基于CST检测技术及DFCT电路实现

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。