电容传感器是一类应用广泛的传感器。电容检测技术是传感器领域的重要研究内容。大多数电容传感器的检测原理都与电容的变化量有关,随着现代科技的进步,尤其是集成技术的快速发展,电容传感器向着小型化、微型化发展,电容传感器的电容相对变化量越来越小,甚至小于万分之一。在保证分辨率的前提下,测量如此微小的变化量对检测电路的分辨率提出了非常高的要求。即使采用相对法进行测量,抵消本底电容的影响,仍然不能满足许多应用场合的需求,例如压/触觉检测或其它大动态的传感器应用。常规的电容测量手段受到量化精度的限制,量程和分辨率通常是一对矛盾,往往需要牺牲分辨率获取宽量程或者牺牲量程获取高分辨率。虽然采用自动量程切换、对数量化等技术能够在一定程度上兼顾量程和分辨率,然而它们存在量程切换交界处测量误差大、量化非均匀等问题。为了实现大动态、宽量程的电容差测量,同时在全量程范围内保证恒定的精度,研究并发展一种具有连续可变分辨率的电容差检测具有重要的意义。针对这一问题,本文做了如下工作:(1)本文在传统的电容数字转换器(CDC)的基础上,提出了一种开关电容的电荷差测量方法,从而实现了分辨率连续可变的差值电容测量。在此基础上,进一步实现了对任意被测容量进行分辨率自动优化的功能,达到了对任意被测电容都始终接近于满量程状态下测量的效果,均保持高分辨率和较低的误差。(2)实现了该方法中关键的电容差检测电路,并对实际应用中影响测量性能的各种非理想因素进行了建模分析,对激励源对称性、运放的非理想参数、电子开关漏电等因素引起的误差进行了分析,逐一阐明其引起误差的机理和规律。在此基础上提出了一种综合的校准补偿方法,能够消除上述非理想因素导致的测量误差。(3)为了验证本文提出的检测原理和校准方法的正确性和有效性。实现了一款宽量程、具有连续可变分辨率的电容差检测通用电路模块。完成了电路设计、器件选型、软件设计和最终的性能测试。测试结果表明,在传感器电容差跨度达到100倍时,具有可变分辨率的电容差检测装置测量始终保持0.03%相对分辨率(相当于全量程范围内始终保持传统方法约80%满量程时的等效测量分辨率),同时电容值测量误差始终小于5%,验证了检测系统的有效性。本文提出的具有可变分辨率的电容差检测方法,不仅能够满足电容传感器电容相对变化量小的测量需求,还能够在保证精度的前提下大幅拓展电容式传感器的测量动态范围,将在机器触/压觉、应力/形变检测、工业自动化、汽车电子等领域有广泛的应用前景。