电容式传感器转换电路

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摘 要：首先介绍了将电容转换为与其值成正比的直流电压信号（C/U转换）或时间信号（C/t转换）的几种方法，接着重点分析了一种利用容抗法实现的C/U转换电路，并给出了具体参数。最后简单阐述了在生产科研活动中如何利用低功耗电容式传感器的电容转换电路对一些非电量进行测量。

关键词：电容；传感器；转换；测量

在生产科研活动中，经常要对温度、压力等非电量进行测量，使得现代传感器技术有了飞速的发展。电容式传感器的检测元件可将被测非电量变换为电容量，然后通过对电容值的测量得到相应的非电量的值。由此可见对电容值进行测量是有实际意义的。在数字化测量技术中，为实现对电容所测值进行数字显示，通常是将被测电容Cx先转换成与其成正比的直流电压信号（称C/U转换）或时间信号（称C/t转换）。这里介绍一些具体的转换方法，并详细讨论一个典型的C/U转换电路。

1、测量电容的几种转换方法

⑴ 充电法测电容

图1是这种方法的原理图。集成运放反向输入端所加的基准电压Ur经电阻R对被测电容Cx进行充电，当输出电压Uo达到预先设定的额定值时就停止充电。在Ur和R为定值的情况下，显然充电时间t的长短与Cx成正比。由图1可写出其关系式：

只要测出时间t的大小，就可得知Cx的值。利用这种C/t的转换方法测电容，其可测范围为10μf-999.9μf。

⑵ 充放电法测电容

图2是这种方法的原理图之一，它由窗口比较器对电容的充放电进行控制。基准Ur先对Cx进行充电，当两端电压达到额定值时就对地放电，当电容两端电压降低到一个额定值时再次充电。Cx如此反复的充放电，就形成一个周期为T的震荡电压波形，T值与Cx成正比，因此通过测量时间T的大小就可得知Cx的值。这种通过C/t转换测量电容若配上单片机电容量的分辩率可达（0.5-1）×10-3乘以电容满度值，可测范围为0-200μF。

和上述方法相似的另一种测量方式是称为换向式的测量法，它也是先充电后放电，但放电到-Ur为止通过测量放电的持续时间Td得知Cx的大小，这种方法的优点是对充电电源及放大器参数要求不严格，测量误差小，分辨力可达0.1pF，能满足电容传感器的要求。

⑶ 脉宽调制法测电容

图3是这种方法的原理图。它是在如图所示的单稳态触发器的触发端输入一个脉宽为tw，周期为T的矩形波，在阈值为TH加被测电容Cx。通过Cx充放电在输出端得到一个周期仍为T，但脉宽tw即占空比q=tw/T随Cx成比例变化的矩形波（所以称为脉宽调制）。如果能设法测出tw的值，则Cx也可得，这显然也属于用C/t转换法测电容。由于q随C/x改变是输出的矩形波电压平均值Uo值随之而变，即表明Cx与Uo成正比，所以只要能Uo并测出它的数值，就可以得出Cx的值，显然这属于通过C/U转换测电容。脉宽调制法测电容的范围为0-20μF，最高分辨别率为1μF，它的缺点是测量前都要手动调零，从而延长了测量时间。

⑷ 容抗法测电容

图4是这种方法的原理电路图。运放处于线性工作，Ui是幅度及频率fo均恒定的正弦测试信号。电容中通过正弦交流信号时，其容抗为Xc=1/（2πfoCx），当fo恒定时，Xc与Cx成反比。

2、按容抗法实现的C/U转换电路的设计与分析

根据容抗法测量原理，为实现C/U转换，必须有正弦信号发生器，C/ACU转换电路，AC/DC转换电路，滤波器及辅助电路等。

由集成运放N1，电阻R1-R5和C1-C2组成RC桥式振荡器，其中C1R1和C2R2组成RC串并联网络，R3R4R5组成负反馈网络，通过调整R3R4R5 的值使略大于3满足起振的条件，即R4+R5>2R3。运放N2是一级反向输入的缓冲放大器，其电压增益为A = -（R7+RP1）/R6其中RP1为校准电位器，调节RP1可改变N2的电压增益。由运放N3、电阻RS和电容Cx组成测量电容的主电路，其功能是实现C/ACU的转换。由运放N4、电阻R9- R11和电容C3- C4组成二阶有源带通滤波器，其中心频率fo = 400HZ因此有源带通滤波器只允许400HZ信号通过，这样就得到一个纯正的400HZ的正弦波。由集成运放N5、二极管VD3-VD5电阻R13- R16和，电位器RP2和电容C5- C8组成精密整流电路，电路中的R12是N5的同向端输入电阻，R13、 R14为负反馈电阻可将N5偏置在线性放大区并控制运放的增益。

3、电容式传感器的应用

电容式传感器的检测元件将被测非电量变换为电容量变化后，用测量线路（C/U转换电路）把电容容量的变化变换为电压，再通过电压与电容的关系得出非电量的值。可应用在测气体的浓度、油箱油量、导电液体液位等等。

这种电容式转换电路具有线性度好、准确度高、电路简单、成本小、功耗低等特点可应用于一些小型、便携式装置中。例如数字万用表就是利用容抗法实现C/U转换输出平均值电压再配以高分辩率的液晶A/D转换器把模拟量转换成数字量来测量电容的。

参考文献：

[1]沙占友等.数字万用表应用技巧 .北京：国防工业出版社，1997

[2]张捷贤.关于C/U转换电路的探讨.沈阳工业大学学报 ，1999

[3]陈炜炜.电容式传感器方案比较与设计要点[J].科技风. 2008（12）