具有连续可变分辨率的电容传感器电容差检测方法研究

摘要

电容传感器是一类应用广泛的传感器。电容检测技术是传感器领域的重要研究内容。大多数电容传感器的检测原理都与电容的变化量有关，随着现代科技的进步，尤其是集成技术的快速发展，电容传感器向着小型化、微型化发展，电容传感器的电容相对变化量越来越小，甚至小于万分之一。在保证分辨率的前提下，测量如此微小的变化量对检测电路的分辨率提出了非常高的要求。即使采用相对法进行测量，抵消本底电容的影响，仍然不能满足许多应用场合的需求，例如压/触觉检测或其它大动态的传感器应用。常规的电容测量手段受到量化精度的限制，量程和分辨率通常是一对矛盾，往往需要牺牲分辨率获取宽量程或者牺牲量程获取高分辨率。虽然采用自动量程切换、对数量化等技术能够在一定程度上兼顾量程和分辨率，然而它们存在量程切换交界处测量误差大、量化非均匀等问题。为了实现大动态、宽量程的电容差测量，同时在全量程范围内保证恒定的精度，研究并发展一种具有连续可变分辨率的电容差检测具有重要的意义。针对这一问题，本文做了如下工作：
　　（1）本文在传统的电容数字转换器（CDC）的基础上，提出了一种开关电容的电荷差测量方法，从而实现了分辨率连续可变的差值电容测量。在此基础上，进一步实现了对任意被测容量进行分辨率自动优化的功能，达到了对任意被测电容都始终接近于满量程状态下测量的效果，均保持高分辨率和较低的误差。
　　（2）实现了该方法中关键的电容差检测电路，并对实际应用中影响测量性能的各种非理想因素进行了建模分析，对激励源对称性、运放的非理想参数、电子开关漏电等因素引起的误差进行了分析，逐一阐明其引起误差的机理和规律。在此基础上提出了一种综合的校准补偿方法，能够消除上述非理想因素导致的测量误差。
　　（3）为了验证本文提出的检测原理和校准方法的正确性和有效性。实现了一款宽量程、具有连续可变分辨率的电容差检测通用电路模块。完成了电路设计、器件选型、软件设计和最终的性能测试。
　　测试结果表明，在传感器电容差跨度达到100倍时，具有可变分辨率的电容差检测装置测量始终保持0.03％相对分辨率（相当于全量程范围内始终保持传统方法约80％满量程时的等效测量分辨率），同时电容值测量误差始终小于5％，验证了检测系统的有效性。
　　本文提出的具有可变分辨率的电容差检测方法，不仅能够满足电容传感器电容相对变化量小的测量需求，还能够在保证精度的前提下大幅拓展电容式传感器的测量动态范围，将在机器触/压觉、应力/形变检测、工业自动化、汽车电子等领域有广泛的应用前景。

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第一章 绪论

1.1课题的研究背景及研究意义

1.2电容传感器检测方法的研究现状

1.3论文的研究内容及章节安排

第二章 电容传感器及电容检测方法基础

2.1电容传感器的原理

2.2电容的检测方法

2.3 CDC电容转换理论

2.4电荷放大器的基本原理

2.5本章小结

第三章 具有连续可变分辨率的电容传感器电容差检测方法

3.1具有连续可变分辨率的电容差测量原理

3.2非理想特性的误差分析

3.3电容差检测电路的校准方法

3.4本章小结

第四章 具有连续可变分辨率的电容差检测系统设计

4.1检测系统的总体方案

4.2检测系统关键模块的硬件电路设计及测试

4.3软件设计实现

4.4本章小结

第五章 系统的性能测试及结果分析

5.1实验配置及实验条件

5.2电容差检测功能测试

5.3具有可变分辨率电容差检测模块的性能测试

5.4本章小结

第六章 总结与展望

6.1工作总结

6.2展望

参考文献

致谢

作者简介

附录：完整电路图