本發明涉及傳感器信號處理，尤其涉及一種差動式電容傳感器信號讀出電路及其頻率響應調節方法。

背景技術：

1、隨著電子技術的發展，電容傳感器作為測量儀器在許多領域均得到廣泛應用，如無損檢測、醫療檢測、自動化控制、生物工程等。電容傳感器通過檢測電容的改變來推斷所測量的對象的特性，如位移、壓力、濕度、溫度、磁感應強度、電場和油液等。電容傳感器在測量時，由于傳感器的測量范圍一般為微米量級，因此很容易受到外界電磁干擾的影響，導致測量結果不準確。

2、在現代傳感器技術中，電容傳感器因其結構簡單、響應靈敏、無接觸式操作等優點，廣泛應用于各類精密測量和監測系統，尤其是在聲波探測、位置感知和壓力測量等領域。電容傳感器的信號讀出電路是其核心組成部分之一，通常負責將傳感器感應到的電容變化轉化為可處理的電信號。現有的電容傳感器信號讀出電路在多個方面存在一定的局限性，主要體現在以下兩個方面：

3、1、非線性誤差：現有電容傳感器信號讀出電路通常會產生非線性誤差，特別是在測量過程中，電容變化與信號輸出之間的關系并非嚴格線性。這使得在某些應用場景中，測量精度受到影響，無法實現精確的信號還原，導致傳感器的輸出信號存在較大的偏差。

4、2、頻率響應不足：傳統的電容傳感器信號讀出電路在頻率響應方面往往無法滿足不同應用場景的需求，尤其是在探測寬頻帶的信號時，其頻率響應常常無法穩定地覆蓋較大范圍的頻率，導致無法準確地探測或解析高頻或低頻信號。

5、參見圖4所示，在某些探測應用中，差動式電容傳感器因結構設計上的限制，導致在不同頻率段的響應幅值存在較大差異，未能在所需頻率范圍內[0.1hz-200hz(3db)]滿足指標要求。

技術實現思路

1、針對現有技術存在的上述不足，本發明的目的在于提供一種差動式電容傳感器信號讀出電路及其頻率響應調節方法，解決現有技術信號精度不高、頻率響應慢等問題。

2、實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

3、一種差動式電容傳感器信號讀出電路，其特征在于，主要包括：

4、交流載波信號發生電路：生成頻率高于被測信號頻段的穩定交流載波信號，作為差動電橋的驅動信號；

5、雙臂差動電橋測量電路：差動電容傳感器的核心測量電路，包含兩個平行電容臂，用于將傳感器感應的位移量△d轉化為調幅信號uo；用于將差動式電容傳感器的電容變化量轉化為電信號，并保證信號輸出電壓與電容變化量之間具有線性關系；

6、信號解調電路：通過乘法器和低通濾波器對雙臂差動電橋測得的交流信號進行解調，濾除載波成分并獲得有效信號；

7、信號放大與頻率響應調節電路：由三級帶增益的低通濾波器組成，通過不同截止頻率點的組合對輸出信號進行頻率響應的調節，實現寬頻率范圍的響應控制。

8、進一步，所述雙臂差動電橋測量電路包括由第一電容c1和第二電容c2組成的兩個平行電容臂，用于將傳感器感應的位移量△d轉化為調幅信號uo，將差動式電容傳感器的電容變化量轉化為電信號，并保證信號輸出電壓與電容變化量之間具有線性關系；還包括第一電阻r1和第二電阻r2；其中第一電容c1和第二電容c2為差動式電容的兩個等效電容器，c1與c2串聯，同時與兩個串聯后的電阻r1與r2并聯，構成雙臂差動電橋測量電路；

9、其中，在r1＝r2條件下，雙臂差動電橋測量電路的輸出電壓滿足如下關系：

10、

11、此時，uo與△d滿足嚴格的線性關系；被測量△d作為調制信號控制載波信號e的幅值，得到已調信號uo。

12、進一步，所述差動式電容器具備如下特性：

13、

14、因此，信號讀出電路通過構建△u與之間的線性關系，從而保證了△u與△d的線性關聯，提高了信號讀出的精度。

15、進一步，所述交流載波信號發生電路的頻率設置高于被測信號頻段的特定比例，以減少信號失真和提高測量精度。

16、進一步，所述信號放大與頻率響應調節電路中的一階低通濾波器、sallen-key型低通濾波器和mfb型低通濾波器的參數可以獨立調整，以適應不同測量需求的信號頻率特性。

17、進一步，所述低通濾波器的類型和參數可以根據不同的應用場景進行調整，以優化整個信號讀出電路的頻率響應。

18、進一步，所述低通濾波器采用三級帶增益的低通濾波器，第一級電路主要實現信號的初級放大，一階低通濾波器的截止頻率應略高于被測信號頻段的上限值，第二級電路對信號進一步放大，但sallen-key濾波器的截止頻率應設置在被測信號頻段的中間值，以便對0.1-100hz頻段的信號進行有效增益，同時對100-200hz頻段提供適當的增益控制，使高頻段信號增益略低于低頻段；第三級電路使用不同于s-k濾波器頻響特性的mfb型低通濾波器，對輸出信號的頻率響應特性進行進一步調節；通過與第二級截止頻率的配合，使最終輸出信號在整個頻率范圍內達到預期的響應效果，從而滿足設計指標要求。

19、本發明還提供一種差動式電容傳感器信號讀出電路的頻率響應調節方法，包括以下步驟：通過雙臂差動電橋測量電路將差動式電容傳感器的電容變化量轉化為電信號；利用高于被測信號頻段的交流載波信號驅動雙臂差動電橋測量電路；通過乘法器和低通濾波器組成的信號解調電路對輸出信號進行解調處理，恢復原始信號；通過信號放大與頻率響應調節電路對解調后的信號進行放大和頻率響應調節，確保信號在整個頻段內有穩定且可調的響應。

20、進一步，信號放大與頻率響應調節電路的增益和截至頻率可調，能適應不同電容變化率的測量。

21、進一步，頻率可調點為：

22、截至頻率點1：

23、截至頻率點2：

24、其中，依據自身信號特點，根據s-k與mfb頻率響應特性，靈活調整r16r17c7c8r3r15c5c6的取值大小。

25、相比現有技術，本發明具有如下有益效果：

26、1、提高信號精度：本發明通過巧妙的電路設計，有效減小非線性誤差，提高信號讀出的精度，確保傳感器輸出信號的準確性和穩定性，尤其適用于高精度測量和探測應用。

27、2、提升頻率響應：本發明通過優化電路設計，確保在寬頻率范圍內都能保持穩定的信號讀取性能，避免了頻率響應不足導致的信號失真和衰減。

28、3、增強抗干擾能力：本發明有效提高了抗干擾能力，能夠在復雜電磁環境中保持信號的穩定性，減少外部噪聲和電磁干擾對信號質量的影響，保證了設備的可靠性和穩定運行。

29、綜上，本發明通過優化設計，提高了頻率響應范圍，確保能夠穩定地處理不同頻率的信號，增強了信號的精度和可靠性，從而提升了差動式電容傳感器在多種應用場景下的性能表現。

技術特征：

1.一種差動式電容傳感器信號讀出電路，其特征在于，主要包括：

2.根據權利要求1所述差動式電容傳感器信號讀出電路，其特征在于，所述雙臂差動電橋測量電路包括由第一電容c1和第二電容c2組成的兩個平行電容臂，用于將傳感器感應的位移量△d轉化為調幅信號uo，將差動式電容傳感器的電容變化量轉化為電信號，并保證信號輸出電壓與電容變化量之間具有線性關系；還包括第一電阻r1和第二電阻r2；其中第一電容c1和第二電容c2為差動式電容的兩個等效電容器，c1與c2串聯，同時與兩個串聯后的電阻r1與r2并聯，構成雙臂差動電橋測量電路；

3.根據權利要求1所述差動式電容傳感器信號讀出電路，其特征在于，所述差動式電容器具備如下特性：

4.根據權利要求1所述差動式電容傳感器信號讀出電路，其特征在于，所述交流載波信號發生電路的頻率設置高于被測信號頻段的特定比例，以減少信號失真和提高測量精度。

5.根據權利要求1所述差動式電容傳感器信號讀出電路，其特征在于，所述信號放大與頻率響應調節電路中的一階低通濾波器、sallen-key型低通濾波器和mfb型低通濾波器的參數可以獨立調整，以適應不同測量需求的信號頻率特性。

6.根據權利要求1所述差動式電容傳感器信號讀出電路，其特征在于，所述低通濾波器的類型和參數可以根據不同的應用場景進行調整，以優化整個信號讀出電路的頻率響應。

7.根據權利要求1所述差動式電容傳感器信號讀出電路，其特征在于，所述低通濾波器采用三級帶增益的低通濾波器，第一級電路主要實現信號的初級放大，一階低通濾波器的截止頻率應略高于被測信號頻段的上限值，第二級電路對信號進一步放大，但sallen-key濾波器的截止頻率應設置在被測信號頻段的中間值，以便對0.1-100hz頻段的信號進行有效增益，同時對100-200hz頻段提供適當的增益控制，使高頻段信號增益略低于低頻段；第三級電路使用不同于s-k濾波器頻響特性的mfb型低通濾波器，對輸出信號的頻率響應特性進行進一步調節；通過與第二級截止頻率的配合，使最終輸出信號在整個頻率范圍內達到預期的響應效果，從而滿足設計指標要求。

8.一種差動式電容傳感器信號讀出電路的頻率響應調節方法，其特征在于，包括以下步驟：通過雙臂差動電橋測量電路將差動式電容傳感器的電容變化量轉化為電信號；利用高于被測信號頻段的交流載波信號驅動雙臂差動電橋測量電路；通過乘法器和低通濾波器組成的信號解調電路對輸出信號進行解調處理，恢復原始信號；通過信號放大與頻率響應調節電路對解調后的信號進行放大和頻率響應調節，確保信號在整個頻段內有穩定且可調的響應。

9.根據權利要求8所述差動式電容傳感器信號讀出電路的頻率響應調節方法，其特征在于，信號放大與頻率響應調節電路的增益和截至頻率可調，能適應不同電容變化率的測量。

10.根據權利要求8所述差動式電容傳感器信號讀出電路的頻率響應調節方法，其特征在于，具體包括如下步驟：

技術總結
本發明涉及一種差動式電容傳感器信號讀出電路及其頻率響應調節方法，所述讀出電路包括交流載波信號發生電路、雙臂差動電橋測量電路、信號解調電路和信號放大與頻率響應調節電路。其中，差動電容傳感器的核心測量電路，包含兩個平行電容臂，用于將傳感器感應的位移量△d轉化為調幅信號U<subgt;o</subgt;；用于將差動式電容傳感器的電容變化量轉化為電信號，并保證信號輸出電壓與電容變化量之間具有線性關系。本發明通過巧妙的電路設計，有效減小非線性誤差，提高信號讀出的精度，確保傳感器輸出信號的準確性和穩定性，尤其適用于高精度測量和探測應用；還提升頻率響應，增強抗干擾能力。

技術研發人員：顏珊,陳漱宇,韓寧,湯勇強
受保護的技術使用者：重慶建安儀器有限責任公司
技術研發日：
技術公布日：2025/3/20