现如今,电容式传感器已经在许多测量领域中得到广泛的应用,例如对油/水混合物含水量[1-2],多相流[3]中空隙以及材料电气性能[4]的测量。同时,电容式传感器广泛用于测量大动态范围[5-6]内的湿度。电容式传感器的主要缺点在于其对污染和冷凝的敏感性,这可能导致可靠性降低的问题[7]。

传感器接口电路直接影响了检测系统的精度和分辨率,如较大的寄生电容会直接降低电容检测的分辨率。传统的电容式传感器检测电路结构复杂,且分辨率较低。

刘雁衡迟迟不动，被一个警员推了个趔趄。寒流果然来了，冷风吹到脸上，彻骨生寒。刘雁衡、吴邦雄，还有两个男生，被四个警员上上下下搜查一遍，没搜出什么。那胖大警官独自留在室内，目光犹如鼻涕虫，潮湿黏糊，在四名女学生身上刷来刷去。最后他挑出身材高挑的黄莺：“你，过来。”黄莺的脸一下子白了，站着不动。警官探出粗大的右手，目标明确地按到她腰上。

为了更好的实现电容式传感器信号调理电路,文献[8]提出了一种基于振荡器的薄膜电容式传感器接口电路,能够对变压器油或电子气体中的湿度进行高精度的测量,但是在电容变化过程中忽视了激励频率的影响,因此误差相对较大。文献[9]提出了一种基于张弛振荡器和变压器的电容式传感器接口电路,该文献中提出的电路给出了精确的可再生读数,该读数具有最小的寄生接地电容影响,但由于变压器的存在,电路结构变得复杂并且与CMOS不兼容[10]。文献[11-12]对薄膜电容式湿度传感器测量频率的电气特性进行了详细分析,对传感器的行为进行了建模以验证其电路的适用性。文献[13]在上述文献基础上提出了基于电桥结构的接口电路,其具有较大的电容测量范围,输出为电压(随电容变化呈非线性),且精度较好。

因此,本文在以上文献基础上,结合张弛振荡器和电容电桥的优点,提出了一种具有较大电容动态测量范围的高精度电容测量电路,避免了上述问题的出现,而且该方法适用于各种不同的电容式传感器。提出电路与微控制器(使用双逆变器)相连接,以便将传感器的响应曲线线性化。使用电容式湿度传感器进行了实验测试,结果表明该电路结构简单,在精度和动态范围方面可实现相当好的性能,并且易于与CMOS集成电路相结合。

1 提出的接口电路

1.1 电路设计与分析

图1显示了提出的接口电路图,包括电容有源电桥和弛张振荡器。

元件R1、R2、C0和Cs(x)是电桥的4个臂,其与运算放大器OA5一起形成有源电桥,并与运算放大器OA4形成电桥放大器。运算放大器OA2和OA3分别用作张弛振荡器的积分器和施密特触发器电路。

图1 传感器接口电路的电路图

电桥由方波电压eC(t)(由二极管限幅器电路适当地进行调整)驱动,该方波电压可从OA2的输出获取。运算放大器OA4将电桥路不平衡电压放大,以获取电压e3(t)。有源电桥部分的放大电压e3(t)可导致流过RS电阻的方波电流iS(t)。电压信号eC(t)导致流过RI电阻的另一电流iI(t)。用代数方法在积分器的求和节点中将这两个电流相加。

假设运算放大器是理想的,桥式放大器OA4的输出电压(在频域中)可表示为:

(1)

因为sR0C0(R0=10 MΩ,C0=500 pF)1,因此上述公式可写为:

(2)

图8显示了振荡器频率随水分含量变化的变化。它表明频率与电容变化成正比,即振荡器频率变化与电容变化的性质保持紧密一致性,如图5所示。根据湿度传感器的归一化电容,对输出频率的理论和实验结果进行比较,如图9所示。

E3(s)=EC(s)δK1

(3)

式中:

(4)

(5)

8-b PIC16F877A微控制器用于检测振荡器频率和后续的信号调节。施密特触发器的输出通过双逆变器连接到微控制器输入引脚RB0上。

e3(t)=eC(t)δK1

(6)

图2显示了电容传感器(Cs(x))的三端结构,其中还表示了寄生电容(Cp1和Cp2)。

根据相关研究显示，科学合理的绿化设计可以陶冶人的情操，愉悦人的心情，有利于疾病患者的修养，还可以为人们提供新鲜的空气营造良好的生活环境。养老机构为了老年人的修养，应当建设足够面积的绿化。设计人员在对养老设施进行设计的过程中，应当充分发挥绿色植物的作用，在目所能及的范围内安置一些绿色植物，在嗅觉范围内安置一定的鲜花，同时还要保证整体机构无死角，没有黑暗的区域。

图2 电容式传感器的三端结构

将积分器eI(t)的输出与施密特触发器进行比较以获取电压信号eC(t)。比较器输出eC(t)和积分器输出eI(t)的电压波形如图3所示。T+和T-是将施密特触发器输出分别假定为E+和E-的周期。为了获取三角波形eI(t)的正峰和负峰,在比较器OA2的同相端处的基尔霍夫电流定律KCL(Kirchhoff’s Current Law)公式可写为:

(7)

用于测量N2气体中水分浓度的完整系统示意图如图6所示。该系统包括一个放置在50 cc测试腔中的湿度传感器,其形成有源电桥的一个臂。通过检测张弛振荡器的脉冲频率来表示电容变化引起的电桥失衡。该电路的数字输出已与PIC微控制器相连接,以便对信号频率进行测量。

(8)

为了获取T+和T-,在时域中将上述公式进行转换,然后在0≤t≤T+和T+≤t≤T-范围内对其进行整合,我们可以得到如下所示的公式:

(9)

(10)

式中:α=E+/E-;K2=/RPRQ/。

2013年，河砂供求矛盾越来越突出，广东省水政执法工作的重心仍然是河道执法，特别是河道采砂执法，兼顾水土保持执法、水资源执法和水工程执法。

图3 电路不同输出端上的预期电压波形

利用式(9)和式(10)计算出的振荡器频率,如下所示:

(11)

式中:f0表示当δ=0时平衡条件下的中心频率。

(12)

设R1=R2,C0为基准参考电容,并将Cs(x)作为目标传感器电容,则:

(13)

上述公式显示输出信号的频率与传感器电容的变化直接成正比。中心频率f0和转换灵敏度可分别通过RI和Rs进行调节。通过式(13),可估算出所述湿度传感器的电容值,如下所示:

(14)

1.2 误差源分析及其补偿

首先来分析比较器延时和放大器偏移电压引起的误差。在式(9)和式(10)中所示的振荡器输出频率中存在两个主要误差源:(1)比较器OA2的传播延迟Td;(2)放大器OA3和OA4的输入偏移电压 EOA3和EOA4。如果分别考虑这些误差,则传播延迟和输入偏移电压引起的相对频率误差分别如下所示[10]:

(15)

(16)

这些误差源相当重要,因为对于大数值的传播延迟和输入偏移电压而言,这些误差源会降低相对于δ的线性度。通过假设上述参数的近似值为f0=10 kHz,K1=0.445 9,RI=382 kΩ,RS=367 kΩ,E=(|E+|+|E-|)/2=2 V且δ=0.108,对上述误差进行了分析。利用Td=100 ns(近似值)的快速运算放大器LF-351作为比较器,Δf/f结果大约为4.183×100-3,该值可不可忽略。可利用具有极低传播延迟(500 ps)的超高速比较器(MAX9602)来代替LF-351,以尽量减少此类错误。

3、城镇边界监测。监测结果表明：2012、2015、2017年提取的城市开发边界面积分别为亩17334.07亩、17541.21亩、20886.55亩。通过扩张强度分析发现，2015-2017年江华县的扩展强度明显要高于2012-2015年度的扩展强度，其原因主要是由于涔天河水库扩建的移民安置建设。

此外,对于放大器OA3和OA4,使用具有输入偏移电压EOA4=EOA3=75 μV的超低偏移运算放大器,Δf/f的结果约为8.04×100-9,该值也可忽略。

其次,要分析寄生接地电容和电磁干扰EMI(Electro Magnetic Interference)引起的误差。寄生接地电容存在于所有传感器端子对和接地面上。此外,电场对传感器周围异物的侵犯所引起的EMI干扰可能严重改变传感器的电容。可通过限制连接长度和单独屏蔽传感器引线来有效减少EMI干扰。在测量湿度传感器的电容变化时,由于所涉及的电容值较小,它将受到接地导纳的影响。为了将该影响最小化,传感器将被封闭在接地导电屏蔽(金属传感器腔)中,其等效于如图2所示的π形网络结构。Cp1出现在运算放大器OA5的输入电压上,因为相对于源电压的输出阻抗而言,该电容可提供较高阻抗,因此其影响可忽略不计。因为Cs(x)的端子2处于虚拟接地电位上,所以电容Cp2无效。通过接地导电屏蔽罩对电容式传感器进行封装也可以防止EMI干扰。

最后,使用如下公式计算由电路中元件公差引起的系统误差:

Er=100Ea/f′

式中:已知频率f′通过式(9)和式(10)计算绝对误差Ea。

通过计算f′时,电容和电阻值为R1=R2=2.2 kΩ,R3=1 kΩ,Rp=1 kΩ,Rq=2.2 kΩ,RI=382 kΩ,RS=367 kΩ,CS(x)=530 pF,CI=100 pF,C0=500 pF。最大频率变化为f=f′±Er%,即f=11 113.161±2.975% Hz。电阻和电容的公差值取为0.5%。

(17)

2 电容式湿度传感器特性分析

本文使用基于Al2O3的薄膜电容式湿度传感器对所述电路进行测试。传感器的制造参数已在其他文献予以详细描述[11]。

1.1.1 课程体系 目前该课程是电子科学与技术专业的选修课，为学生知识拓展，以及能力提升之用．集成电路设计设置在电子科学与技术专业大三第2学期，修完的专业基础课只有模拟电子电路、数字电子电路、电路分析、理论物理基础和半导体物理，对集成电路设计课程来说，还缺少必要的固体物理、晶体管物理以及量子力学．此外，也没有集成电路设计相关的专业课，如集成电路工艺、集成电路设计CAD、集成电路封装与测试等专业课．若没有集成电路专业基础课的学习，学生后续学习就比较吃力，教师讲授也相对较困难，也就是说，不管对教师教学，还是学生学习，都没有很好的知识体系框架的保障．

式中:εa是无水分Al2O3的介电常数(εa≈9-11),εs指的是湿膜的表介电常数,La是膜的厚度(～6 μm)[11]。根据在图4中的观察,可获取更简单的表达式:

(18)

在目前的情况下,进行了两个重要实验:(1)在4×10-6～100×10-6范围内随湿度变化的电容响应以及(2)保持环境湿度常数时随着信号频率变化的电容响应。在500 mV的信号幅度下使用4294A Agilent阻抗分析仪可观察到这两种响应。传感器的归一化电容(Cs(x)/Cm)在1 kHz信号频率下的湿度变化如图4所示。电容Cm通常为干燥条件下的电容,其数值为508.457 pF。传感器电容Cs(x)如下所示:

=1+εdhk

(19)

图4 传感器随湿度变化时的归一化电容响应

式中:h是以10-10(即ppm)为测量单位的湿度水平,εd(=3.229×100-4)是在室温(25 ℃)下的介电灵敏度,k(=1.091)为非线性指数。可以使用曲线拟合技术从图4所示的响应曲线获取εd和k的值[12]。式(19)可表示为:

(20)

将来自式(19)的Cs(x)/Cm的估计值与图4的测量值进行比较时,会存在±0.79%的误差。因此,通过比较分析式(13)和式(20),可以发现图1所示的检测电路可适用于湿度测量。为了确定频率范围的适用性,进行实验以显示在固定湿度水平下电容随信号频率变化的变化。

错误分析理论的语言学基础是转换生成法体系，这一体系认为人脑天生具有语言习得机制与语言使用能力，从而使得人类具有了其他物种所无法拥有的完备的语言体系。而由于语言的使用往往存在一定的规则，并且主观影响较大，因此错误分析理论的心理学基础就是语言迁移理论。而语言迁移理论的核心观点则是母语的性质会使外语学习的某些方面变得容易或困难，即语言迁移有正负之分。由于受到汉语语义以及表达顺序的影响，在口译的过程中，许多学生往往来不及思考正确的英文语序，而是顺着汉语语序翻译所听到的句子，从而使句子的表达不符合英语语言习惯。例如：

从图5可以看出,在10 kHz～10.5 kHz范围内随输入频率变化的电容变化几乎是恒定的。此外,随着湿度水平的升高,电容值也会增加,如式(18)所示。选择相对较高的激励信号频率以使传感器的电导影响以及双层电容效应的影响最小化[11]。然而,在较高频率值下的电容变化相对小于在较低频率值下的电容变化。

图5 固定水分浓度时随信号频率变化的 传感器电容变化

3 实验方法和结果

3.1 电路的硬件实现

为了对提出电路的性能进行验证,使用具有高转换速率和超低偏移电压的集成电路元件在印刷电路板PCB(Printed Circuit Board)上对提出接口电路进行具体实现。运算放大器OP-07分别用于积分器OA3和放大器OA4,剩余的运算放大器则使用LF-351。2.7 V齐纳二极管用于D1和D2。LF-351运算放大器的增益带宽积GBWP(Gain Bandwidth Product)为4 MHz(典型值),Vs=±15 V,为了得到令人满意的性能,激励频率或振荡器频率设置为10 kHz左右,因为在该频率下的传感器电容值仅取决于图5所示的湿度。设置R1=R2=2.189 kΩ,R3=0.976 kΩ,Rp=1.108 kΩ,Rq=2.227 kΩ,Rd=100 Ω,RI=382 kΩ,Cs(x)=500 pF,CI=100 pF,C0=500 pF将振荡器频率调到将近10 kHz。反馈电容器两端连接了高阻值电阻R0=Rf=10 MΩ。最初使用离散式电容代替电容式传感器Cs(x)来分析电路性能。

为了验证电路的有效性,使用微水分传感器代替的Cs(x),其中Cs(x)的电容值与Cm相同为508.457 pF。将RS值调节到367 kΩ左右,以实现4.91 Hz/10-10的转换灵敏度。

屈光参差是导致儿童单眼弱视的最常见原因之一[1]，若治疗不及时，将会造成终身单眼视力低下，立体视丧失，严重影响生活和工作。Elf l ein等[2]对15 010例成人的调查研究表明，182例弱视患者中49%是由于屈光参差导致，23%是由于斜视导致，17%由两者共同导致，可见未经治疗的屈光参差性弱视严重威胁视觉功能。既往研究还认为不同类型、不同程度的屈光参差对视力、双眼视觉功能的影响并不完全一致[3]。为了进一步明确屈光参差程度及不同类型屈光参差对视力、立体视的影响，本研究对106例初诊未经治疗的屈光参差性弱视儿童患者进行检查和分类比较，以分析屈光参差与弱视、立体视之间的相互关系。

在时域中,上述公式可表示为:

音乐本来是一种较为轻快的声音，但是在现阶段进行音乐教学的过程中，因为其整体教学模式更遵循传统的应试教育，导致在进行教学的过程中，更多的是呆板化知识教学。这种教学忽视了音乐的本质——情感共鸣，同时忽视了教学主体—初中生的教学体验，使音乐教学最终教学结果欠佳。在改善的过程中，因针对音乐的本质、教学的主体进行综合性的教学题材的选取、引导，做到针对中学生的喜爱进行教学音乐的选取，教学内容的引导。

图6 用于测量湿度的数字湿度计系统原理图

存储在微控制器存储器中的查找表用来以10-6为单位对振荡频率进行校准。最后,在LCD上显示对应于特定频率的湿度(10-6)。硬件电路的PCB如图7所示。将LCD上的读数与商业露点仪测量的读数进行比较,并且估计误差。

图7 湿度计系统

3.2 频率测量

在时域中,输出电压可表示为:

为了对方波输出的输入边沿进行计数,使用了8-b模式下微控制器的定时器TMR0(作为计数器)。

近年来,基于卡尔曼滤波的锁相环研究逐步深入,文献[5-6]对卡尔曼滤波和传统锁相环的性能进行了对比,得到在精确度相同的情况下卡尔曼滤波方法较之传统锁相环有更好的瞬时性能,更大的动态范围和更高的敏感度;文献[7]提供了一种结合卡尔曼滤波的锁频环改进算法,提出在鉴频器与环路滤波器之间添加卡尔曼滤波的方法对高动态环境下的弱信号进行跟踪,但是可跟踪提取信号的多普勒频率变化率并不高;文献[8]提出了采用卡尔曼滤波取代传统锁相环鉴相器和环路滤波器的新方法并与二阶传统锁相环的性能进行了对比。

方波输出脉冲由TMR0计数器精确测量到1 s。超出数乘以256再加上TMR0中的计数便可得到1 s内的脉冲总数。通过使用19.660 8 MHz的晶体频率,每1 s将正好发生75个中断,这将确保能够精确地形成1 s周期。

或者为:

图8 随水分浓度变化的输出信号频率变化

图9 输出频率的理论和实验值对比及其相对误差百分比

图10 传感器电容值估计的相对误差百分比

实验结果表明,相对误差的百分比低于0.63%。另外,根据式(14),已对电容值进行评估并且发现相对误差百分比低于-2.14%,如图10所示。与其他最近文献中的电容测量技术进行了比较[8-9,13],结果如表1所示。我们提出的技术在误差和电容动态测量范围方面均展现出令人满意的结果,并且能够提供线性频率和电容变化关系。

表1 提出接口电路与其他电容测量技术的对比

文献电容测量范围精度(误差百分比)电路拓扑电路输出(根据传感电容)本文1pF～600pF<-2．14%(500p～600p)有源电桥+振荡器频率(随电容呈线性)[8]4．7pF～2．2nF<±3%振荡器时间段(线性)[9]10pF～260pFN/A变压电桥+振荡器离散[13]200pF～400pF<0．3%电桥电压(随电容呈非线性)

为了从瞬态响应曲线中确定响应时间、恢复时间和系统的可重复性,将传感器暴露于4×10-6～100×10-6间的相同阶梯湿度变化中。完整的湿度传感系统特性(包括4×10-6～100×10-6内传感器和检测器电路的时间响应)如表2所示。

表2 湿度测量系统特性

运行湿度范围4×10-6～100×10-6响应时间(t90)29s恢复时间(t90)133s可重复性0．00431滞回0．33%(在16×10-6)传感器灵敏度0．460pF/10-6接口电路灵敏度4．91Hz/10-6电路上升时间904μs

4 结论

本文提出了一种可用于各种不同电容传感器的CMOS兼容接口电路,包括有源电容电桥和方波振荡器。该电路可提供抗寄生电容(电容电桥)和低频噪声的方波输出,为低成本数字处理系统提供了简单的数据采集方案。其有效性已经通过离散电容、电容式微湿度传感器进行了验证。实验结果显示,与最近文献中的其他类似接口电路相比,的,提出的接口电路具有良好的线性度、简单的硬件结构、较好的精确度和较大的电容测量范围。提出的电路可有效地用于开发数字10-6级湿度计,如便携式传感器接口应用。

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思维性课堂即是将以上四个教学的基本原理融入在教学的四个基本环节中，在教学导入、教学过程、教学反思与应用迁移这四个环节中加强以思维为基础的对话策略，通过提问不断激发学生的思考与讨论，在教师与学生的不断互动与交流中学会思维，从而实现培养学生数学思维能力与应用创新能力的目标。

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学生根据自己的喜好，商量好选定一个“家”，长方形、正方形、平面立体都可以，一起试试吧！（下发底盘，两人一组，见图3）另外几组进行iPad游戏实验模拟。

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徐忠根(1981-),男,汉族,河南商丘人,讲师,电子装备二级技师,主要研究方向为智能控制与通信系统;

马永斌(1982-),男,汉族,河南永城人,讲师,主要研究方向为计算机应用与智能传感,myb82myb@163.com。

目前，微波检测领域的研究主要集中在微波介质材料的研究上.溶液物质在微波场中的行为与自身的极性有着密切的关系.极化程度可以由介电常数加以表示.溶液物质的介电常数通常与外界因素如浓度，温度和频段等存在一个确定的非线性关系[4].可以利用这种关系确定液体的成分.