摘要：讨论CST检测特性，分析了各种CST传感器检测电路。对调频检测电路造成频率不稳定进行了较全面的分析，得到影响振荡频率的原因以及这些影响的共同特征，从而提出了一种新的差动变频检测(DFCT)技术方案。对此方案进行了电路设计制作，检测试验。检测试验结果表明用于电容差动变频检测(DFCT)技术的频率稳定性比一般的变频检测(DFCT)技术高2～3个数量级，得到频率稳定性很高的检测电路。
关键词：检测技术；CST传感器；动态响应；频率稳定性；差频
0 引言
检测技术作为信息科学的一个重要分支，与计算机技术、自动控制技术和通信技术等一起构成了信息技术的完整学科。在人类进入信息时代的今天，人们的一切社会活动都是以信息获取与信息转换为中心，传感器作为信息获取与信息转换的重要手段，是信息科学最前端的一个阵地，是实现信息化的基础技术之一。
“没有传感器就没有现代科学技术”的观点已为全世界所公认。以传感器为核心的检测系统就像神经和感官一样，源源不断地向人类提供宏观与微观世界的种种信息，成为人们认识自然、改造自然的有利工具。随着社会的发展、技术的进步，电容传感器(CS)在传感器技术中发挥着越来越重要的作用。
电容传感器(CS)具有许多优良的特性：
(1)温度稳定性好
传感器的电容值一般与电极材料无关，仅取决于电极的几何尺寸，且空气等介质损耗很小，因此只要从强度、温度系数等机械特性考虑，合理选择材料和几何尺寸即可，其他因素(因本身发热极小)影响甚微。
(2)结构简单，适应性强
电容式传感器结构简单，易于制造。能在高低温、强辐射及强磁场等各种恶劣的环境条件下工作，适应能力强，尤其可以承受很大的温度变化，在高压力、高冲击、过载等情况下都能正常工作，能测超高压和低压差，也能对带磁工件进行测量。此外传感器可以做得体积很小，以便实现某些特殊要求的测量。
(3)动态响应好
电容式传感器由于极板间的静电引力很小，(约几个10-5N)，需要的作用能量极小，又由于它的可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻，因此其固有频率很高，动态响应时间短，能在几兆赫兹的频率下工作，特别适合动态测量。又由于其介质损耗小可以用较高频率供电，因此系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数，如测量振动、瞬时压力等。
(4)可以实现非接触测量、具有平均效应
当被测件不能允许采用接触测量的情况下，电容传感器可以完成测量任务。当采用非接触测量时，电容式传感器具有平均效应，可以减小工件表面粗糙度等对测量的影响。
电容式传感器除上述优点之外，还因带电极板间的静电引力极小，因此所需输入能量极小，所以特别适宜低能量输入的测量，例如测量极低的压力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很灵敏，分辨力非常高，能感受0．001 m甚至更小的位移。
不足：输出阻抗高，负载能力差；寄生电容影响大；输出特性非线性。
1 CST检测电路分析
CST的检测电路非常多，常见的有如下几种：
1．1 电桥检测电路
1．1．1 检测电路
电桥检测电路原理图如图1所示，分为单臂接法和双臂接法。对图1(a)单臂接法，电桥平衡时：
1．1．2 检测电路特点
(1)高频交流正弦波供电；
(2)电桥输出调幅波，要求其电源电压波动极小，需采用稳幅、稳频等措施；
(3)通常处于不平衡工作状态，所以传感器必须工作在平衡位置附近，否则电桥非线性增大，且在要求精度高的场合应采用自动平衡电桥；
(4)输出阻抗很高(几兆欧姆至几十兆欧姆)，输出电压低，必须后接高输入阻抗、高放大倍数的处理电路。
1．2 二极管双T形检测电路
1．2．1 电路原理
电路原理如图2所示，其供电电压是幅值为±E、周期为T、占空比为50％的方波。若将二极管理想化，则当电源为正半周时，电路等效成典型的一阶电路，其中二极管D1导通D2截止，电容C1被以极其短的时间充电，其影响可不予考虑。电容C2的电压初始值为E，通过Rf放电，放电电流i2。电源为负半周时，D1截止、D2导通，电容C1通过Rf放电，放电电流i1，电容C2则被充电。根据一阶电路时域分析的三要素法，当R1=R2=R，可直接得到负载上的电流I0为：
式中：f为充电电源的频率，电路最大灵敏度发生在1／k1=1／k2=0．57的情况下。
1．2．2 电路特点
(1)线路简单，可全部放在探头内，大大缩短了电容引线、减小了分布电容的影响；
(2)电源周期、幅值直接影响灵敏度，要求它们高度稳定；
(3)输出阻抗为R，与电容无关，克服了电容式传感器高内阻的缺点；
(4)适用于具有线性特性的单组式和差动式电容式传感器。
1．3 差动脉冲调宽检测电路
又称差动脉宽(脉冲宽度)调制电路，利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随传感器电容量变化而变化。通过低通滤波器得到对应被测量变化的直流信号。
1．3．1 检测电路
电路原理图如图3所示。
C1，C2为差动式传感器的两个电容，A1，A2是两个比较器，Us为其参考电压，Q为高电位时，通过R1对C1充电，
为高电位时，通过R2对C2充电，D1，D2为放电二极管。当F点电位高于参考电位Us时，比较器A1的输出使双稳翻转，C1放电，C2充电。
1．3．2 原理
利用对传感器电容C1C2的充放电使电路输出脉冲的宽度随电容式传感器的电容量变化而变化，然后通过低通滤波器就能得到对应的被测量变化的直流信号。图3(b)为工作时(C1>C2)电路各点电压波形。
1．3．2 检测电路特点
(1)差动脉冲调宽电路能适用于任何差动式电容传感器，并具有理论上的线性特性；
(2)只采用直流电源，对直流电源稳压要求较高；
(3)对元件无线性要求；经低通滤波器可输出较大的直流电压，对输出矩形波的纯度要求也不高。不存在对载波波形纯度的要求。输出信号一般为100 kHz～1 MHz的矩形波。
1．4 运算放大器式电路
其最大特点是能够克服变极距型电容式传感器的非线性。
1．4．1 检测原理
电路如图4所示。
不难得出：
式中：u为交流电源；C为标准电容；Cx为电容传感器。
由式(10)可见输出电压与电容传感器两极板间距δ成正比关系。
1．4．2 检测电路特点
检测电路特点如下：运算放大器式电路简单；具有理论上的线性特性；运算放大器式电路采用交流稳定度高的电源，存在稳频、波形纯度的要求。
1．5 调频电路
1．5．1 调频检测(FCT)电路
如图5所示，电容传感器接在高频振荡器的LC谐振回路中。Ci为寄生电容，C1为固定电容，C0为传感器初始电容。
该电路为变形的电容三点式振荡电路。
1．5．2 FCT检测电路原理
测量中电容发生变化时，就使振荡频率产生相应变化。将这种变化的频率放大，鉴频后就得到输出信号。
振荡频率(C2>>C，C=C0+Ci+C1)：
1．5．3 FCT检测电路特点
(1)灵敏度高，可测至0．01μm级位移变化量。
(2)频率输出易于得到数字输出，而不需用A／D转换器；
(3)能获得高电平(伏特级)直流信号，抗干扰能力强。
(4)可以发送、接收实现遥测遥控。
(5)电路复杂，须采取稳频措施；电路输出非线性较大。
2 差动对称式变频检测电路(DFCT)
2．1 CST检测电路分析的结论
前述CST检测电路的分析可以看出：各种检测电路有各自的特点；各种检测电路也有各自的条件要求。当不满足这些条件要求时，检测误差增大，甚至不能检测；这些检测电路中，检测精度最高的为FCT电路；FCT电路有许多突出的优点，但条件要求苛刻，对频率的稳定性要求非常高。电路也很复杂。
2．2 影响FCT的因素分析
2．2．1 温度变化的影响
FCT电路的振荡回路中所有的元器件都受到温度的影响，温度使所有的物质服从于“热胀冷缩(或冷胀热缩)的规律，当温度升高时，电阻、电容、电感等电路的基本元器件的线度就要发生变化，使其基本特性变化，比如电容，当温度T升高，则：
T↑→S↑→d↓→C↑
电路中的非线性元器件的各种参数也会发生很大的变化，这些变化都会影响振荡频率的稳定性。
2．2．2 电源波动的影响
首先电源波动会使非线性元件的工作点变化，同时也会影响非线性元件的输入电容产生微小的变化，这是因为非线性元件大多具有PN结，电源波动会影响PN结的势垒电容微小的变化。这都使电路的分布电容Ci发生变化，从而使振荡频率变化。其次电源波动会使RC，LC的充放电时问常数变化，直接影响振荡频率。
2．2．3 时间的影响
随着时间的延长，构成基本元器件的金属会慢慢被腐蚀变薄，介质会逐渐老化，这些都会使基本元器件的特性变化，如电容量、电阻值、电感量、晶体管的放大倍数、输入电阻等发生微小变化。显然都会影响振荡频率。另外外界环境如电磁干扰、压强变化等等都应考虑。
2．2．4 影响的共性分析
对同一个位置、同一个瞬时、同样的元器件，上述的各种影响应是相同的。即各种影响量的大小和正负符号是相同的，都属于共模信号，若设上述的各种影响对振荡频率产生一个变化量△f。利用物理实验中的消去法原理，即差动电路的设计方法则可以解决变频检测技术中的最大难题，即频率高度稳定的问题。
2．3 DFCT检测电路方案
2．3．1 DFCT检测电路的组成
由对称的两套LC振荡电路构成，变频后的差频送入低通滤波器，只选出其差频信号经波形变换和整形后输出。电路方框图如图6所示。
振荡电路A内的选频回路接有电容Cs，输出频率为fs；振荡电路B内的选频回路接有电容传感器Cx，输出频率为fx；由于Cs大于Cx的最大值，所以fx大于fs。经混频电路差拍出频率f=fx-fs。低通滤波器滤除fx，fs及两者的和频和高次谐波，低通滤波器的转折频率为混频输出频率的最大值fxmax，如图7所示。
2．3．2 DFCT检测电路工作原理
图8是依据DFCT检测电路组成设计出的电路原理图。T1和T2构成对称的两套LC振荡电路，即LC和LC’，LC和LC’的元器件基本对称。选择LC振荡电路是基于其简单，谐波多，频率稳定性差；便于比较。注意振荡电路LC’内的电容传感器Cx和振荡电路LC内的C2的制作采用完全一样的材料与尺寸。电容传感器的容量变化范围为Cx=1～15 pF，设分布电容C0=2 pF，L=200μH，LC谐振回路总的电容变化范围C=11～25 pF。频率变化范围约为2．25～3．40 MHz。LC’的谐振回路总的电容C’=25 pF，LC电路输出频率约为2．25 MHz。
T3是混频器，输出的差频范围为0～1．15 MHz。2L与2C3构成无源低通滤波器，转折频率为1．15 MHz。A1，A2采用TL082高速双运放，A1构成二阶有源低通滤波器，转折频率为1．15 MHz，以-40 dB／10倍频衰减。A2构成滞回比较器，具有波形转换与选幅整形功能。调节3W1可调节选择幅度高低。
3 检测实验
3．1 实验仪器
实验仪器有恒温箱LP／HS-100、温度计(范围为0～100℃)、频率计XL801、稳压电源DF1733、示波器DS3062M。
3．2 实验步骤
(1)将电容传感器间隙调到最小，调L磁芯使f1=f2；
(2)恒温箱温度设置为20 ℃，电容传感器间隙调到最大。用示波器测出点1(T1发射极)，2(T2发射极)，3(OUT)处的波形，用频率计测出点1、2、3处的频率。
(3)然后依次将保温箱温度调到30 ℃，40℃，50℃，60℃，测出点1、2、3处的频率。
(4)将稳压电源调到14 V，10 V重复步骤(2)。
3．3 实验数据处理
表1是当改变温度时，电容传感器调到最小值，变频检测电路与差动变频检测电路输出频率的变化数据表。表2是当电源电压变化±10％时，电容传感器调到最小值，变频检测电路与差动变频检测电路输出频率的变化数据表。
3．4 实验结果及结论
从试验数据得出差动变频检测电路的相对误差和绝对误差都比一般变频检测电路小2～3个数量级。表明DFCT变频检测电路的频率稳定性很高，达到设计的要求。
4 结语
对FCT检测电路进行分析，得出诸多优点，设计出差动DFCT变频检测电路。试验结果表明：这种差动变频检测电路的相对误差和绝对误差都比一般变频检测电路小2～3个数量级。频率稳定性高，能根本克服FCT电路对频率稳定性要求很高的难点。