电容式传感器的高速高分辨测量

   电容式传感器的机械控制系统通常在其前端部分带有驱动器,其反馈电路部分有传感器,因此其可用来测量位置、速度或者加速度这些参量。为了维持系统的稳定性,这些传感器的信号收集时间比机械驱动器的时间常数要短得多。即使数据收集时间少于1ms,依然要求有较高的信号分辨率。

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   当功耗已经是非主要问题时,实现超高速的高分辨率传感器系统是可行的。在类似于图4.3的某一实验装置中[23],前端采用高性能现成元件,利用该前端测量电容,其在⒛0u的时间内测得电容值为2.2pF,并且误差小于104=基于相同的原理,Heida叮开发了一种用于柔性接口的集成电路原型,其可用来测量广泛的电容值且测量时间也有多种选择24=。这种接口电路与图4.3有着许多相似之处。然而,该电路结构通过优化前端电路噪声从而提升了其整个电路的噪声性能。此外在该电路中,电容-电压转换器(CⅤC)中的反馈电容与终端用户连接,因此利用传感器芯片外的电容可以优化电路的动态测量范围,从而可以将传感器的分辨率提升1~10倍。该接口电路适合”0pF的电容式传感器。测量时间可以设置为较宽的范围,从50ms JO,对应于数据收集速率从

⒛样本/s到10000样本。对于较慢的测量时间来说,测量精度会非常高。例如,当测量时间为10s,测量某-1pF以内的电容时,其平均值的分辨率高达0.5aF,同时测量10pF以内的电容,并且寄生电容达到鸽0pF,测得的非线性误差小于5×105。另一方面,对于数据收集速度为10000样本/s的超高速测量,每次测量依然获得了13ht的分辨率。上述传感器测量特性均是在一块3m`的硅基芯片上获得的,同时其能耗为5mw。

    最后一项要`点是,在本章参考文献[笏]中Xh等人提出了一种采用类似于放大技术的电容一数字转换器。这一技术消除了电容式传感器的失调电压从而使整个传感器的动态范围均可根据需要来改变其电容值。并且其宣称该传感器的功耗小于15mw。利用该传感器,仅需⒛旷的转换时间,可以获得17bit分辨率和2.2pJ/step的优值,从而展现了电容式传感器在高速高分辨率应用中的巨大潜力。