下面是小編搜集整理的電容測量電路開題報告，歡迎大家閱讀借鑒!

　　1、課題背景

　　微小電容檢測主要應(yīng)用于電容式傳感器的電容量測量。傳感器是可以將非電量轉(zhuǎn)換為電量的一種器件，在信息的捕獲方面起著非常重要的作用。進(jìn)入信息時代，人們的社會活動主要依靠對信息資源的開發(fā)及獲取、傳輸與處理。傳感器處于研究對象與測試系統(tǒng)的接口位置，一切科學(xué)研究與自動化生產(chǎn)過程要獲取的信息都要通過傳感器獲取并通過它轉(zhuǎn)換為容易傳輸與處理的電信號。

　　2、文獻(xiàn)綜述

　　20世紀(jì)80年代以來，世界各國都將傳感器列為重點(diǎn)發(fā)展的高技術(shù)，倍受重視。傳感器技術(shù)是現(xiàn)代科技的前沿技術(shù)，國外已經(jīng)得到迅速發(fā)展。美、日、德等國的傳感器，都具有較高的技術(shù)性能，除了滿足一般需要外，且能滿足諸如高溫、腐蝕、輻照、惡劣環(huán)境等特殊要求。我國早已把傳感器技術(shù)列為國家八五重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目及中長期科技發(fā)展重點(diǎn)新技術(shù)之一。但由于受國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平及資金的限制，加之對其重要性認(rèn)識不足，致使這個行業(yè)的技術(shù)落后、發(fā)展緩慢、規(guī)模較小、應(yīng)用面較窄。作為眾多類型傳感器中的一種，電容式傳感器有著許多優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用也非常廣泛。電容傳感器是以各種類型的電容器作為傳感元件，通過電容傳感元件，將被測物理量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為便于測量和傳輸?shù)碾妷夯螂娏髁康钠骷�。電容傳感器與其他類型的傳感器相比，具有測量范圍大、精度高、動態(tài)響應(yīng)時間短、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在位移、振動、角度、加速度、壓力、厚度、振幅、液位、成分分析等的測量方面得到了非常廣泛的應(yīng)用，是一種具有良好發(fā)展前景的傳感器。電容式傳感器根據(jù)原理結(jié)構(gòu)形式分為：變間隙式(一般用來測量微小的線位移)，變面積式(一般用于測角位移或較大的線位移)，變介電常數(shù)式(常用于固體或液體的物位測量以及各種介質(zhì)的濕度、密度的測定)。凡是可以轉(zhuǎn)換為間距、面積和介電常數(shù)的量都可以用電容傳感器來測量。

　　電容式傳感器的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)十分明顯：

　　(1)分辨力極高，能測量低達(dá)10-7的電容值或0.01μm的絕對變化量和高達(dá)ΔC/C=100%～200%的相對變化量，因此尤適合微信息檢測;

　　(2)動極質(zhì)量小，可無接觸測量;自身的功耗、發(fā)熱和遲滯極小，可獲得高的靜態(tài)精度和好的動態(tài)特性;

　　(3)結(jié)構(gòu)簡單，不含有機(jī)材料或磁性材料，對環(huán)境(除高濕外)的適應(yīng)性較強(qiáng);

　　(4)過載能力強(qiáng)。但電容式傳感器也存在很多不足，比如：寄生電容影響大，不僅降低了傳感器的靈敏度和精度，而且會使儀器工作不穩(wěn)定，變極距型電容傳感器輸出成非線性，即使其他類型的電容傳感器由于邊緣效應(yīng)的存在，也會出現(xiàn)非線性等。但隨著材料、工藝、電子技術(shù)尤其是集成技術(shù)的高速發(fā)展，成功地解決了電容傳感器在使用中存在的問題，使之成為一種高靈敏度、高精度，在動態(tài)、低壓及一些特殊測量方面大有前途的傳感器。由于傳感器輸出信號一般很微弱，需要有信號調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換電路將其放大或轉(zhuǎn)換為容易傳輸、處理、記錄和顯示的形式。

　　電容式傳感器的信號調(diào)節(jié)電路主要有：

　　(1)運(yùn)算放大器式電路;(2)電橋電路;(3)調(diào)頻電路;(4)諧振電路;(5)二極管T型網(wǎng)絡(luò);(6)脈沖寬度調(diào)制電路。以上各種測量電路都存在寄生電容影響的問題，另外測量結(jié)果的精度還依賴于電源電壓的穩(wěn)定性，而運(yùn)用開關(guān)電容技術(shù)設(shè)計(jì)的電容式傳感器測量電路則克服了這兩個不足。開關(guān)電容技術(shù)本質(zhì)上是一種把模擬量轉(zhuǎn)化成準(zhǔn)數(shù)字量的變換器。利用這種技術(shù)設(shè)計(jì)的電容式傳感器測量電路具有理論上可免除寄生電容的影響，測量結(jié)果與電源電壓無關(guān)，且可與驅(qū)動電路集成在同一芯片上，輸出信號可與計(jì)算機(jī)直接接口等一系列優(yōu)點(diǎn)。利用閉環(huán)運(yùn)算放大器對微小電容進(jìn)行交流放大測量，需要性能優(yōu)良的高頻信號發(fā)生器、高頻放大器和解調(diào)器，才能高精度、高靈敏度、高線性度、高穩(wěn)定度、高分辨率地測量微小電容量，否則難以實(shí)現(xiàn)。采用四相檢測技術(shù)的充放電微電容檢測線路，它具有很強(qiáng)的雜散免疫性，能精確測量0～20pF的微小電容，分辨率達(dá)0.001pF，靈敏度達(dá)1V/pF。用該技術(shù)制造的電容傳感器具有很強(qiáng)的消除雜散電容影響的能力，因而分辨力和靈敏度都很高，并且結(jié)構(gòu)簡單、成本低、體積小，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)、交通、實(shí)驗(yàn)室和科研部門的自動控制領(lǐng)域中。

　　近年來隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電容式傳感器的缺點(diǎn)不斷地被克服，應(yīng)用也越來越廣泛，尤其是出現(xiàn)了數(shù)字式智能化的電容式傳感器，它是一種先進(jìn)的數(shù)字式測量系統(tǒng)。將其測量部件技術(shù)與微處理器的計(jì)算功能結(jié)合為一體，使得測量儀表至控制儀表成為全數(shù)字化系統(tǒng)。數(shù)字式智能化傳感器的綜合性能指標(biāo)、實(shí)際測量準(zhǔn)確度比傳統(tǒng)的傳感器提高了很多�？傊�，隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，電容式傳感器的形式將會多種多樣，其形式應(yīng)以非接觸式為研制重點(diǎn)。其發(fā)展方向是通過廣泛應(yīng)用微機(jī)等高新電子技術(shù)來獲得全面性能的進(jìn)一步提高，同時還要向著小型化、智能化、多功能化的方向發(fā)展。本設(shè)計(jì)是基于電容式加速度傳感器的微小電容檢測。加速度傳感器在經(jīng)歷了近二十年的發(fā)展,在原理、工藝、測試等方面已趨于完善。隨著微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的發(fā)展，采用硅單晶材料和微機(jī)槭加工工藝實(shí)現(xiàn)了電容式微硅加速度傳感器。微型硅加速度傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、功耗低、適合大批量生產(chǎn)。1990年,CSDL所研制出的扭擺式力平衡微硅加速度計(jì)成為90年代微硅加速度計(jì)的典型代表.目前，電容式微硅加速度傳感器也正向三維方向發(fā)展,。電容式加速度傳感器具有溫度效應(yīng)小,靈敏度相對較高,可達(dá)0.01mgn(即1.10～4m/s2)，加工工藝不復(fù)雜等優(yōu)點(diǎn),也是目前應(yīng)用很廣泛的一種加速度傳感器。由于這種電容傳感器電極的極板面積非常小，其電容量只有幾個pF，敏感被測量的變化量就更小，并且終是存在著各種寄生效應(yīng)，而寄生電容的大小有時可與傳感器單元電容變化相比擬，甚至更大，對測量精度將會產(chǎn)生影響。因此需要選擇合適的測量方法和特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得到彌補(bǔ)和解決。

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　　3、本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段(途徑)：

　　本課題要研究的問題是：設(shè)計(jì)出測量電容式傳感器的微小電容的方案要解決的問題：1、把微小的電容量轉(zhuǎn)化并放大為易測量的電量。電容式傳感器有一個重要特征，就是電容變化量很小，只有幾十pF甚至幾pF，無法直接測量，必須采用測量線路將其轉(zhuǎn)換為較大的電壓、電流或頻率信號。2、有效消除寄生電容的影響。在微系統(tǒng)中，往往有較大的寄生電容與檢測電容同時存在，嚴(yán)重時寄生電容將遠(yuǎn)大于檢測電容，使有用信號被寄生電容噪聲淹沒，以至傳感器無法工作。這些寄生電容隨溫度、濕度、位置以及元器件的性能等因素變化而變化，這就要求測量電路能有效的抑制寄生電容。擬采用的研究手段：

　　高頻正弦信號發(fā)生器輸出的激勵信號施加在被測電容Cx上，高頻電容電流被檢測器變換為交流電壓，再通過交流放大器放大后，通過隔離變壓器送到相敏解調(diào)器進(jìn)行解調(diào)。解調(diào)器的對邊臂被兩個互補(bǔ)方波輪流觸發(fā)，解調(diào)后的信號通過低通濾波器濾除高次諧波，得到的直流電壓與被測電容Cx成正比,即得被測量數(shù)據(jù)。