电容式传感器是把各种类型的电容器作为传感元件，将被测物理量的变化转换成电容量变化的一种传感器[1]。它被广泛应用于位移、振动、加速度、角度、压力、液位等方面的测量。电容传感器是将决定电容大小的参数变化转化为电容值的变化量的一种器件，而这种传感器中电容值的变化能反映出电容极板的线位移、板间极距的位移、板间介质甚至是几个参数复合量的变化[2]。可以根据电容传感器的灵敏度、非线性误差等特性参数来衡量它性能的好坏。常见的电容传感器可分为变极距式、变面积式和变介电常数式[3]。对于变面积式电容传感器，主要干扰因素是寄生电容和寄生电阻，在设计电路时还要考虑抑制电磁干扰的影响。除了在高温、高湿等恶劣工作条件下，大多数的电容器的灵敏度都不受影响，由于电荷注入问题造成的误差可以忽略不计，所以未过多探讨寄生电容消除的问题。
1 电容式传感系统的组成
本次设计采用差动变面积式电容传感器，电容式传感系统主要包括电容转换电路、差动放大电路和低通滤波电路3部分，系统组成结构如图1所示。其中电容转换电路是整个电路的核心，将电容变化量转化为直流电压信号。选择环形二极管电桥电路进行信号检测转换，由于电容的变化量非常微小，环形二极管电桥的输入信号为高频方波，采用带陷低通滤波器消除高频干扰[4,5]。使用Multisim10软件对电路进行仿真测试，并对电容转换电路输出结果作了简单分析。本次设计采用变面积式电容传感器，理论上不存在线性误差且易于实现。
2 电容转换电路
传感系统中常用的电容检测电路主要有：调谐检测电路、谐振式检测电路、电桥式检测电路、脉宽调制检测电路、双T形二极管电桥检测电路和环形二极管电桥检测电路[6]。无论采用哪种检测方法，核心都是通过专用测量电路来检测电容值的微小变化，并将电容的变化量转化为成正比的频率或电压信号，即进行C/F转换或C/V转换。采用C/F转换电路可直接输出频率信号，易于实现与数字仪器和计算机的连接，但在工程环境中通常存在低频干扰，接口与微机共用电源会带来时钟频率锁定效应[7]。采用C/V转换直接将电容量的微小变换转换为模拟电压输出，在配以A/D转换器就可以将输出信号转化为数字量。
2.1 检测电路的设计
综合各方面因素，本次设计采用环形二极管检测电路，该电路结构简单，线性误差较小且易于实现，环形二极管检测电路如图2所示。环形二极管检测电路由4个二极管首尾相接而成，在A点与地之间加一频率为f的方波，被测电容C1接于C点与地之间，另一被测电容C2接于D点和地之间，电桥的对角线AB之间接入一个电容，在输出端接入一个负载电阻，C/V转换输出电压信号。该电路利用电容的充放电原理，当输入的方波脉冲信号处于不同的正负半周，根据二极管单向导通的原理还有电流方向，对不同电容值的电容充电和放电，经过对角线AB支路的电荷数的多少来计算一个周期内平均电流值，这个平均电流与差动电容器的相对电容变化量存在一定的线性关系。
此电路由电容的充放电过程如下：加在A点与地之间的方波，在正半周时间内，输入信号的电压变化，充电电流经D1对C1充电，同时又经电容C3,然后再经D3对C2充电。可以计算出在这段时间内流经电容C3所在的电桥对角线AB支路的电荷大小。在方波的负半周时间内，外加电压变化，则电容器C1和C2又开始放电。C1的放电电流经过D2,再经由对角线AB支路，而C2的放电电流经过D4。同样可计算出这段时间内流经电容C3所在的电桥对角线AB支路的电荷量，它的方向与充电时相反。在已知方波的频率的情况下，可计算出对角线AB支路的瞬时电流的平均值，通过此电流值可测定电容量变化的数值，电容的变化又与被测非电量成比例，则可得到被测非电量的具体数值。
2.2 电容变换器的仿真
通过环形二极管检测电路，将电容的变化量转换为电压输出，但输出的直流电压是叠加在方波信号源上输出的，相对于高频方波信号来说非常微弱，会受到较大的干扰[8]。可在输出端加一个谐振滤波电路，这样不但能滤除高频信号，保留下来的直流电压信号也无衰减。电路的输入信号是上下对称的高频方波，幅值为10 V,频率为10 kHz, 仿真电路采用350 pF的可变电容代替用静动片组成的电容传感器，电容的变化大致为几十皮法即可。电容变换器的Multisim10软件的仿真电路如图3所示。
若在实际电路中是改变电容传感器动片的位置，而在仿真电路中则将可变电容C1滑变为25%,相应的C2也要变化到75%,经过电容的充放电，C3支路累积了一定的电荷数，电荷数的多少与两个可变电容的差值有关，即可得到这时的平均电流。同理，继续增大两个电容器的差值，改变电容C1为10% ,相应的C2也要变化到90%。这时可计算得不同的电容变化量情况下，输出的直流电压的大小。
对仿真结果分析发现对于高频信号的滤除，尽管电容变换器中接入了低通滤波器，但仿真出来的波形仍存在一些高频的纹波，而不是纯粹的直流信号。将示波器调到相同的状态，增大电容器的相对变化量，高频纹波几乎消失，这就说明了电容的变化量对检测电路造成的影响较大，为了得到更好的输出波形，在实际电路中应尽量增大电容器的变化量，能够有效减小误差。
3 差动放大电路
差动放大电路是将两个输入端上所加信号的差值进行放大再作为输出的放大电路。差动放大器对同时进入两个输入端的噪声等有“清除同相成分的能力”[9]。差动放大器的共模抑制比是其重要的性能指标，差动放大电路的差模增益误差也由环路增益与电阻误差决定。运算放大器自身的共模抑制比无法消除，而信号源阻抗在本设计中也不存在，减小共模信号在电路中的影响，可通过保持电阻的平衡来实现。若电阻不匹配，则输出的电压信号会随着共模分量的变化而变化。
在实际应用中，电容的变化量一般在只有几十皮法或几皮法，电容的变化量非常的微弱，需借助测量电路及其他电路进行检测。通过电容转换器后输出的电压信号只有几十毫伏，电容的变化量可能达不到在仿真电路中所设定的值，为了更容易观测电压信号，可在下一级电路中接入放大电路。从传感器出来的信号都要对其进行正相放大，尤其是在电容转换电路从输出的信号为直流电压，选择正相放大会更为直观。本次设计了可实现反相、同相的差动放大器消除噪声，实现信号放大。差动放大电器仿真电路如图4所示。
用一个直流电压源代替从电容转换器输出的直流信号，运算放大器选择OP07,Ui是输入信号，U′0是11节点的输出电压，Up是运放虚短处的电压。从电容转换器输出的直流信号接入差动放大电路的6节点上，而7节点接地，这种结构的差动放大电路为同相放大器，这种接法能减小从接地端引入的噪声。差动放大电路的差模增益与共模抑制比特性受到所用电阻误差的影响很大，由于电路要求的增益并不是很大，这时图6中输出的U′0与输入的电压Ui在数值上相当于一个电压跟随器。电阻R6、R7,用分压的原理来增大电压，Uo为经放大后的输出电压。电路中的R5是一个电位器，调整R5的阻值即可改变放大电路的增益。最后通过示波器的仿真结果还可计算电路测试的误差。
4 低通滤波电路
通过仿真分析我们发现经过电容变换器后输出的信号并不是纯粹的直流信号，还携带了一些高频的正弦纹波干扰信号，而且在电路的实际搭建的过程中，由于外接了电源，会不可避免地存在由电源造成的50 Hz工频干扰。综上原因，经放大后的信号应该再接入一个低通滤波器，使得最终输出的信号是一个稳定的直流电压，才能达到整个电容式传感系统的最终要求。
带阻滤波器又称陷波器，用于抑制某一频段的信号，而让该频段以外的所有信号通过[10]。典型的双T形带阻滤波器即可实现这样的功能，如果电路的增益KF趋近2时，品质因数将趋向无穷大，带阻滤波电路选频特性就越好，阻断的频率范围愈窄。设计带阻滤波器时，这些参数都是必须考虑在内的。在本设计中，由于带阻滤波就是为了消除可能存在的50Hz工频干扰，所以在设计中要尽量增大其品质因数。在带阻滤波器的输出端再接上一个无源的RC低通滤波即可完成相应功能，得到稳定的直流电压，仿真电路如图5所示。因为滤波电路的设计技术较为成熟，此处并未过多考虑各元件值大小匹配的问题，后续可根据电路具体设计要求选择合适的参数。滤波电路理论上不会对目标信号造成任何衰减，设计时低通滤波的截止频率可以设置得较小，从而得到更好的滤波特性。通过Multisim10软件对电路进行仿真后，我们发现双T形带阻滤波电路的陷波频段范围很小，选频特性良好。
5 结 论
电容式传感器以其非接触测量、稳定性好等优点在非电量的测量中有着非常广泛的应用。因为差动变面积式电容传感器有较明显的边缘效应，对测量的结果会造成一定的影响，可尝试采用变极距型电容传感器，虽然存在非线性误差，就结构而言更易于实现。本次设计的电容传感系统将位移的变化转换为直流电压信号，后续可进一步扩展该传感系统，将温度、角度、液位和加速度等物理量纳入该系统检测范围。在实际工程应用中，影响电容测量精度的因素较多，为了充分发挥电容传感器的优点，改进电容传感器在实际应用中的缺陷，对电容式传感器及其检测系统有一定的借鉴意义。
参考文献
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摘要：传感器技术是现代自动化和信息化产业的重要组成部分，电容式传感器以其非接触测量、稳定性好等优点在微机电系统中有着广泛的应用。提出了一种电容式传感系统数据处理电路的设计方法，阐述了传感系统的组成，主要设计了电容转换电路，差动放大电路和低通滤波电路，在电路设计过程中通过Multisim10软件进行了电路仿真测试和数据分析。经过综合调试，该电容式传感系统灵敏度高，工作状态稳定能够满足实际要求。
关键词：电容式传感器,电容转换电路,差动放大电路,低通滤波电路,电路仿真
