高精度微弱电容检测技术研究

球型极板电容位移传感器通过检测极板间电容的改变量来测量位移,由于极板结构特殊、极板尺寸微小,测量量程内球型电容位移传感器的电容量以及电容变化量极其微小,远小于周围环境中的寄生电容。因此,如何在大的背景噪声干扰中实现传感器微弱电容信号的高精度检测,是球型极板电容位移传感的关键技术,成为进一步提高其测量精度亟需解决的问题。 本课题针对上述问题展开研究,在对球型极板电容传感器的电容特性进行理论研究的基础上,采用交流激励式微弱电容检测方法作为基本原理,对传统的交流激励式微弱电容检测系统各单元进行分析和优化,并在此基础上设计了高精度微弱电容检测系统。课题的主要研究工作如下: 1.球型极板电容传感器电容特性的理论研究: 从静电场理论研究出发,建立传感器瞄准不同被测目标时的电容模型。在所建立的电容模型的基础上,对传感器瞄准不同被测目标时的电容信号进行仿真分析,为微弱电容检测系统的设计提供理论指导。 2.微弱电容检测系统方案设计: 采用T形网络结构以小值电阻替代大值电阻减小交流激励式电容-电压转换电路中由大值反馈电阻热噪声造成的温度漂移的影响;将驱动电缆技术与交流激励式电容-电压转化电路相结合,消除周围环境与电缆附加电容等寄生电容的影响,保证电容信号到交流电压信号的高精度转换。根据相敏解调原理,通过模拟乘法器和8阶巴特沃斯滤波器实现参考信号与调制信号的互相关运算,达到抑制噪声的目的,提高信号解调单元的信噪比。 根据直接数字合成的原理与特点,以专用集成DDS芯片为核心,完成双路相位可调的信号发生单元的设计,为电容-电压转换单元和信号解调单元提供频率、幅值稳定的载波信号和参考信号,克服了传统方法中信号幅值、频率稳定低,依靠模拟移相电路实现调制通道与参考通道的同相关系带来的相位漂移等不足,提高了微弱电容检测系统的精度。 本文在上述检测方案的设计的基础上,完成了相关的硬件电路设计及实现,并设计了相关的实验系统,对所设计的微弱电容检测系统进行了相关的实验,实验结果表明:本系统的电容检测分辨力达0.25fF,示值稳定性为0.7mV/30min,非线性度为1.84%。