基于CST檢測技術及DFCT電路實現

摘要：討論CST檢測特性，分析了各種CST傳感器檢測電路。對調頻檢測電路造成頻率不穩定進行了較全面的分析，得到影響振蕩頻率的原因以及這些影響的共同特征，從而提出了一種新的差動變頻檢測(DFCT)技術方案。對此方案進行了電路設計制作，檢測試驗。檢測試驗結果表明用于電容差動變頻檢測(DFCT)技術的頻率穩定性比一般的變頻檢測(DFCT)技術高2～3個數量級，得到頻率穩定性很高的檢測電路。
關鍵詞：檢測技術；CST傳感器；動態響應；頻率穩定性；差頻

0 引言
檢測技術作為信息科學的一個重要分支，與計算機技術、自動控制技術和通信技術等一起構成了信息技術的完整學科。在人類進入信息時代的今天，人們的一切社會活動都是以信息獲取與信息轉換為中心，傳感器作為信息獲取與信息轉換的重要手段，是信息科學最前端的一個陣地，是實現信息化的基礎技術之一。
“沒有傳感器就沒有現代科學技術”的觀點已為全世界所公認。以傳感器為核心的檢測系統就像神經和感官一樣，源源不斷地向人類提供宏觀與微觀世界的種種信息，成為人們認識自然、改造自然的有利工具。隨著社會的發展、技術的進步，電容傳感器(CS)在傳感器技術中發揮著越來越重要的作用。
電容傳感器(CS)具有許多優良的特性：
(1)溫度穩定性好
傳感器的電容值一般與電極材料無關，僅取決于電極的幾何尺寸，且空氣等介質損耗很小，因此只要從強度、溫度系數等機械特性考慮，合理選擇材料和幾何尺寸即可，其他因素(因本身發熱極小)影響甚微。
(2)結構簡單，適應性強
電容式傳感器結構簡單，易于制造。能在高低溫、強輻射及強磁場等各種惡劣的環境條件下工作，適應能力強，尤其可以承受很大的溫度變化，在高壓力、高沖擊、過載等情況下都能正常工作，能測超高壓和低壓差，也能對帶磁工件進行測量。此外傳感器可以做得體積很小，以便實現某些特殊要求的測量。
(3)動態響應好
電容式傳感器由于極板間的靜電引力很小，(約幾個10-5N)，需要的作用能量極小，又由于它的可動部分可以做得很小很薄，即質量很輕，因此其固有頻率很高，動態響應時間短，能在幾兆赫茲的頻率下工作，特別適合動態測量。又由于其介質損耗小可以用較高頻率供電，因此系統工作頻率高。它可用于測量高速變化的參數，如測量振動、瞬時壓力等。
(4)可以實現非接觸測量、具有平均效應
當被測件不能允許采用接觸測量的情況下，電容傳感器可以完成測量任務。當采用非接觸測量時，電容式傳感器具有平均效應，可以減小工件表面粗糙度等對測量的影響。
電容式傳感器除上述優點之外，還因帶電極板間的靜電引力極小，因此所需輸入能量極小，所以特別適宜低能量輸入的測量，例如測量極低的壓力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很靈敏，分辨力非常高，能感受0．001 m甚至更小的位移。
不足：輸出阻抗高，負載能力差；寄生電容影響大；輸出特性非線性。

1 CST檢測電路分析
CST的檢測電路非常多，常見的有如下幾種：
1．1 電橋檢測電路
1．1．1 檢測電路
電橋檢測電路原理圖如圖1所示，分為單臂接法和雙臂接法。對圖1(a)單臂接法，電橋平衡時：

1．1．2 檢測電路特點
(1)高頻交流正弦波供電；
(2)電橋輸出調幅波，要求其電源電壓波動極小，需采用穩幅、穩頻等措施；
(3)通常處于不平衡工作狀態，所以傳感器必須工作在平衡位置附近，否則電橋非線性增大，且在要求精度高的場合應采用自動平衡電橋；
(4)輸出阻抗很高(幾兆歐姆至幾十兆歐姆)，輸出電壓低，必須后接高輸入阻抗、高放大倍數的處理電路。
1．2 二極管雙T形檢測電路
1．2．1 電路原理
電路原理如圖2所示，其供電電壓是幅值為±E、周期為T、占空比為50％的方波。若將二極管理想化，則當電源為正半周時，電路等效成典型的一階電路，其中二極管D1導通D2截止，電容C1被以極其短的時間充電，其影響可不予考慮。電容C2的電壓初始值為E，通過Rf放電，放電電流i2。電源為負半周時，D1截止、D2導通，電容C1通過Rf放電，放電電流i1，電容C2則被充電。根據一階電路時域分析的三要素法，當R1=R2=R，可直接得到負載上的電流I0為：

式中：f為充電電源的頻率，電路最大靈敏度發生在1／k1=1／k2=0．57的情況下。