1.引言

　　電容傳感器在電子測(cè)量技術(shù)中占有十分重要的地位，廣泛應(yīng)用于各種測(cè)量系統(tǒng)。他具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，分辨率高，抗干擾能力強(qiáng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，能在惡劣工況條件下工作，并能實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量等特點(diǎn)。他的基本工作原理是基于被測(cè)物理量的變化可以轉(zhuǎn)換為電容量變化的這一特點(diǎn)。由物理學(xué)可知，電容器的電容量是構(gòu)成電容器的兩極片形狀、大小、相互位置及電介質(zhì)介電常數(shù)的函數(shù)。以平行板電容器為例，當(dāng)不考慮邊緣電場(chǎng)影響時(shí)，其電容量Cx(F)為：
                    

     其中： ε為電容傳感器介質(zhì)的介電常數(shù)(F／m)；

　　S為極板的面積(m2)；δ為極板間的距離(m)。

　　電容傳感器的工作原理正是如此。也就是說當(dāng)極板間的距離發(fā)生變化或極板間的介質(zhì)狀態(tài)參數(shù)發(fā)生變化而使介電常數(shù)ε產(chǎn)生變化時(shí)(如介質(zhì)的溫度、濕度等參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，勻能導(dǎo)致介電常數(shù)的變化)都將引起電容量變化。故可據(jù)此測(cè)量物體的位移以及介質(zhì)的各種狀態(tài)參數(shù)。只要被測(cè)物理量的變化能使電容器中任一種參數(shù)產(chǎn)生相應(yīng)的改變而引起電容量變化，那么再經(jīng)過一定的測(cè)量線路將此變化轉(zhuǎn)換為有用的電信號(hào)輸出，即可根據(jù)這種輸出信號(hào)大小來判定被測(cè)物理量的大小，這就是電容式傳感器的基本工作原理。本文介紹的平行板電容傳感器主要利用了被測(cè)物體介電常數(shù)與密度的關(guān)系，可把介質(zhì)的密度變化與電容變化聯(lián)系起來。電容式傳感器有一個(gè)重要特征，就是電容變化量很小，只有幾十pF甚至幾pF，也就是說檢測(cè)的是電容的微小變化，此特征使他極易受外界干擾。采用并聯(lián)傳感器可以提高電容變化量，但寄生電容的影響仍然不容忽視，嚴(yán)重時(shí)寄生電容將遠(yuǎn)大于本體電容，使有用信號(hào)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(cè)量電路能有效的抑制寄生電容。

　　2 原 理

　　本電路是基于計(jì)算機(jī)控制基礎(chǔ)上的，目的是實(shí)時(shí)精確地檢測(cè)出微小電容的變化。框圖如圖1所示。
                          
     2．1 電容量與電壓值轉(zhuǎn)換

　　其電路如圖2所示。
                  
     Cx為被測(cè)電容，A1為電容電壓轉(zhuǎn)換放大器，他必須具有低噪聲、輸入阻抗高、單位增益帶寬高等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)可使其作為電容傳感器理想的測(cè)量電路。μi(t)為激勵(lì)源(高頻正弦信號(hào)，由信號(hào)發(fā)生器MAX038產(chǎn)生，角頻率為ω)，Cs1：，Cs2：表示被測(cè)電容兩端對(duì)地的分布電容，Cf，Rf分別為反饋電容、反饋電阻。uo(t)為放大器輸出電壓，可得出： 也就是說，只要求出放大器A1輸出電壓的幅值，平行板電容傳感器間介質(zhì)的介電常數(shù)的變化就可求出了。當(dāng)然這就要求激勵(lì)源μi(t)及反饋電容Cf穩(wěn)定。由于被測(cè)電容Cx的一側(cè)極板(激勵(lì)極板)只與低阻抗的信號(hào)源相連，另一檢測(cè)極板總處于虛地，所以其放大器A1輸出電壓的幅值Uo不受寄生電容的影響。這里反饋電阻兄的作用是為運(yùn)算放大器的直流偏置電流提供一個(gè)通路，以防止運(yùn)算放大器輸出漂移而飽和。

　　2．2 電壓檢測(cè)

　　放大器A1輸出電壓uo(t)經(jīng)帶通濾波放大后，送相敏檢波器，作為相敏檢波器的一路輸入：ux信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的500kHz標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)放大后，作為相敏檢波器的另一路輸入uy.本電路中的相敏檢波器使用模擬乘法器AD534，此器件本身具有有源負(fù)反饋和穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓源以及高增益的輸出運(yùn)放。相敏檢波器和低通濾波器的組合稱之為鎖定檢測(cè)放大電路，或解調(diào)電路。原理如圖3所示。
                    
                    
                        
     這是一個(gè)與放大器A1的輸出電壓幅度成正比的直流電壓信號(hào)，他也與被測(cè)電容Cx成正比，此信號(hào)