Kapasitans ölçümleri için elektronik devre tasarımlarının incelenmesi

Abstract

Akış, basınç, sıvı seviyesi, mesafe, kalınlık, şaft açısı, lineer pozisyon, ivme, eğim ölçümleri gibi birçok kullanım alanı bulunan kapasitif sensörler farklı materyaller için ölçüm yapabilmeleri, temassız çalışmaları ve aşınmaya dirençli olmaları sebebiyle tercih edilirler. Kapasitif sensörlerin çalışma performanslarını ve etkinliğini belirleyen en önemli faktörlerden birisi sensörün yapısının yanında sensörden gelen bilgiyi işleyen elektronik devrelerin tasarımıdır. Genel olarak kapasitif ölçümden gelen sinyali ilk olarak kabul eden ön-yüz devresi ve akabinde bir sinyal işleme devresinden oluşan bu elektronik devre yapılarının incelenmesi bu tezin konusunu oluşturmaktadır. Ön-yüz devresi topolojisi olarak, uygulamada kendisine en fazla yer bulan transempedans yükselteçler seçilmiştir. Kapasitanstan gelen akım verisini gerilime çevirerek daha sonraki sinyal işleme devresine verme prensibine dayanan transempedans yükselteçler birçok performans kriteri açısından analiz edilmiştir. Ayrıca bilgisayar ortamında yapılan benzetim çalışmaları ve nümerik hesaplamalar ile daha optimize, kararlı ve düşük gürültülü ön yüz devrelerinin tasarımına yardımcı olacak bir inceleme bu tezde sunulmuştur. Kapasitif ölçümün genel yapısında yer alan sinyal işleme devrelerinden hem analog hem de dijital demodülasyon içeren yöntemler bu tez çalışmasında incelenmiştir. Kayıplı kapasitans ölçümleri için tasarlanan hibrit sistemde, dijital yöntemlerle sürme sinyali ve referans sinyaller üretilmiş; analog faz kilitlemeli yükselteçler ile de demodülasyon işlemi yapılmıştır. Dijital faz kilitlemeli yükselteçler ile seçilen dijital sinyal işleme platformu için teorik, analitik, nümerik analizler yapılmıştır. Bunun yanında platformda sentezlenen dijital devrenin kapasitans ölçüm performansı incelenmiştir.

Capacitive sensors with many uses such as measurements of flow, pressure, liquid level, distance, thickness, shaft angle, linear position, acceleration, inclination are preferred because they can measure different materials, work contactless and are resistant to wear. Besides the structure of the sensor itself, one of the most important factors that determine the working performance and effectiveness of capacitive sensors is the design of the electronic circuits that process the information from the sensor. The subject of this thesis is the investigation of these electronic circuit structures, which generally consist of the front-end circuit that accepts the signal from capacitive measurement and a signal processing circuit unit. As the front-end circuit topology, the transimpedance amplifiers, which are mostly preferred in practice, were chosen. Transimpedance amplifiers based on the principle of converting current data coming from the capacitance to voltage and outputting it to the next signal processing circuit unit have been analyzed for many performance aspects. In addition, an investigation including simulation studies and numerical calculations in the computer environment is presented in this thesis to help design more optimized, stable, and low noise front-end circuits. Both analog and digital demodulation methods, which are the parts of signal processing circuits in the general structure of capacitive measurement, are examined in this thesis. With the hybrid system designed for lossy capacitance measurements, a drive signal and reference signals are generated by digital methods; demodulation process was performed with analog lock-in amplifiers. Theoretical, analytical, and numerical analyzes were performed for a digital signal processing platform using digital lock-in amplifiers. Also, capacitance measurement performance implemented in the digital platform was examined.