长度的屏蔽电缆将待测电容与转换电路连接起来,过程中待测电容和检测电路保持不变,测得对应的输出电压,测试实验平台如图9所示.同时为测试运算放大器的性能对消除效果的影响,挑选多款失调电压U O S ㊁偏置电流I B 以及供电电流均较低的精密运算放大器分别搭建电路.表3为使用双层屏蔽的方式,不同的运算放大器对寄生电容的消除效果,其中O P A 2191的U O S 为5μV ,I B为5p A ;A D 8642的U O S 为50μV ,I B 为0.25p A ;L M P 7708的U O S 为37μV ,I B 为0.2p A ;反馈电容标图9 屏蔽电缆寄生电容消除效果测试实验平台F i g .9T e s t p l a t f o r mf o r e l i m i n a t i n g pa r a s i t i c c a pa c i t a n c e o f s h i e l d e d c ab l e 称为10p F ;待测电容标称为20p F ;所用屏蔽电缆为R G 316同轴屏蔽电缆,通过L C R 测试仪测得寄生电容为93p F /m.结果表明采用双层屏蔽的方法,U O S 与I B 越小的运算放大器对寄生电容的消除效果越好,使用U O S 与I B 均较小的L M P 7708,在1m 长的R G 316同轴屏蔽电缆的寄生电容(即93p F )的影响下,对比无寄生电容影响时,输出电压增大了0.00591V ,结合式(8)可得检测电容值增大了0.16p F .表3 不同运算放大器对寄生电容的抑制效果对比T a b .3 C o m p a r i s o n o f t h e i n h i b i t o r y e f f e c t o f d i f f e r e n t o p e r a t i o n a l a m p s o n p a r a s i t i c c a pa c i t a n c e 屏蔽电缆长度/m输出电压/V O P A 2191A D 8642L M P 770800.731340.726130.724010.10.733710.727920.724540.20.736750.730550.725140.30.739930.733000.725930.40.742610.734980.726390.50.745180.736880.726920.60.747750.739220.727700.70.750670.740970.728130.80.752220.742010.728520.90.755250.744350.729231.00.757710.745880.729924 结 论本研究设计的柔性电容传感器阵列检测电路,对㊃955㊃Copyright ©博看网. All Rights Reserved.厦门大学学报(自然科学版)2023年h t t p :ʊjx m u .x m u .e d u .c n 5~50p F 范围内的待测电容最大检测相对误差为1.70%;采用带自动增益控制的文氏电桥振荡电路,选用具有零温度系数点的J F E T 作为可变电阻,在-40~100ħ的范围内变化,信号只漂移了0.88%;采用双层屏蔽的方式,93p F 的寄生电容只使检测结果漂移了0.16p F .与现有文献相比,本研究提出的检测电路适用环境广泛㊁精度高.参考文献:[1] A N B W ,H E O S ,J IS ,e ta l .T r a n s p a r e n ta n df l e x i b l e f i n g e r p r i n ts e n s o ra r r a y w i t h m u l t i pl e x e d d e t e c t i o n o f t a c t i l e p r e s s u r e a n d s k i n t e m p e r a t u r e [J ].N a t u r e C o m m u n i c a t i o n s ,2018,9:2458.[2] P A NJ M ,L I Y D ,L U O Y X ,e ta l .H y b r i d -f l e x i b l e b i m o d a l s e n s i n g w e a r a b l e g l o v e s y s t e mf o r c o m pl e xh a n d c e s t u r er e c o g n i t i o n [J ].A C S S e n s o r s ,2021,6(11):4156-4166.[3] H U AQL ,S U NJ L ,L I U HT ,e t a l .S k i n -i n s p i r e d h i g h l ys t r e t c h a b l e a n d c o n f o r m a b l e m a t r i x n e t w o r k s f o rm u l t i f u n c t i o n a ls e n s i n g [J ].N a t u r e C o m m u n i c a t i o n s ,2018,9:244.[4] Z H A N GZT ,L I JS ,Y U BC ,e t a l .L o w -c o s t ,f l e x i b l ea n n u l a ri n t e r d i g i t a l c a pa c i t i v e s e n s o r (F A I C S )w i t h c a rb o n b l ac k -P D M S s e n s i t i v el a y e rf o r p r o x i m i t y an d p r e s s u r e s e n s i n g[C ]ʊI n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o nM i c r o E l e c t r o M e c h a n i c a lS y s t e m sC o n f e r e n c e .T o k yo :I E E E ,2022:35-38.[5] L I A N G G H ,W A N G Y C ,M E ID Q ,e ta l .F l e x i b l ec a p a c i t i v e t a c t i l e s e n s o r a r r a y w i t h t r u n c a t ed p y r a m i d s a s d ie l e c t r i cl a y e rf o rt h r e e -a x i sf o r c e m e a s u r e m e n t [J ].J o u r n a l o fM i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a l S y s t e m s ,2015,24(5):1510-1519.[6] 李致铭,兰哲冲,金楷越,等.寄生电容自适应抑制的飞法级电容传感器读出电路[J ].西安交通大学学报,2021,55(5):154-161.[7] G U OQB ,D E N G W H ,B E B E KO ,e t a l .P e r s o n a l i n e r t i a ln a v i g a t i o ns y s t e m a s s i s t e d b y ME M S g r o u n dr e a c t i o n s e n s o r a r r a y an d i n t e r f a c e A S I C f o r G P S -d e n i e d e n v i r o n m e n t [J ].I E E EJ o u r n a lo fS o l i d -S t a t eC i r c u i t s ,2018,53(11):3039-3049.[8] Q UP ,H U M ,C A IX ,e t a l .D e s i g no f s c a l a b l e s i n u s o i d a l e x c i t a t i o n f o r m u l t i -c a pa c i t a n c e s e n s o r s [C ]ʊ41s t C h i n e s e C o n t r o l C o n f e r e n c e .H e f e i :[s .n ],2022:5095-5099.[9] G E J ,Y I N G Z H ,P A N Y ,e ta l .A h i g h -pr e c i s i o n d e t e c t i o n c i r c u i t f o r c a pa c i t i v e s e n s o r [C ]ʊI n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n C o m m u n i c a t i o n T e c h n o l o g y .B e i j i n g:I E E E ,2015:158-161.Ad e t e c t i o n c i r c u i t f o r f l e x i b l e c a p a c i t o r s e n s o r a r r a yw i t h l o w -t e m p e r a t u r e d r i f t a n dh i g ha c c u r a c yS O N G W e n j u n ,Z H A N GZ h i b o ,Z H E N GJ i a n yi *,WUD e z h i (P e n -T u n g S a h I n s t i t u t e o fM i c r o -N a n o S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y ,X i a m e nU n i v e r s i t y,X i a m e n 361102,C h i n a )A b s t r a c t :I n o r d e r t o s u p p r e s s t h e i n f l u e n c e o f t e m p e r a t u r e a n d p a r a s i t i c c a p a c i t a n c eo f s h i e l dc a b l eo n t h ed e t e c t i o na c c u r a c y of f l e x i b l e c a p a c i t i v e s e n s o r ,a l o w -t e m p e r a t u r e d r i f t h igh -p r e ci s i o n f l e x i b l e c a p a c i t i v e s e n s o r d e t e c t i o n c i r c u i t i s d e s i gn e d .B a s e d o n t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n c a p a c i t i v e r e a c t a n c e a n d c a p a c i t a n c e v a l u e o n t h eA C s i g n a l ,t h e l a t t e r o f t h e s e n s o r u n i t u n d e r t e s t s i s c o n v e r t e d i n t o t h e a m p l i t u d e o f A C s i g n a l b y C /Vc o n v e r s i o n c i r c u i t o f o p e r a t i o n a l a m p l i f i c a t i o n ,a n d t h e n c o n v e r t e d i n t oD Cv o l t a g e o u t p u t b yp r e c i s i o n r e c t i f i e r c i r c u i t .I n v i e wo f t h e l a r g e t e m p e r a t u r e v a r i a t i o n o f t h e s e n s o r a p p l i c a t i o n e n v i r o n m e n t ,t h eW i e n b r i d ge o s c i l l a t o r c i r c u i tw i t h a u t o m a t i c g a i n c o n t r o l i s u s e d t o g e n e r a t e s i n u s o i d a l A Cs i g n a l ,a n d t h e j u n c t i o nf i e l d e f f e c t t u b ew i t h z e r o t e m p e r a t u r e c o e f f i c i e n t p o i n t i s s e l e c t e d a s t h e v a r i a b l e r e s i s t o r t og r e a t l y r e d u c e th ei n f l u e n c e o f t e m p e r a t u r e c h a n g e o n t h e o u t p u t a m pl i t u d e .T h e d o u b l e l a y e r s h i e l d i s u s e d t om a t c h t h e C /Vc o n v e r s i o n c i r c u i t t o g r e a t l y i n h i b i t t h e i n f l u e n c e o f t h e p a r a s i t i c c a p a c i t a n c e i n t r o d u c e d b y t h e s h i e l d c a b l e a n d o t h e r s e n s o r u n i t s i n t h e c a p a c i t o r s e n s o r a r r a y o n t h em e a s u r e d s e n s o r u n i t .E x pe r i m e n t r e s u l t s s h o w t h a t t h e m a x i m u mr e l a t i v e e r r o rb e t w e e nt h em e a s u r e dv a l u ea n dt h ea c c u r a t ev a l u em e a s u r e db y LC Rt e s t e r r e a c h e s1.70%w i t h i nt h e c a p a c i t a n c e r a n g e o f 5-50p F .W h e n t h e t e m p e r a t u r e v a r i e s f r o m -40ħt o100ħ,t h e a m p l i t u d e o f t h eo u t p u t s i n u s o i d a l s i g n a l c h a n g e s b y m e r e l y 0.88%.T h e p a r a s i t i c c a p a c i t a n c e o f 1m -l o n g R G 316c o a x i a l s h i e l d e d c a b l e e q u a l s 93p F ,r e s u l t i n g i n t h e d e t e c t i o n r e s u l t d r i f t o f 0.16p Fo n l y.K e yw o r d s :C /Vc o n v e r s i o n ;a u t o m a t i c g a i n c o n t r o l ;W i e n b r i d g e o s c i l l a t o r c i r c u i t ;d o u b l e l a y e r s h i e l d i n g ;p a r a s i t i c c a p a c i t a n c e (责任编辑:任滢滢;文字校对:曾礼娜)㊃065㊃Copyright ©博看网. 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电容式传感器在物料传送测量中的应用
极板之间， 但实际上由于电场边缘效应 的影响 ， 使设计 计算复杂化 、 传感器的灵敏度下降， 非线性度增加。为
或 Ｒ 一 金属膜精密电阻 ， Ｊ ２ 电容应选温度特性好构可采用增设 防 传感
量精度 ， 而且具有较 强的 系统抗干扰 能力。
关 键 词：电容 式传 感器 ； 测量；电容一 电压转换 ； 抗干扰
中图法分类号 ： Ｐ １ Ｔ ２２
文献标识码 ： Ｂ
文章编号 ： ０ ４９ ３ （ｏ ６ ｏ．０ ２０ １０ ．１４ ２ ｏ ）６０ ２ ．３
０ 引 言
许多物料传送检 测系统 中， 计算 物料用量时多使 用平均密度概念， 而实际上物料密度不可能保持恒定 ， 所以由平均 密度引起 的误差在高精度计量 中不可忽
维普资讯
石 油 仪 器 Ｐ Ｔ Ｏ Ｕ Ｎ ｒ Ｕ Ｅ Ｔ Ｅ Ｒ Ｉ Ｍ ＩＳＲ Ｍ Ｎ Ｓ
・
２０ ０６年 １ 月 ２
开发 设计 ・
电容式传感器在物料传送测量中的应用
肖志红 祝 耘 覃 彪 董 浩
陕西 西安）
（． Ｉ 西安石油大学电子工程学院 陕西 西安） （． ２ 中国石油集团测井有限公司测井仪器厂
动时， 如果不考虑边缘电场影响， 电容量 ｃ（ ） 其 Ｆ 与介 质参数之间的关系为
ｃ＝
～ － Ｌ — —
物料介 电常数的变化 ， 综合其它因素及物料具体情况
（） １
ｅＯ ｅｒ ０ ｅ
可得到物料密度 的变化。
电容式传感器有一个重要特征 ， 就是 电容变化量
很小 ， 一般在 ｐ Ｆ级 ， 此特征使 它极易受外界干扰 ， 比
（） ｔ为正弦激励信号 ， 角频率为 。 Ｃ ｌＣ ２ ｓ ｓ 、 表示被
传感器技术 电容式、测量电路
① 驱动电缆法
☻ 原理：驱动电缆法是一种等电位屏蔽法。使用电缆屏蔽 层电位跟踪与电缆相连的传感器电容极板电位，使两电 位的幅值和相位均相同，从而消除电缆分布电容的影响。
11
介质变化型电容传感器
☻ 原理：利用极板间介质的介电常数变化将被测量转换成电
容变化的传感器称为介质变化型电容传感器。 以电介质插
入式为例， C C1 C2
0a
[ r1(
L
x
)
r2x
]
x
L
☻
S dC
应用特性： dx
0a
(
r2
r1
)
① 变介质型电容传感器可用来测量电介质的液位或某些材 料的温度、湿度和厚度等。
② 介质变化型电容传感器常用于非导电液体液位的测量， 其灵敏度与介电常数的差值(ε2-ε1)的值成正比，(ε2-ε1)值 越大灵敏度越高。
2020/6/30
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应用中存在的问题和改进措施
(1) 等效电路(Equivalent circuit)
☎ 考虑电容传感器在高温、高
湿及高频激励的条件下工作，
而不可忽视其附加损耗和电 效应影响时，其等效电路如
C—传感器电容；RP—低频损耗并联电 阻； RS—串联损耗电阻；L—电容器及
图。
引线电感；CP—寄生电容
☎ 在实际应用中高频激励时，每当改变激励频率或者更换 传输线缆时，会使传感器有效电阻和有效灵敏度都发生 变化，因此必须对测量系统重新进行标定。
2020/6/30
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应用中存在的问题和改进措施
CS114电缆束注入传导敏感度测试-EMS测试系统
CS114电缆束注入传导敏感度测试-EMS测试系统
本测试的目的检验EUT承受耦合到与EUT有关电缆上的射频信号的能力。
用于模拟平台外天线发射所产生的电磁场对平台电缆感应的电流
本测试完全符合GJB151B标准CS114测试和校准要求，在测试系统软件支持下完成测试。
频率范围：10kHz-400MHz，可与RS103测试共用功率放大器。
测试设备：测量接收机、射频信号源、功率计、功率探头、功率放大器、定向耦合器、衰减器、电流注入探头、监视探头、校准装置、同轴负载。
测试配置：按照一般要求对EUT进行配置，电流注入探头距离监测探头5cm，监测探头距离被测设备5cm。
信号进行1kHz，50%占空比的脉冲调制，在规定的频率范围内，对所有的互联电缆，按照校准的功率注入干扰，同时检测干扰的电流值，不应超过要求的最大电流值（通过电流探头进行测量）。
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由图可知，低频时Cf的增益较大，100Hz以下时曲线近似线性。改变频率在50kHz到500kHz下观察曲线。此时选择较大的Cf比较合适，拖增益不够，才选择较大的Cf。
图3增益-频率变化曲线
高频下，增益开始减小，此时，Cf=0.1uF的增益刚好适宜测量，都无需衰减，。同时，较大的Cf增益很小且接近0，高频先选择较小的Cf。
接着试取Cs=0.2uF，Cf=0.1nF，1nF，10nF，w=50~500k，Rs=5，
图4增益-频率变化曲线
此时整体趋势和前面一样，所以，高频时若需要大的增益，就选择较小的Cf。要增益便于测量，则Cf的建议取值是低频端大于1uF，小于10uF；高频段大于1nF小于10nF。
本次设计采用交流激励法测量，器电路基本原理如图所示
图1交流激励寄电容测量电路
激励源设为理想交流电压源，即内阻为零，低阻抗输出。测量的时候，输入电压 加压在被测电缆一段，电缆另一段接入放大器。电缆模型等效为一个电阻和电容的并联。测量电路是一个交流放大电路，低阻抗，负载能力强，便于后面电压取样。输出电压 可以反映出寄生电容 的大小。反馈电阻 的作用是它与反馈电容并联，防止输出过大以致饱和，起保护作用。根据测量电路结构，可以推到出输出电压公式
其中其中ω为正弦激励信号源的角频率。如选 值很大，则 ，由式（1.2）可得
符号仅表示参考方向。根据式（1.3）可知，当激励源频率较高的时候，若采用较大的 ，虚部可以等效为0，则有
输出电压值与被测电容值是正比关系，交流电路输出电压与被测电容量呈线性关系它的输出直接反映了被测电容的变化。由于加入了运放，要很高的信噪比、低漂移，因为采用交流激励，所以电荷注入效应影响不大，可以忽略，精度也比较高。同时，当激励源频率较低的时候，采用较小的 ，可以保证较大的输出增益，保证测量的效果。
根据数据显示，常见电缆（截面积在1~2.5mm2）的分布电容数量级在0.1~0.5uF/km左右，电阻在5~30欧姆/km左右。根据数量级，可以假设一些参数取值，估计参数变化的趋势，确定适当的参数取值。试取Cs=0.2uF，Cf=0.1uF，1uF，10uF，w=50~1k，Rs=5，做出增益随频率变化的曲线
刘春2014200535
寄生电容，也称分布电容，一般是指电感，电阻，芯片引脚等在高频情况下表现出来的电容特性。一个电阻等效于一个电容，一个电感，和一个电阻的串联，在低频情况下表现不是很明显，而在高频情况下，等效值会增大，不能忽略。在高频的情况下我们都要考虑到器件的等效电容值，电感值。
电缆一般是由一根或多根相互绝缘的导体和外包绝缘保护层制成。电缆长度较长时，电缆的分布电容会影响电路正常工作，不能忽略。所以对电缆的寄生电容测试具有实际意义。
对电缆的电容计算有经验公式
式中：c——电缆的电容（uF/km）
——相对介电系数
N——多芯电缆的芯数
G——形状系数
测试电路设计
电缆寄生电容的值很小，对于小电容的测量有许多成熟的方法，如交流电桥电容测量法，充/放电电容测量法，交流激励锁相放大电容测量法，电压时间变换的电容测量法，基于电荷放大原理的电容测量法。