[發明專利]一種基于二極管開關的充放電式電容傳感器

在審

• 申請號: 201911099116.4
• 申請日: 2019-11-11
• 公開（公告）號: CN111307026A
• 公開（公告）日: 2020-06-19
• 發明（設計）人: 屈少波;王磊;白彥崢;周澤兵
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01B7/02
• 分類號: G01B7/02;G01D5/24;H03F3/45
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 李智

本發明公開了一種基于二極管開關的充放電式電容傳感器，包括：雙極性方波發生器、開關電路、跨阻放大器和差分?單端轉換電路；雙極性方波發生器用于產生雙極性方波，開關電路為二極管開關電路，雙極性方波在所述開關電路的控制下對差分變化的待測電容對進行充放電控制；跨阻放大器用于將充放電電流轉換為一對等大反向的電壓；差分?單端轉換電路用于將跨阻放大器輸出的一對等大反向的電壓轉換為單端電壓并輸出；在所述開關電路、跨阻放大器和差分?單端轉換電路的相互配合下，將待測電容對的相對電容轉換成易測的電壓值；提高了電容差檢測的精度。本發明可以獲得高靈敏度、高分辨率性能，同時具有電路結構相對簡單、功耗較低等優點。

技術領域

本發明屬于高精度電容檢測領域，更具體地，涉及一種基于二極管開關的充放電式電容傳感器。

背景技術

高精度電容式位移傳感器作為一種傳統非接觸式傳感器，具有靈敏度與分辨率高、線性度好、抗干擾能力強等優點，廣泛應用于慣性測量器件中，如加速度計、陀螺儀、地震儀、重力儀、重力梯度儀等精密測量器件中，這類儀器在空間科學、地球科學等領域具有廣泛的用途和重要的地位。目前應用較多的是基于變壓器的橋式電容位移傳感器，該傳感器的分辨率極高，但是電路結構相對復雜，后期處理電路相對繁瑣，不利于實現低功耗的設計要求。

基于電容充放電原理的電容傳感器通常采用模擬開關器件控制充放電過程(如中國發明專利CN 105652099 B、CN 103888128 B)，需要外部控制信號，結構較為復雜，且其動態性能易受到模擬開關器件的動態響應時間、導通電阻等因素的限制。

發明內容

針對現有技術的缺陷，本發明的目的在于提供一種可以實現高精度電容差檢測、同時結構相對簡單的充放電式電容傳感器。

本發明提供了一種基于二極管開關的充放電式電容傳感器，包括：雙極性方波發生器、開關電路、跨阻放大器和差分-單端轉換電路；雙極性方波發生器用于產生雙極性方波，開關電路為二極管開關電路，雙極性方波在所述開關電路的控制下對差分變化的待測電容對進行充放電控制；跨阻放大器用于將充放電電流轉換為一對等大反向的電壓；差分-單端轉換電路用于將跨阻放大器輸出的一對等大反向的電壓轉換為單端電壓并輸出；在所述開關電路、跨阻放大器和差分-單端轉換電路的相互配合下，將待測電容對的相對電容轉換成易測的電壓值；提高了電容差檢測的精度。

更進一步地，雙極性方波發生器包括：晶振、計數器、電壓參考源模塊和模擬開關；晶振產生的頻率經過所述計數器進行分頻后，在所述模擬開關的作用下，與電壓參考源模塊組合而成一個頻率、幅值在一定范圍內可調的雙極性方波，其頻率由晶振和計數器確定，雙極性電壓幅值由基準電壓源確定。

其中，電壓參考源模塊可以由多個電壓參考源并聯，以具有噪聲抑制的效果。

更進一步地，可以選取二極管作為開關控制器件，與雙極性方波配合使用，可以自動的對待測電容對進行充放電，不需要外部開關控制信號。具體地，開關電路包括：二極管D₁、二極管D₂、二極管D₃和二極管D₄。二極管D₁的陽極與二極管D₂的陰極連接待測電容對中的C_a的非公共端，二極管D₁的陰極與二極管D₃的陽極連接跨阻放大器的第1路輸入端；二極管D₄的陽極與二極管D₃的陰極連接待測電容對中的C_b的非公共端，二極管D₄的陰極與二極管D₂的陽極連接跨阻放大器的第2路輸入端。

其中，二極管D₁、D₂、D₃和D₄采用開關二極管型號。優選地，為提高導通電壓等性能參數的一致性，二極管選用雙路或四路集成式高速開關二極管。