電容式傳感器的高速高分辨測(cè)量

   電容式傳感器的機(jī)械控制系統(tǒng)通常在其前端部分帶有驅(qū)動(dòng)器,其反饋電路部分有傳感器,因此其可用來(lái)測(cè)量位置、速度或者加速度這些參量。為了維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性,這些傳感器的信號(hào)收集時(shí)間比機(jī)械驅(qū)動(dòng)器的時(shí)間常數(shù)要短得多。即使數(shù)據(jù)收集時(shí)間少于1ms,依然要求有較高的信號(hào)分辨率。

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   當(dāng)功耗已經(jīng)是非主要問(wèn)題時(shí),實(shí)現(xiàn)超高速的高分辨率傳感器系統(tǒng)是可行的。在類(lèi)似于圖4.3的某一實(shí)驗(yàn)裝置中[23],前端采用高性能現(xiàn)成元件,利用該前端測(cè)量電容,其在⒛0u的時(shí)間內(nèi)測(cè)得電容值為2.2pF,并且誤差小于104=基于相同的原理,Heida叮開(kāi)發(fā)了一種用于柔性接口的集成電路原型,其可用來(lái)測(cè)量廣泛的電容值且測(cè)量時(shí)間也有多種選擇24=。這種接口電路與圖4.3有著許多相似之處。然而,該電路結(jié)構(gòu)通過(guò)優(yōu)化前端電路噪聲從而提升了其整個(gè)電路的噪聲性能。此外在該電路中,電容-電壓轉(zhuǎn)換器(CⅤC)中的反饋電容與終端用戶(hù)連接,因此利用傳感器芯片外的電容可以?xún)?yōu)化電路的動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍,從而可以將傳感器的分辨率提升1~10倍。該接口電路適合”0pF的電容式傳感器。測(cè)量時(shí)間可以設(shè)置為較寬的范圍,從50ms JO,對(duì)應(yīng)于數(shù)據(jù)收集速率從

⒛樣本/s到10000樣本。對(duì)于較慢的測(cè)量時(shí)間來(lái)說(shuō),測(cè)量精度會(huì)非常高。例如,當(dāng)測(cè)量時(shí)間為10s,測(cè)量某-1pF以?xún)?nèi)的電容時(shí),其平均值的分辨率高達(dá)0.5aF,同時(shí)測(cè)量10pF以?xún)?nèi)的電容,并且寄生電容達(dá)到鴿0pF,測(cè)得的非線性誤差小于5×105。另一方面,對(duì)于數(shù)據(jù)收集速度為10000樣本/s的超高速測(cè)量,每次測(cè)量依然獲得了13ht的分辨率。上述傳感器測(cè)量特性均是在一塊3m`的硅基芯片上獲得的,同時(shí)其能耗為5mw。

    最后一項(xiàng)要`點(diǎn)是,在本章參考文獻(xiàn)[笏]中Xh等人提出了一種采用類(lèi)似于放大技術(shù)的電容一數(shù)字轉(zhuǎn)換器。這一技術(shù)消除了電容式傳感器的失調(diào)電壓從而使整個(gè)傳感器的動(dòng)態(tài)范圍均可根據(jù)需要來(lái)改變其電容值。并且其宣稱(chēng)該傳感器的功耗小于15mw。利用該傳感器,僅需⒛曠的轉(zhuǎn)換時(shí)間,可以獲得17bit分辨率和2.2pJ/step的優(yōu)值,從而展現(xiàn)了電容式傳感器在高速高分辨率應(yīng)用中的巨大潛力。