[实用新型]一种阵列式电容传感器的动态测量电路

说明书

一种阵列式电容传感器的动态测量电路，包括单片机、交叉选通开关阵列、电容信号转换电路、平衡电路、幅度解调电路、电平偏移电路和采样反馈电路；电容信号转换电路将交叉选通开关阵列选通的电容值转换为正弦波信号，平衡电路抵消交叉选通开关阵列选通的两个交叉电极片的静态电容的作用，输出仅反映两个电极片之间的相对于静态电容变化率的微弱不平衡信号；幅度解调电路将微弱不平衡信号的幅值解出后输出给电平偏移电路，电平偏移电路对输出信号作偏移，最终输出有用直流信号。本实用新型根据不同静态电容值自动调整电路参数，准确测出微弱电容的相对变化量。灵敏度高，响应速度快，抗干扰能力强，可以实现规模达数百个通道的电容阵列动态测量。

技术领域

本实用新型涉及传感器装置领域，特别涉及一种阵列式电容传感器的动态测量电路。

背景技术

电容式传感器基本原理是把某种物理量，例如位移、面积、电介质等转化为电容，然后通过测量电容来间接测量所求物理量。电容传感器具有十分广泛的用途。尤其是在高精度检测领域，电容传感器具有无可替代的地位。电容传感器具有灵敏度高、响应快的优点，但是测量电路较为复杂。大部分情况下，电容传感器的电容量比较微弱，电路容易受到自身寄生参数、环境变化的影响，这使得问题变得更加复杂。

常见的微弱电容测量技术有直流充放电法、交流电桥法、V/T转换法和基于运算放大器的负反馈交流激励法。直流充放电法采用直流激励，测量精度容易受到放大器失调电压漂移的影响。另外，该方法要对电容进行快速充放电，需要用到电子开关，电路精度容易受电子开关电荷注入效应的影响。交流电桥法调零比较繁琐，而且容易受到电路寄生电容的影响，实际实施过程中需要复杂的屏蔽措施。该法对小电容的微弱变化测量较为困难。V/T转换法是利用测量电容充放电时间来测量电容值，同直流充放电法一样，测量精度容易受电路直流电压漂移和电子开关注入电荷的影响；从部分公开文献来看，目前微弱电容检测实际应用中测量精度最高的电路是基于运算放大器的负反馈交流激励法。该方法具有很高的分辨率，而且抗寄生电容能力强。另外还有一种高压双边激励检测方法，需要用到高频高压激励信号，仅使用于特定对象和场合，限制条件较多。

在上述电容检测方法中多用于电容的静态测量，然而在许多应用中需要测量电容随时间的动态变化。这除了对电路有精度要求外还有响应速度的要求；对于阵列式电容传感器，还要求电路具有多通道测量能力。

电子触诊技术是一种利用压力反馈及其平面分布来诊断乳腺内部组织硬度信息的技术，可在一定程度上替代传统的人工触诊。该技术所用的传感器是一个电容阵列探头，其结构如图1所示。探头敏感平面的水平和垂直方向上平行分布有窄的金属薄片，两组金属薄片平面之间填充有很薄的弹性绝缘介质。在两个平行平面上各选取一条金属薄片，在交叉处可以构成一个微小的平行板电容，如图2所示。

探头敏感面受力会使绝缘介质压缩，导致电容值发生变化。通过测量电容值的变化可测出交叉点处的压强。在绝缘材料是完全弹性和理想平行板电容的假设下，可推导出交叉点处的压强正比于交叉电容的相对电容变化量：

C₀是交叉点处的初始电容(也称本体电容或静态电容值)，ΔC是受压下的电容变化量，E是绝缘介质的杨氏模量，p是交叉点处的压强。要求电路输出正比于电容相对变化量，而不是静态电容量。

实际应用中，因为交叉点处面积较小，所以基础电容量也比较小，大约在 pF的数量级，这个电容值远小于线缆的寄生电容。另外，因为材料以及其它因素的限制，绝缘介质的应变也非常小，这导致了电容变化非常小，大约在fF 以下量级。

因为探头制造工艺的缺陷，电容单元之间一致性难以保证，探头批次之间的基础电容分布也有一定的差异性。为了获得较为一致的测量性能，要求电路对传感器电容有较强的自适应性。