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摘 要:提出了一种基于VT变换的用于电容传感器的电容测量电路。它将被测微小电容变化量转换成时间信号并由单片机进行处理,电路结构简单,电路中没有影响测量稳定性和产生零点漂移的元器件,大幅度地降低了测量过程中的噪声。 电容传感器广泛的应用于多种检测系统中,用以测量诸如液位、压力、位移、加速度等物理量,在某些场合,传感电容的变化量往往仅有几个或几十个皮法大小,这就对电容测量电路提出了更高的要求。目前用于解决测量小电容的方法主要有电荷转移法和交流法,这两种电路的基本测量原理是通过激励信号连续对电容充放电,形成与被测电容成比例的电流或电压信号,从而测量出被测电容值。它们的共同缺点是脉动噪声大,需使用滤波器及考虑相位补偿,电路结构相对复杂,成本也较高 ,本文提出的基于VT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电容的测量,且电路结构简单,稳定性好。
1 测量原理
在电子技术领域内,频率是一个最基本的参数,频率与其他许多电参量的测量方案测量结果都有十分密切的关系,而且,在电子测量中,频率的测量精确度是最高的,如果能将待测电容变换成与频率有关的量如周期,则可大大提高测量精度,本文正是基于这一思路来设计电容传感器的测量电路的。测量电路原理如图1,电流源I0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K1闭合时,基准电压给电容充电至Uc=Us,然后K1断开,K2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Uc=0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2。
 电容电压Uc与放电电流I0的关系为:
令Uc=0,则有:
式(2)中,N为计数器的读数,Tc为计数脉冲的周期,它是一个常数,在Us和I0为定值时,C与N成正比。 2 测量电路元件及参数选择
电流源选用在国内外得到广泛使用的4DH1型精密恒流管,它是以低温度系数,高电流稳定度和起始电压低,可靠性高,恒定电流可调和温度系数可调为特征的精密集成电路恒流器件,输出电流在0.005mA～0.1mA之间,输出动态阻抗大,约为10MΩ。当工作电压在2V～50V范围内波动时,不影响它的电流输出,基准电压Us的选择在考虑测量灵敏度的同时,必须保证恒流源的端电压在正常工作范围内,因为电容放电时,电流源的工作电压为电源电压与电容电压之差。该电路中,电源电压为20V,基准电压取15V。电压比较器的选择主要是考虑它的输入端翻转电平重复性好,即在受到噪声干扰或温度变化时,翻转电压变化要小,LM211的翻转电压约为10mV左右,即使受到干扰,变化应在毫伏级,适合作电压比较元件。单片机为AT89C51,模拟开关选用CD4051。 3 电路实验和结果
因为恒流源4DH1的输出动态阻抗大,模拟开关的导通电阻及串联回路中的寄生电容和分布电容对测量结果不构成影响,但是传感电容两端的寄生电容则会造成测量结果偏离实际值,为了减小这一误差,进行两次测量,第一次测量将传感电容的初始值存入存储器,当输入信号作用在传感器上使电容值发生变化时,进行第二次测量,两次测量的差值与电容的变化量应成正比。实验中,电流源调为50μA,基准电压取15V,电容初始值6800pF,电容步进增量为100pF,实验数据见表1。
 4 误差分析
该电容传感器实际误差±50pF,分辨力30pF,
误差来自以下几个方面: - 电流源的温度漂移及噪声误差,4DH1型恒流管的温度系数在20×10-5℃左右,当环境温度变化范围比较大时,由它引起的误差将影响测量结果,另外,电流源在电子开关接通瞬间,因电流不能突变也会引入误差。
- 过零比较器的重复性误差。当电容电压下降到0伏左右时,比较器翻转,如果每次翻转电平相同,则在程序中可将它补偿掉,但实际应用中总是有微小差别,我们所选用的LM211翻转电平大约在10毫伏左右,重复误差应在几个毫伏,适当提高放电电容的初始电压(即基准电压Us)可有效降低它对测量结果的影响。
- 单片机内部计数器的±1误差,这是所有数字化仪器的固有误差,它引起的时间测量误差为2μS,可忽略不计。
5 结论
本文所提出的基于电压时间变换电容传感器新型电容测量电路,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,测量精度和分辨力高。
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