一种小电容测量电路的性能研究

摘要：电容传感器在现代测控技术中越来越倍受推崇。其在压力、压差、位移、加速度等精密测量方面具有非常重要的作用。微小电容测量电路是电容传感器应用中的核心和关键技术。本文详细描述了一种交流激励电容测量电路原理、测量电路设计、电路标定、图形分析等内容。

关键词：电容传感器；电容测量电路；压力传感器；标定

中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：1007-9599 （2013） 02-0000-02

1 概述

电容式传感器在现代测控技术中越来越倍受推崇。其在压力、压差、位移、加速度及气固两相流等精密测量方面具有非常重要的作用，而微小电容测量电路是电容传感器应用中的核心和关键技术。微小电容测量的主要难点有两个：寄生电容（分布电容）的影响和CMOS开关的时钟馈通（电荷注入）效应。

Watanabe、Meijer、Frank、Dowd、Stokes等人对电容传感器接口电路进行了系统研究。本文在基于大量国内外文献的基础上，选择并开发了一种使用较广泛且性能较好的小电容测量电路，使用一个压力式电容传感器作为敏感元件产生微小的电容变化，在一个压力发生平台上使用该敏感元件产生微小的电容变化，从而对该电容测量电路进行了标定实验，比较各个电路的优缺点。

2 交流激励电容测量电路原理

3 微小电容测量电路标定实验平台

当压力计输出的压力经过电容压力敏感元件后，压力即可转化为微小的电容变化。将本文中提到的微小电容测量电路接至压力敏感元件，即可测量敏感元件输出的微笑电容值。

4 电路标定实验结果与讨论

在微小电容测量电路标定实验平台上对电容测量系统进行标定，该平台准确度等级为0.02级，可将压力值成正比的转化为对应电容值，压力输出范围为0.04MPa-0.6MPa，每隔0.01MPa为一个测量点，每一测量点测量10次，进行了正反行程测量。

交流激励电容测量电路标定结果如图4所示。根据测量结果，可的该电路的性能指标为：线性度0.23%，重复性0.29%，迟滞为0.19%，输入输出关系拟合曲线为： 。

综合比较同类电容测量电路，交流激励电容测量电路利用高频激励，可以获得高达1fF的分辨率，所以重复性不错。其次交流电路的迟滞误差最小。

此外，电路的另外一个参数为零位值，即当输入x=0时，输出值y的值。零位值应从测量结果中设法消除。零位值也可以“设置”或“迁移”为非零的数值。交流电路的线性度最好，在以后的具体应用中，可根据实际需要，选择相应的测量接口电路。

参考文献：

[1]Watanabe K， Sakai H， Ogawa S. High-accuracy signal processing of differential pressure transducers，IEEE International workshop on ETIM’96， Italy. 1996：111-118.

[2]F.N. Toth， Meijer. A low-cost， smart capacitive position sensor， IEEE Trans. Instrum.Meas. 41 （1992）：1041-1044.

[3]R.L.Frank， J.P.Schulte， Capacitive Transmitter for pressure measurement， US Patent 4，781，352，1998.

[4]R.D. Dowd， M. Watertone， Capacitive transducing with feedback， US Patent 5，537，109，1996.

[5]B.P. Stokes， N.H. Windham， B. Pierre，Variablecapacitance position transducing， US Patent 5，099，386，1992.