一种量程连续可调的电容测量系统技术方案

一种量程连续可调的电容测量系统，基于电容的振荡测量原理，通过由待测电容引入的相角变化，导致的系统振荡频率偏移来测量电容值。该系统利用压电效应引入了机械阻抗，通过调节机械阻抗，改变系统振荡的初始频率，保证电容引入的相角变化处于线性区，实现较大的电容测量量程。该自激振荡系统电路由以下部分构成：自动增益调节环节，相移环节，压电效应正反馈环节。自动增益调节环节由放大电路、峰值检波电路、增益调节电路构成，保证自激振荡的幅值条件；相移环节为包含待测电容的相移电路，使谐振频率产生偏移；压电效应正反馈环节由驱动压电陶瓷、检测压电陶瓷和弹性振动体构成，通过弹性振动体弹性改变机械阻抗，调整系统谐振的中心频率。的中心频率。的中心频率。

【技术实现步骤摘要】
一种量程连续可调的电容测量系统


[0001]本技术涉及电子元器件特性测量领域，具体涉及一种量程连续可调的电容测量系统。

技术介绍

[0002]在柔性制造、人机协作等领域的非结构化环境中，采用柔性力触觉传感器，提高机器人对外界环境的感知能力是提高机器人工作安全性的重要手段之一。其中，柔性电容式力触觉传感器凭借动态范围大、灵敏度高、响应速度快、结构简单、适合微小力测量等特点，受到了研究人员的广泛关注。但是另一方面，柔性电容式力触觉传感器存在采集电路复杂、容易产生寄生电容等问题。为进一步调高该类传感器的性能，国内外研究者在电极、介质层和整体结构方面做了诸多研究。例如，在电极设计方面，提出了叉指电极、浮动梳妆电极；在介质层方面，提出了截断PDMS金字塔结构；在整体结构方面，提出了同面电极、双层电容等结构。
[0003]中国传感器行业目前正朝着智能化、高性能、多功能低成本、高精度、小型化集成化和环保等方向发展。利用寄生电容感应人是否靠近、利用柔性电容制造电子皮肤进行各项身体检测等应用前景无不揭示着电容未来的重要性。也因此，电容的精确测定也显得尤为重要。
[0004]目前，用于测量电容的方法主要有充放电法和振荡法。充放电方法通过测量电容充放电的电压或时间，计算待测电容值。振荡法通过测量由电容组成的电路系统振荡频率的变化，计算待测电容值。由于微小电容的充放电时间极短，所以对微小电容测量时，往往采用振荡法。但是，由于目前测量电路的初始振荡频率不易调节，造成当待测电容引起的相移角位于饱和区时，系统的测量精度将明显降低。

技术实现思路

[0005]针对现有电容测量技术中，由于测量量程不易调节，造成电容引起的相移角位于饱和区时，测量精度较低的问题，提出一种量程连续可调的电容测量系统。其电路包括：自动增益调节环节，相移环节，压电效应正反馈环节。通过压电效应，引入连续可调的机械阻抗改变系统的自激振荡频率，实现电容测量量程的连续调整，并保证待测电容的所引起相移角位于非饱和区。
[0006]一种量程连续可调的电容测量系统，包括依次连接的压电部件、放大电路、峰值检波电路、增益调节电路和包含待测电容的相移电路；
[0007]压电部件包括驱动压电陶瓷、采集压电陶瓷和设置在其中的弹性振动体，弹性振动体连接弹性控制器；
[0008]放大电路、峰值检波电路、增益调节电路构成增益自动调节AGC系统；
[0009]通过基于压电效应引入的机械阻抗，调整系统谐振的中心频率，改变实现电容测量量程；利用待测电容使相移电路产生相位改变，通过电容所引起的系统振荡频率偏移量
得到电容值。
[0010]进一步地，弹性控制器调整初始振荡频率，使待测电容所产生的相移处于相移电路的线性工作区。
[0011]进一步地，弹性振动体为基于颗粒堵塞原理的弹性可变体，包括径向缠绕线、硬质颗粒和柔性气套，径向缠绕线环绕柔性气套，硬质颗粒填充在柔性气套中，柔性气套设有进气口和出气口。
[0012]进一步地，弹性控制器为气压控制器，连接柔性气套的进气口和出气口，通过输入气压的大小改变弹性振动体的弹性和阻抗。
[0013]进一步地，放大电路基于放大器，同相输入端连接电阻R10并接地，反相输入端与压电部件连接，反相输入端和输出端并联电阻R12。
[0014]进一步地，峰值检波电路由二极管、放大器、和RC充放电回路构成；二极管D1并联在放大器反相输入端和输出端之间，二极管D2设置在放大器输出端；放大器同相输入端连接电阻R1并接地，反相输入端连接电阻R2并与放大电路的输出端连接，放大器反相输入端和二极管D2并联电阻R3；RC充放电回路包括并联的可调电阻R11和电容C1，与二极管D2和电阻R3连接。
[0015]进一步地，增益调节电路采用可变增益放大器AD603AQ，同相输入端连接峰值检波电路的反相输入端，反相输入端接地，并接收峰值检波电路的幅值信号和参考电压的输入。
[0016]进一步地，包含待测电容的相移电路，其中放大器的同相输入端和反向输入端均通过电阻连接增益调节电路的输出端，同向输入端通过电容C0连接待测电容C并接地，反相输入端与输出端并联电阻。
[0017]本技术达到的有益效果为：
[0018]（1）该系统利用压电效应引入了机械阻抗，通过调节机械阻抗，改变系统振荡的初始频率，保证电容引入的相角变化处于线性区，实现较大的电容测量量程。
[0019]（2）通过压电效应，引入连续可调的机械阻抗改变系统的自激振荡频率，实现电容测量量程的连续调整，并保证待测电容的所引起相移角位于非饱和区。
[0020]（3）基于放大电压信号的峰值与参考电压的差值，由增益调节环节调整系统增益，保证系统满足自激振荡的幅值条件。
[0021]（4）可变增益放大器增益的变化方向与峰值信号幅值的变化方向相反，这种负反馈控制可实现对系统自激振荡时输出信号的稳幅。
附图说明
[0022]图1为本技术实施例中的电容测量系统的示意图。
[0023]图2为本技术实施例中的电容测量系统的电路仿真图。
[0024]图3为本技术实施例中的系统信号流程图。
[0025]图4为本技术实施例中的基于机电类比的弹性振动体的电路模型。
[0026]图5为本技术实施例中的基于填充颗粒堵塞原理的可变弹性振动体。
[0027]图6为本技术实施例中的相移电路的相频特性。
[0028]图7为本技术实施例中的自激振荡输出波形。
具体实施方式
[0029]下面结合说明书附图对本技术的技术方案做进一步的详细说明。
[0030]一种基于自激振荡原理的电容测量系统。通过基于压电效应引入的机械阻抗，调整系统谐振的中心频率，改变实现电容测量量程；通过放大环节、峰值检波、和增益调节环节构成增益自动调节（AGC）系统，稳定系统谐振；利用待测电容使相移电路产生相位改变，通过电容所引起的系统振荡频率偏移量得到电容值。
[0031]该系统自激振荡电路的前向通路包括，自动增益调节环节和相移环节，反馈通路包含弹性振动体和压电陶瓷。其中，振动体机械阻抗控制器连续调整系统的初始振荡频率，保证待测电容所产生的相移处于相移电路的线性工作区。
[0032]为避免自激振荡电路的振幅不稳定、不易起振等问题，设计基于峰值检波环节和增益调节环节的自动增益调节系统。通过峰值电压信号与参考电压的差值，自动用于调节驱动信号的增益。
[0033]弹性可调节的振动体为基于颗粒堵塞原理的弹性可变体。振动体机械阻抗控制器为气压控制器，即通过输入气压的大小改变振动体的弹性和阻抗，并由实验标定输入气压的大小与振动体阻抗的关系。
[0034]驱动压电陶瓷传递函数把电压信号转变为机械位移信号，而检测压电陶瓷传递函数把机械位移信号转变为电压信号，两者为倒数关系，乘积为1，为此系统传递函数可由图3(a)简化为图3(b)。
[0035]机械阻抗本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种量程连续可调的电容测量系统，其特征在于：所述系统包括依次连接的压电部件、放大电路、峰值检波电路、增益调节电路和包含待测电容的相移电路；压电部件包括驱动压电陶瓷、采集压电陶瓷和设置在其中的弹性振动体，弹性振动体连接弹性控制器；放大电路、峰值检波电路、增益调节电路构成增益自动调节AGC系统；通过基于压电效应引入的机械阻抗，调整系统谐振的中心频率，改变实现电容测量量程；利用待测电容使相移电路产生相位改变，通过电容所引起的系统振荡频率偏移量得到电容值。2.根据权利要求1所述的一种量程连续可调的电容测量系统，其特征在于：弹性控制器调整初始振荡频率，使待测电容所产生的相移处于相移电路的线性工作区。3.根据权利要求1所述的一种量程连续可调的电容测量系统，其特征在于：弹性振动体为基于颗粒堵塞原理的弹性可变体，包括径向缠绕线、硬质颗粒和柔性气套，径向缠绕线环绕柔性气套，硬质颗粒填充在柔性气套中，柔性气套设有进气口和出气口。4.根据权利要求1所述的一种量程连续可调的电容测量系统，其特征在于：弹性控制器为气压控制器，连接柔性气套的进气口和出气口，通过输入气压的大小改变弹性振动体的弹性和阻抗。5.根据权利要求1所述的一...

【专利技术属性】
技术研发人员：申景金，龚臣昊，陈昱均，洪永政，王浩东，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：新型
国别省市：