微小电容测量电路

Ｖｏ１．２８，Ｎｏ．５　Ｈｅｉｌｏｎｇ￣ｉａｎｇ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｏｃｔ．２０ｏ６　微小电容测量电路　邱桂苹　，于晓洋　，陈德运　（１．哈尔滨理工大学测控技术与通信工程学院，黑龙江哈尔滨１５００８０；　２．哈尔滨理工大学计算机与控制学院，黑龙江哈尔滨１５００８０）　

摘要：针对目前微小电容测量电路的测量方法进行分析和比较。介绍了代表性电容测量电路的基本原理，评　述了各种电路的优缺点以及主要技术指标。并指出微小电容测量电路的发展趋势。　关键词：电容传感器；微小电容；测量电路　中圈分类号：ＴＭ９３０．１１１　文献标识码：Ａ　文章编号：１００２—１６６３（２ｏｏ６｝０５—０３６２—０５　

Ｍｉｃｒｏ・－－ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ＱＩＵ　Ｇｕｉｐｉｎｇ　，ＹＵ　Ｘｉａｏｙａｎｇ　，ＣＨＥＮ　Ｄｅｙｕｎ２　（１．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ—Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ＆Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｓｃｈｏｏｌ，Ｈａｒｂｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｅｈｎｄｏｇｙ，Ｈａｒ—　ｂｉｎ　１５００８０．Ｃｈｉｎａ；２．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ＆Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｃｈｏｏｌ。Ｈａｒｂｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ　１５００８０，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｍｉｃｒｏ—・ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｐｏｐｕｌａｒ　ｎｏｗ　Ｗａｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒａｓ・・　ｔｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆａ　ｔｙｐｉｃａｌ　ｍｉｃｒｏ—ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｃｉｒｃｕｉｔ　Ｗａｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｔｈｅ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ａｎｄ　ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｏｆ　ａｌｌ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ　ｗｅｉ＇￣ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ　ａｓ　ｗｅｌｌ，ｉｔｓ　ｄｅｖｅｌｏ－　ｐｉｎｇ　ｔｒｅｎｄ　Ｗａｓ　ａｌｓｏ　ｐｏｉｎｔｅｄ　ｏｕｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ　ｓｅｎｓｏｒ；ｍｉｃｒｏ—ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ；ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｃｉｒｃｕｉｔ　

电容式传感器是将被测量的变化转换成电容　量变化的一种装置。电容式传感器具有结构简　单、分辨力高、工作可靠、动态响应快、可非接触测　量，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工　作等优点已在工农业生产的各个领域得到广泛应　用¨】。例如在气力输送系统中，可以用电容传感　器来获得浓度信号和流动噪声信号，从而测量物　料的质量流量；在电力系统中，采用电容传感器在　线监测电缆沟的温度，确保使用的安全；由英国曼　彻斯特科学与技术大学（ＵＭＩＳＴ）率先开发的电容　层析成像（Ｅｃｒ）技术是解决火电厂煤粉输送风一　粉在线监测等气固两相流成分和流量检测的有效　途径　Ｊ，其中微小电容测量是关键技术之一。　电容传感器的电容变化量往往很小。结果电　容传感器电缆杂散电容的影响非常明显。特别在　电容层析成像系统中被测电容变化量可达０．０１　ｐＦ，属于微弱电容测量，系统中总的杂散电容（一　

收稿日期：２００６—０４—２０　作者简介：邱桂苹（１９７９一），女，哈尔滨理工大学硕士研究生。　

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般大于１００　ｐＦ）远远大于系统的电容变化值，且　杂散电容会随温度、结构、位置、内外电场分布及　器件的选取等诸多因素的影响而变化，同时被测　电容变化范围大　Ｊ。因此微小电容测量电路必　须满足动态范围大、测量灵敏度高、低噪声、抗杂　散性等要求。　

１　充／放电电容测量电路　充／放电电容测量电路基本原理如图１所示。　由ＣＭＯＳ开关Ｓ，将未知电容Ｃ，充电至　，再由　第二个ＣＭＯｓ开关ｓ：放电至电荷检测器。在一　个信号充／放电周期内从Ｃ，传输到检波器的电荷　量Ｑ：　・Ｃ，在时钟脉冲控制下，　放电过程以　频率，＝１／Ｔ重复进行，因而平均电流，ｍ：　・Ｃ，　・，ｏ该电流被转换成电压并被平滑，最后给出一　个直流输出电压　＝　，・，ｍ＝　，・　・　・，（　，　为检波器的反馈电阻）　】。　

维普资讯 http://www.cqvip.com 第２８卷第５期　黑龙江电力　２００６年１０月　ｃ　ｕ０　厂］厂］ｒ－１　］ｒ－］厂　

图１　充／放电电容检测电路　形放电电容测量电路典型的例子为差动式　

直流充放电Ｃ／Ｖ转换电路，如图２所示。ｃ＆和　ｃｓ，分别为源极板和检测极板与地间的等效杂散　电容（通过分析可知，它们不影响电容ｃ　的测　量）。Ｓ　一Ｓ　是ＣＭＯＳ开关，Ｓ。和Ｓ　同步，Ｓ　和　Ｓ　同步，它们的通断受频率，的时钟信号控制，每　个工作周期由充／放电组成。分析可得电路输出为　Ｖｏ＝２ｒ￣ｓｖ．ｃ．ｆ　（１）　式中，　为差分放大器Ｄ　的放大倍数。　该电路的主要优点是能有效地抑制杂散电　容，而且电路结构简单，成本很低，经过软件补偿　后电路稳定性较高，获取数据速度快。缺点是电　路采用的是直流放大，存在较大的漂移；另外，　放电是由ＣＭＯＳ开关控制，所以存在电荷注入问　题Ｌ５　Ｊ。目前该电路已成功应用于６、８、１２电极的　ＥＣＴ系统中。其典型分辩率可达３　ｘ　１０　Ｆ　Ｅ　Ｊ’［９】。　

２　ＡＣ电桥电容测量电路　

ＡＣ电桥电容测量电路　如图３所示，其原　理是将被测电容在一个桥臂，可调的参考阻抗放　在相邻的一个桥臂，二桥臂分别接到频率相同／幅　

值相同的信号源上，调节参考阻抗使桥路平衡，则　被测桥臂中的阻抗与参与阻抗共轭相等。这种电　路的主要优点是：精度高，适合作精密电容测量，　可以做到高信噪比。　图３电路的缺点是无自动平衡措施，为此可　采用图４所示的自动平衡ＡＣ电桥电容测量电　路。该系统输出　为一直流信号，ＡＣ为传感器　的电容变化量。　

ｖ，ａｃ－（ｃ。＋ＡＣ—Ｃ。・　）　一ｇｚ　

．　（２）　式中，　为相敏因子。　结合平衡条件，在理论上输出　可写成　（△ｃ）＝ＡＣ…鲁・　・　㈤　

图３　ＡＣ电桥电容测量电路　获得该电桥的自动平衡过程的步骤为：保证　电桥未加载时ＡＣ＝０，测量电桥非平衡值并利用　公式（３）计算出电桥输出为零时所需的反馈信号　的值。重新测量桥路的输出，若输出为零，则　桥路平衡；若输出不为零，重复上述测量步骤，直　

ｓ。，　ｒ＿］广］厂］厂　ｓ　！：ｒ＿］厂］ｒ－１　ｒ＿］　

（ａ）电路　（ｂ）开关波形　图２差动式直流充／放电电路　・－・——３６３・－・——　

维普资讯 http://www.cqvip.com Ｖｏ１．２８，Ｎｏ．５　Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｏｃｔ．２ＯＯ６　图４自平衡ＡＣ电桥电容测量电路　至桥路输出为零，即桥路平衡为止。该电桥电容　测量电路原理上没有考虑消除杂散电容影响的问　题，为此采取屏蔽电缆等复杂措施，而且其效果也　不一定理想。通过实验测得其线性误差能达到４－　１×１０一　Ｆ　Ｅ引。　

３　交流锁相放大电容测量电路　

交流型的Ｃ／Ｖ转换电路基本原理如图５所　示【９］。正弦信号　（ｔ）对被测电容进行激励，激　励电流流经由反馈电阻　，、反馈电容Ｃ，和运放组　成的检测器Ｄ转换成交流电压　（ｔ）：　图５交流电容测量电路　Ｕｏ（ｔ）＝一丽ｊｗＲ．Ｃ，　（ｔ）　（４）　若　＞＞１，则（４）式为　Ｕｏ（ｔ）＝一　（ｔ）　（５　式（５）表明，输出电压值正比于被测电容值。　为了能直接反映被测电容的变化量，目前常用的　是带负反馈回路的Ｃ／Ｖ转换电路。这种电路的　特点是抗杂散性、分辨率可高达０．４×１０　Ｆ［。】．【　。　一３６４一　由于采用交流放大器，所以低漂移、高信噪　比，但电路较复杂，成本高，频率受限。　４　基于　ｊ『１变换的电容测量电路　测量电路基本原理如图６所示，电流源，ｏ为　４ＤＨ型精密恒流管，它与电容Ｃ通过电子开关Ｋ　串联构成闭合回路，电容Ｃ的两端连接到电压比　较器Ｐ的输入端，测量过程如下：当Ｋ。闭合时，　基准电压给电容充电至　＝　，然后Ｋ。断开，Ｋ：　闭合，电容在电流源的作用下放电，单片机的内部　计数器同时开始工作。当电流源对电容放电至　＝Ｏ时，比较器翻转，计数器结束计数，计数值　与电容放电时间成正比，计数脉冲与放电时间关　系如图７所示。　

图６测量电路原理图　电容电压　与放电电流，ｏ的关系为：　Ｕ　ｃ＝Ｕｌ一　；ｌｏｄｔ＝　ｔｏｃｔ　（、６、）　

令　＝Ｏ，则有：　Ｉ　ｃ・ｔ　Ｉｏ・ＮＴｃ　一　一　

式中，Ⅳ为计数器的读数；　为计数脉冲的周期；　它是一个常数；在　和，ｏ为定值时，ｃ与Ⅳ成正　比。　

维普资讯 http://www.cqvip.com 第２８卷第５期　黑龙江电力　２００６年ｌ０月　图７　电容放电时间与计数脉冲的关系　基于　变换的电容测量电路，对被测电容　只进行一次充放电即可完成对被测电容的测量。　采用了电子技术中准确度较高的时间测量原理，　克服了传统测量微弱信号电路中放大器的稳定性　不好、零点漂移大等缺点，且电路结构简单、测量　精度和分辨率高¨引。　

５　基于混沌理论的恒流式混沌测量电路　恒流式混沌电路如图８所示，其工作原理如　下：当Ｋ　、Ｋ　断开时，Ｋ，闭合。电容Ｃ充电使　＝　，

然后Ｋ，断开，待周期为ｔ的脉冲序列　中　

的一个脉冲到达Ｇ（逻辑电路）时，Ｇ的输人信号　使Ｋ　闭合，Ｋ　保持断开（此时相当于图９中的　点），电容开始以一０．５１ｏ的恒定电流放电。　当　＝０时，相当于电路中的　点，比较器翻　转，输出电压　由高电平变为底电平，　的变化　促使Ｇ变化，使Ｇ控制Ｋ　闭合、Ｋ　断开，此时电　

Ｓｌ／　——————　

图８恒流式混沌电路　容Ｃ由恒定电流，０充电，使　按　一　方向上　升。当又一个脉冲到来时（相当于图８中　点），Ｇ又开始变化，使Ｋ　断开、Ｋ　闭合，又一个　放电充电过程开始。这样周而复始的放电充电使　的变化如图ｌ０所示，只要适当调整，０和ｔ就　可以使电路处于混沌状态。　

／　＼　一　ｔ／ｓ　圈９恒流混沌电路的混沌轨道　这种方法突出的优点是测量的分辨率高，测　量的绝对误差不随被测电容值的变化而改变，对　作为传感器的元件只要求稳定即可。当被测电容　很大时，相对误差还会减小。此方法除了可以直　接测量电容外，也可以作为电容式传感器测量其　它电量和非电量¨¨。　

６　基于电荷放大原理的电容测量电路　基于电荷放大原理的电容测量电路¨　如　

图１０基于电荷放大电容测量电路　一３６５—　

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