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1.传感器测量电路设计

为了测量电容传感器电压形式的变化，首先设计了一种基于CAV444芯片的测量电路。CAV444是一种集成的电容电压换能器，内部原理如图12.14a所示，测量电路的原理如图12.14b所示。系统传递函数可以用式（12.3）表示，式中VcM=2.1 V，VREF=2.5 V。CW的值与CM，max有关，关系可以用式（12.4）表示。

CAV444芯片中的内部测量振荡器产生时钟脉冲，使内部电容充放电［22］。这些时钟脉冲在f/V转换器和后端低通滤波器中转换为直流电压信号。滤波后的直流电压信号传输到一个可调放大级，使输出信号被设置为所需的值。CAV444具有广泛的电容测量范围和线性传输特性。改变f/V转换器，电容器（CW）将改变测量范围和电路的分辨率。测量电路的PCB设计如图12.14c所示，尺寸为4.5 cm×2.3 cm。CW与测量范围成正比，与分辨率成反比。选取CW的4个不同的值（62、100、220、330 pF）进行验证，分别测量检测电路的输出响应。不同CWs电路的输出特性如图12.14d所示。电容的最大值可根据该电路的饱和电压（4.5V）和相应的CWs值来估计，从而可以得到CW与CM之间的经验方程，相关系数为0.997 8：

检测电路的杂散电容值可由式（12.4）和式（12.5）得到，图12.14d显示该电路的杂散电容为53 pF，会影响该电路的测量范围。

图12.14　电容测量电路设计［20］

a.CAV 444的框图；b.电路原理图；c.PCB设计图；d.不同f/V转换电容器的电路输出特性。(www.xing528.com)

2.液态金属电容传感器的性能

8个不同样品的液态金属电容传感器的测量结果如表12.6所示［22］。从表中可以看出，液态金属电容器每单位面积的平均容量为0.077 pF/mm2，标准偏差为0.001 7 pF/mm2。由式（12.2）计算，每个样品电容传感器的相对介电常数约为4.348，几乎等于3 M VHB薄膜的相对介电常数（约为4.35），这证明了电容传感器的稳定性。多层电容传感器测试样品为5个，与在同一电极区域下的单层设计相比，电容增加了3倍（0.23 pF/mm2，标准差为0.007 pF/mm2）。

表12.6　单层电容传感器的稳定性试验［22］

（续表）

对液态金属电容传感器进行拉伸，并测试拉伸后电容值［20］。实验证明，液态金属电容传感器具有很好的可拉伸性，重复拉伸500多次以上对传感器性能影响不大。这是由于GaInSn的液体形式赋予了传感器一定程度的自愈能力。

3.液态金属电容传感器的灵敏度

另外，通过实验还发现液态金属电容传感器具有对应变快速响应（＜10 ms）的特性［20］。如图12.15a和12.5b所示，传感器在不同的拉伸频率下，输出电压呈现相应的变化。在应变实验中采用单层电容传感器和多层电容传感器，两种电极均为方形，尺寸为2 cm×2 cm。将传感器分别拉伸到3 cm、4 cm和5 cm时，记录输出电压，重复试验10次。通过统计分析了输出电压。从图12.15d可以看出，两者与拉伸都有良好的线性关系，多层电容传感器使单层电容传感器的灵敏度提高了一倍。对于单层电容传感器，线性回归公式为V=0.123 5L+2.706 3，相关系数为0.999，其中L为电极长度，V为电压。对于多层电容传感器，线性回归公式为V=0.236 5L+2.790 5，相关系数为0.998。