專利名稱：傳感器電容檢測裝置及傳感器電容檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及傳感器電容的檢測技術(shù)，更具體地說，涉及為了更精確地進(jìn)行微小電容的測定而可將測定電容的電容傳感器與檢測器之間的連接線的電位固定起來的傳感器電容檢測裝置及方法。
背景技術(shù)：
圖1表示一種現(xiàn)有實例的傳感器電容檢測裝置，所述傳感器電容檢測裝置用于測定如電容式麥克風(fēng)等、在各種頻率下其電容值發(fā)生變化的傳感器的電容。如圖1所示，所述傳感器電容檢測裝置包括具有反饋電阻Rf的運算放大器OP和用于發(fā)生交流電壓Vin的交流電壓發(fā)生器OSC，并在運算放大器OP的輸入端子和交流電壓發(fā)生器OSC之間通過信號線L連接有傳感器電容Cs。
圖1所示的現(xiàn)有實例的傳感器電容檢測裝置，通過來自交流電壓發(fā)生器OSC的交流電壓Vin，使傳感器電容Cs中產(chǎn)生電流。由于運算放大器OP的輸入阻抗在理想狀態(tài)下為無窮大，而且運算放大器OP的兩個輸入端子處于虛短路狀態(tài)，因而可從運算放大器OP的輸出端子得到如下的輸出電壓Vout＝-(jωinCs)·Rf·Vin通過對所述輸出電壓Vout進(jìn)行信號處理，可以獲得與傳感器電容Cs相對應(yīng)的值。
在圖1所示的現(xiàn)有實例的傳感器電容檢測裝置中，作為反饋阻抗使用了電阻Rf。設(shè)Vin＝V·sinωint，并且當(dāng)設(shè)定傳感器電容Cs根據(jù)所施加的物理量，以固定的基準(zhǔn)電容Cd為中心且以角頻率ωc發(fā)生變化，即Cs＝Cd+ΔC·sinωct時，輸出電壓Vout可如下表示
Vout＝-Rf[(Cd+ΔC·sinωct)·ωin·cosωint+ΔC·ωc·cosωct·sinωint]V·sinωint從上式可知，輸出電壓Vout含有與傳感器電容的角頻率ωc成比例的項，從而具有與傳感器電容Cs的變化頻率相關(guān)的頻率特性。
因此，需要在傳感器電容檢測裝置的后面部分設(shè)置處理電路，用來消除與所述角頻率ωc成比例的項，這樣將導(dǎo)致裝置整體的規(guī)模變大。
于是，提出了這樣一種裝置，即，所述裝置使用反饋電容器來代替運算放大器OP的反饋電阻Rf，由此可獲得與傳感器電容的角頻率ωc不相關(guān)的輸出電壓Vout。圖2表示使用了所述反饋電容器Cf的傳感器電容檢測裝置，所述裝置的輸出電壓Vout可如下表示Vout＝-(Cd+ΔC·sinωct)/Cf·V·sinωint從上式可知，由于輸出電壓Vout不具有與傳感器電容的變化頻率相關(guān)的特性，因此不必設(shè)置用于消除與角頻率ωc成分成比例的項的附加電路。
在圖2所示的傳感器電容檢測裝置中，由于使用了反饋電容Cf作為運算放大器的反饋阻抗，因而在連接所述電容Cf與傳感器電容Cs的信號線L上沒有外部電流的流入流出。因此，信號線L處于電氣懸浮狀態(tài)，電位變得不穩(wěn)定，并將導(dǎo)致電路輸出飽和為電源電壓等，因此存在電路不能正常運行的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為解決上述現(xiàn)有的問題而進(jìn)行的，其目的在于，使得在傳感器電容檢測裝置中，即使在運算放大器的反饋電路中使用電容的情況下，也可以固定信號線的電位。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的傳感器電容檢測裝置是一種用于檢測電容傳感器的電容的傳感器電容檢測裝置，其中，所述電容傳感器的電容隨物理量的變化而變化，其特征在于，所述傳感器電容檢測裝置包括電壓發(fā)生器，用于供給交流電壓或直流電壓中的至少一種；運算放大器；電容器；阻抗變換器；信號線，其一端連接有可連接電容傳感器的傳感器連接部分，另一端分別連接有所述阻抗變換器的輸入端子和所述電容器；以及第一電阻，其兩端連接在所述信號線和基準(zhǔn)電壓上；其中，所述電壓發(fā)生器的輸出端子連接在所述運算放大器的輸入端子上，在所述運算放大器的反饋環(huán)上插入了所述電容器和所述阻抗變換器。
這里，既可以設(shè)定所述第一電阻，使得在所述信號線和所述第一電阻之間幾乎沒有電流的流入流出，也可以設(shè)定所述第一電阻，使得當(dāng)將電容傳感器連接到信號線上、且所述電容傳感器的電容發(fā)生變化時，從所述信號線觀看所述第一電阻時的阻抗大于從所述信號線觀看所述反饋環(huán)或所述電容傳感器時的阻抗。
此外，本發(fā)明的傳感器電容檢測裝置是一種用于檢測電容傳感器的電容的傳感器電容檢測裝置，其中，所述電容傳感器的電容隨物理量的變化而變化，其特征在于，所述傳感器電容檢測裝置包括電壓發(fā)生器，供給交流電壓或直流電壓中的至少一種；運算放大器；電容器；阻抗變換器；信號線，在一端連接有可連接電容傳感器的傳感器連接部分，在另一端分別連接有所述阻抗變換器的輸入端子和所述電容器；以及第二電阻，其兩端連接在所述信號線和所述阻抗變換器的輸出端子上；其中，所述電壓發(fā)生器的輸出端子連接在所述運算放大器的輸入端子上，在所述運算放大器的反饋環(huán)上插入了所述電容器和所述阻抗變換器。
這里，既可以設(shè)定所述第二電阻，使得在所述信號線和所述第二電阻之間幾乎沒有電流的流入流出，也可以設(shè)定所述第二電阻，使得當(dāng)將電容傳感器連接到信號線上、且所述電容傳感器的電容發(fā)生變化時，從所述信號線觀看所述第二電阻時的阻抗高于從所述信號線觀看所述反饋環(huán)或所述電容傳感器時的阻抗。
此外，當(dāng)所述電容傳感器的電容的變化頻率在音頻波段時，所述第一電阻或所述第二電阻最好為10MΩ以上。此外，所述阻抗變換器也可以由電壓跟隨器形成。而且，所述傳感器電容檢測裝置還可以包括屏蔽部件，電氣屏蔽所述信號線的至少一部分；保護(hù)電壓施加部件，向所述屏蔽部件施加與所述信號線的電壓同電位的電壓。
此外，傳感器的電容變化不僅包括頻率上的變化，還包括所有的時間上的變化，例如，還包括平穩(wěn)地上升或下降的變化，以及瞬間上升的數(shù)字信號的變化等。
此外，為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明是一種用于檢測電容傳感器的電容的傳感器電容檢測方法，其中，所述電容傳感器的電容隨物理量的變化而變化，其特征在于，所述方法由下述步驟構(gòu)成將電容傳感器的一端和電阻的一端連接在被串聯(lián)插入到運算放大器的反饋環(huán)中的電容器及阻抗變換器的連接點上；向所述運算放大器輸入交流電壓或直流電壓中的至少一種；以及，從所述運算放大器的輸出端子輸出與傳感器電容相對應(yīng)的輸出電壓；其中，通過設(shè)定使得在所述電容傳感器的電容發(fā)生變化時，從所述信號線觀看所述電阻時的阻抗大于從所述信號線觀看所述反饋環(huán)或所述電容傳感器時的阻抗。
這里，本發(fā)明是一種用于檢測電容傳感器的電容的傳感器電容檢測方法，其中，所述電容傳感器的電容隨物理量的變化而變化，其特征在于，所述方法由下述步驟構(gòu)成將電容傳感器的一端和電阻的一端連接在被串聯(lián)插入到運算放大器的反饋環(huán)中的電容器及阻抗變換器的連接點上；向所述運算放大器輸入交流電壓或直流電壓中的至少一種；以及，從所述運算放大器的輸出端子輸出與傳感器電容相對應(yīng)的輸出電壓；其中，也可以通過設(shè)定使得在所述電容傳感器的電容發(fā)生變化時，在所述信號線與所述電阻之間幾乎沒有電流的流入流出。


圖1是現(xiàn)有實例的傳感器電容檢測裝置的電路圖；圖2是現(xiàn)有實例的另一傳感器電容檢測裝置的電路圖；圖3是本發(fā)明第一實施例的傳感器電容檢測裝置的電路圖；圖4是本發(fā)明第二實施例的傳感器電容檢測裝置的電路圖；圖5是圖3所示的第一實施例中所具有的阻抗變換器的具體結(jié)構(gòu)電路圖；圖6是使用圖3所示的傳感器電容檢測裝置進(jìn)行實機測試所得的結(jié)果圖表。
具體實施例方式
圖3是本發(fā)明第一實施例的傳感器電容檢測裝置的電路圖。所述傳感器電容檢測裝置包括第一運算放大器OP1和阻抗變換器Hiz，第一運算放大器OP1的輸出端子經(jīng)電容器C連接在阻抗變換器Hiz的輸入端子上。這里，阻抗變換器Hiz也可以如圖5所示那樣以電壓跟隨電路構(gòu)成，其中，所述電壓跟隨電路由反相輸入端子和輸出端子被短路的第二運算放大器OP2構(gòu)成。所述電壓跟隨電路將同相輸入端子設(shè)為所述電路的輸入端子，其輸入阻抗高而輸出阻抗低，并且，輸入輸出增益的絕對值為1。在阻抗變換器Hiz的輸入端子上還連接有信號線L，在所述信號線L的另一端連接有電極(傳感器連接部分的電極)P1，所述電極P1形成電容傳感器的一端。在圖3中，信號線L的部分用粗實線來表示。其中，傳感器連接部分沒有示出。電容傳感器另一端的電極P2連接在基準(zhǔn)電位，即給定電位上?；鶞?zhǔn)電位也可以是接地電位。電容傳感器另一端的電極P2雖然也可以處于懸浮狀態(tài)，但是與基準(zhǔn)電位連接時更能進(jìn)行高精度的檢測。
電容傳感器是電極P1及電極P2之間的電容、即傳感器電容Cs隨所接收的物理量(加速度、壓力、氣體、光以及聲波等)的變化而變化的傳感器，例如電容式麥克風(fēng)、微位移電容傳感器等。
第一運算放大器OP1的同相輸入端子連接在基準(zhǔn)電位(包括接地電位的給定的DC電位)上，而由交流電壓發(fā)生器OSC經(jīng)第一電阻R1向反相輸入端子施加交流輸入電壓Vin(角頻率ωin)。交流電壓發(fā)生器OSC還經(jīng)第一電阻R1及第二電阻R2連接在阻抗變換器Hiz的輸入端子上。第一運算放大器OP1的輸出端子連接在傳感器電容檢測裝置的輸出端子OUT上，從所述輸出端子OUT輸出輸出電壓Vout。
第二阻抗R2、電容器C及阻抗變換器Hiz構(gòu)成第一運算放大器OP1的反饋電路。
信號線L還與第三電阻R3的一端相連，所述電阻R3的另一端連接在基準(zhǔn)電位(包括接地電位的給定電位)上。設(shè)定第三電阻R3，使得當(dāng)電容傳感器被連接在信號線L上、而且電容傳感器的電容發(fā)生變化時，從信號線L觀看所述第三電阻R3時的阻抗大于從信號線L觀看反饋環(huán)或所述電容傳感器時的阻抗。
圖6表示使用圖3所示的傳感器電容檢測裝置進(jìn)行實機測試所得的結(jié)果。在所述實機測試中，傳感器電容Cs在音頻波段(20Hz～20KHz)上變化，例如將其頻率設(shè)為fc(＝ωc/(2π))＝1KHz，第一電容器C＝0.5pF。然后，將第三電阻R3的值進(jìn)行各種變化，測定信號和噪聲，并基于這些測量值求出S/N比。如圖6所示，從所述實機測試的結(jié)果可知，最好選用10MΩ以上的阻抗作為第三電阻R3。然而，由于S/N比還根據(jù)時間常數(shù)的不同而發(fā)生變化，因此也可以根據(jù)所述時間常數(shù)來確定第三電阻R3的值，其中，所述時間常數(shù)由傳感器電容Cs的變化頻率fc和第一電容器C的電容來確定。另外，對于音頻波段中的進(jìn)行實機測試的其他頻率來說，根據(jù)經(jīng)驗可以推測其具有相同的趨勢。
通過使用高電阻作為第三電阻R3，經(jīng)所述電阻連接信號線L、即阻抗變換器Hiz的輸入端子和基準(zhǔn)電位時，雖然在所述電阻的兩端產(chǎn)生了電位差，但流經(jīng)傳感器電容Cs的交流電流幾乎不流過第三電阻R3，因而所述電阻R3處于沒有電流流入流出的狀態(tài)。
下面，對圖3所示的第一實施例的傳感器電容檢測裝置的檢測動作進(jìn)行說明。另外，在下述中，設(shè)第一運算放大器OP1的同相輸入端子、電容傳感器的電極P2及交流電壓發(fā)生器OSC的一端接地，并且，使用具有如圖5所示結(jié)構(gòu)的電壓跟隨器作為阻抗變換器Hiz。
(傳感器電容的檢測)根據(jù)第一運算放大器OP1和第二運算放大器OP2以及第一電阻R1和第二電阻R2，可在第二運算放大器OP2的輸出端子獲得將交流輸入電壓Vin放大了-R2/R1倍的電壓V2。即，V2＝-R2/R1·Vin(1)另一方面，由于第二運算放大器OP2的輸入阻抗很高，且電位固定電路的輸出阻抗很高，所以流經(jīng)傳感器電容Cs的交流電流幾乎全部流向電容器C。即，在電位固定電路的電阻R3和信號線L之間沒有電流的流入流出。此外，由于第二運算放大器OP2的兩個輸入端子處于虛短路狀態(tài)，因而為相同電位，所以，第二運算放大器OP2的同相輸入端子的電壓也為V2，若設(shè)Vin＝V·sinωint，則流向傳感器電容Cs的電流為Is＝dCs·V2/dt (2)從而，從公式(1)可得Is＝-(R2/R1)·dCs·Vinsinωint/dt(3)另外，流經(jīng)電容器C的電流Ic為Ic＝dC(Vout-V2)/dt (4)由于流經(jīng)電容器C的電流Ic和流經(jīng)傳感器電容Cs的電流Is相等，所以，來自輸出端子OUT的輸出電壓Vout可通過公式(3)及公式(4)可表示為Vout＝-(R2/R1)·(1+Cs/C)·V·sinωint (5)從公式5可知，輸出電壓Vout與傳感器電容Cs成線性關(guān)系，因此，可通過對所述輸出電壓Vout進(jìn)行信號處理來獲得傳感器電容Cs的值。
(傳感器電容的變化部分的檢測)下面說明當(dāng)如電容式麥克風(fēng)等那樣，傳感器電容Cs以某個電容值Cd為中心并以角頻率ωc變化時，對所述變化部分的檢測，即，對下述情況下的ΔC的檢測，Cs＝Cd+ΔC·sinωct。
如上所述，在第一電容器C中流通的電流i全部流經(jīng)傳感器電容Cs，因此，傳感器電容Cs中所存儲的電荷與第一電容器C中所存儲的電荷相等。
C(Vout-V2)＝Cs·V2(6)然后，對公式(6)進(jìn)行變形，并由于Vin＝dCs·V2/dt，所以得出以下公式(7)Vout＝(-R2/R1)·(1+Cs/C)·V·sinωint＝(-R2/R1)·V·sinωint(1+Cd/C+ΔC·sinωct/C)(7)這樣，輸出電壓Vout不具有對傳感器電容Cs的變化頻率的相關(guān)性，所以可獲得與傳感器電容Cs的變化部分ΔC成線性關(guān)系的輸出。
在圖3所示的實施例中，用于固定信號線的電位的第三電阻R3被連接在基準(zhǔn)電位(包括零電位的給定電位)上，但是，當(dāng)使用圖5所示的電路作為阻抗變換器時，也可以代替基準(zhǔn)電位，將其連接在第二運算放大器OP2的輸出端子上。圖4表示將高阻值的第三電阻R3如上述連接在信號線L和第二運算放大器OP2的輸出端子上時的第二實施例。
在所述第二實施例中，信號線L被固定在由電流電壓Vin和輸入端子的電位確定的電位上。此外，第三電阻R3連接在第二運算放大器OP2的反相輸入端子和同相輸入端子之間，并且，所述兩個輸入端子處于虛短路狀態(tài)，從而在理想的狀態(tài)下為相同電位，因此，在第三電阻R3的兩端沒有電位差，所流通的電流為零。由此，流經(jīng)傳感器電容Cs的電流全部為流經(jīng)電容器C的電流，從而在信號線L與第三電阻R3之間沒有電流的流入和流出，進(jìn)而可實現(xiàn)精度更高的電容檢測。
在第一及第二實施例中，第三電阻R3也可以使用二極管、晶體管等。當(dāng)使用二極管時，可利用其反偏狀態(tài)下的高阻抗，當(dāng)使用晶體管時，可利用其關(guān)斷狀態(tài)下的高阻抗。
此外，在第一及第二實施例中，使用了交流電壓發(fā)生器OSC，但也可以使用直流電壓發(fā)生器。當(dāng)將直流電壓設(shè)為V時，在電容傳感器施加某些物理量后，所述電容傳感器的電容發(fā)生變化，進(jìn)而輸出Vout也變化。此時，公式(5)及公式(7)分別可表示為Vout＝-(R2/R1)·(1+Cs/C)·V(5)’Vout＝(-R2/R1)·(1+Cd/C+ΔC·sinωct/C)·V (7)’此外，通過使用屏蔽線(圖中未示出)包覆一部分或全部的信號線L來進(jìn)行電氣屏蔽，并且，向所述屏蔽線施加與信號線的電位同電位的保護(hù)電壓，由此，可降低在信號線與基準(zhǔn)電位之間形成的寄生電容的影響，并可進(jìn)一步提高輸出電壓的S/N比。
由于本發(fā)明具有如上結(jié)構(gòu)，因此，通過將連接電容傳感器與第二運算放大器的信號線的電位經(jīng)下述電阻固定在給定的基準(zhǔn)電位上，可以避免信號線處于懸浮狀態(tài)，從而可穩(wěn)定電路的運行，其中，所述電阻是如下設(shè)定的給定電阻，即，當(dāng)將電容傳感器連接到信號線上、且所述電容傳感器的電容發(fā)生變化時，從信號線觀看電阻時的阻抗大于從信號線觀看反饋環(huán)或電容傳感器時的阻抗。
此外，通過將用于固定信號線電位的、如上述設(shè)定的電阻連接在第二運算放大器的輸出端子與信號線之間，可以使經(jīng)所述電阻和信號線流通的電流在理想狀態(tài)下為零，從而可以進(jìn)行更加準(zhǔn)確的電容檢測。
工業(yè)實用性本發(fā)明的傳感器電容檢測裝置可以作為電容式傳感器的檢測電路來使用，特別是，可以作為用于精確檢測微小電容的電容檢測裝置或便攜式電話機等小型、輕便的設(shè)備中所安裝的麥克風(fēng)裝置的電路來使用。
權(quán)利要求
1.一種傳感器電容檢測裝置，用于檢測其電容隨物理量的變化而變化的電容傳感器的電容，其特征在于，所述傳感器電容檢測裝置包括電壓發(fā)生器，用于供給交流電壓或直流電壓中的至少一種；運算放大器；電容器；阻抗變換器；信號線，其一端連接有可連接電容傳感器的傳感器連接部分，另一端分別連接有所述阻抗變換器的輸入端子和所述電容器；以及第一電阻，其兩端連接在所述信號線和基準(zhǔn)電壓上，其中，所述電壓發(fā)生器的輸出端子連接在所述運算放大器的輸入端子上，在所述運算放大器的反饋環(huán)上插入了所述電容器和所述阻抗變換器。
2.如權(quán)利要求1所述的傳感器電容檢測裝置，其特征在于，設(shè)定所述第一電阻，使得在所述信號線和所述第一電阻之間幾乎沒有電流的流入流出。
3.如權(quán)利要求1所述的傳感器電容檢測裝置，其特征在于，設(shè)定所述第一電阻，使得在將電容傳感器連接到信號線上、且所述電容傳感器的電容發(fā)生變化時，從所述信號線觀看所述第一電阻時的阻抗大于從所述信號線觀看所述反饋環(huán)或所述電容傳感器時的阻抗。
4.一種傳感器電容檢測裝置，用于檢測其電容隨物理量的變化而變化的電容傳感器的電容，其特征在于，所述傳感器電容檢測裝置包括電壓發(fā)生器，用于供給交流電壓或直流電壓中的至少一種；運算放大器；電容器；阻抗變換器；信號線，其一端連接有可連接電容傳感器的傳感器連接部分，另一端分別連接有所述阻抗變換器的輸入端子和所述電容器；以及第二電阻，其兩端連接在所述信號線和所述阻抗變換器的輸出端子上，其中，所述電壓發(fā)生器的輸出端子連接在所述運算放大器的輸入端子上，在所述運算放大器的反饋環(huán)上插入了所述電容器和所述阻抗變換器。
5.如權(quán)利要求4所述的傳感器電容檢測裝置，其特征在于，設(shè)定所述第二電阻，使得在所述信號線和所述第二電阻之間幾乎沒有電流的流入流出。
6.如權(quán)利要求4所述的傳感器電容檢測裝置，其特征在于，設(shè)定所述第二電阻，使得在將電容傳感器連接到信號線上、且所述電容傳感器的電容發(fā)生變化時，從所述信號線觀看所述第二電阻時的阻抗大于從所述信號線觀看所述反饋環(huán)或所述電容傳感器時的阻抗。
7.如權(quán)利要求1至6中任一項所述的傳感器電容檢測裝置，其特征在于，當(dāng)所述電容傳感器的電容的變化頻率在音頻波段時，所述第一電阻或所述第二電阻為10MΩ以上。
8.如權(quán)利要求1至7中任一項所述的傳感器電容檢測裝置，其特征在于，所述阻抗變換器由電壓跟隨器形成。
9.如權(quán)利要求1至8中任一項所述的傳感器電容檢測裝置，其特征在于，所述傳感器電容檢測裝置還包括屏蔽部件，電氣屏蔽所述信號線的至少一部分；保護(hù)電壓施加部件，向所述屏蔽部件施加與所述信號線的電壓同電位的電壓。
10.一種傳感器電容檢測方法，用于檢測其電容隨物理量的變化而變化的電容傳感器的電容，其特征在于，所述方法由以下步驟構(gòu)成將電容傳感器的一端和電阻的一端連接在被串聯(lián)插入到運算放大器的反饋環(huán)中的電容器及阻抗變換器的連接點上；向所述運算放大器輸入交流電壓或直流電壓中的至少一種；以及從所述運算放大器的輸出端子輸出與傳感器電容相對應(yīng)的輸出電壓，其中，通過設(shè)定使得在所述電容傳感器的電容發(fā)生變化時，從所述信號線觀看所述電阻時的阻抗大于從所述信號線觀看所述反饋環(huán)或所述電容傳感器時的阻抗。
11.一種傳感器電容檢測方法，用于檢測其電容隨物理量的變化而變化的電容傳感器的電容，其特征在于，所述方法由以下步驟構(gòu)成將電容傳感器的一端和電阻的一端連接在被串聯(lián)插入到運算放大器的反饋環(huán)中的電容器及阻抗變換器的連接點上；向所述運算放大器輸入交流電壓或直流電壓中的至少一種；以及從所述運算放大器的輸出端子輸出與傳感器電容相對應(yīng)的輸出電壓，其中，通過設(shè)定使得在所述電容傳感器的電容發(fā)生變化時，在所述信號線與所述電阻之間幾乎沒有電流的流入流出。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種傳感器電容檢測裝置及傳感器電容檢測方法，其中，在第一運算放大器OP
文檔編號G01D5/12GK1551988SQ0281739
公開日2004年12月1日 申請日期2002年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月6日
發(fā)明者八壁正巳 申請人:住友金屬工業(yè)株式會社