一種電容式傳感器數(shù)字化通用檢測(cè)接口設(shè)計(jì)

摘 要：針對(duì)電容式傳感器的微變電容檢測(cè)困難的問(wèn)題，提出了一種數(shù)字化的通用檢測(cè)接口方案。分析了基于“激勵(lì)-檢測(cè)”的直接式微變電容測(cè)量原理，利用DDS發(fā)生載波，并采用離散傅里葉變換分離測(cè)量結(jié)果的幅值與相位以求得電容變化量。根據(jù)接近式電容傳感器的測(cè)量需要，設(shè)計(jì)了具體的硬件電路進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，檢測(cè)正確率在95%以上，該接口方案能夠較好地檢測(cè)設(shè)計(jì)值在0.1pF以上量級(jí)的微變電容，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，具有較強(qiáng)的移植性。

1 引 言

電容式傳感器具有體積小，功耗低，靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于加速度、角速度、壓力等各種非電量的測(cè)量。但是，與純阻性傳感器不同，電容式傳感器的檢測(cè)接口設(shè)計(jì)較為困難和復(fù)雜，通常采用模擬分立式元件進(jìn)行放大和采樣，這不但增大了系統(tǒng)體積，還引入了額外的溫度和非線性誤差。本文提出了一種通用的電容式傳感器數(shù)字化檢測(cè)接口，通過(guò)綜合分析幅值和相位的關(guān)系，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，減小了誤差，提高了檢測(cè)精度。

2 電容式傳感器模型

電容式傳感器是一種將待測(cè)非電量轉(zhuǎn)換成電容變化量的器件，可以廣泛應(yīng)用于加速度、角速度、壓力等參數(shù)的測(cè)量。為了增大信號(hào)量，常采用變間距方式進(jìn)行敏感。

以電容式壓力傳感器為例，其簡(jiǎn)化的基本結(jié)構(gòu)，如圖1所示。A1、A2為2個(gè)電容極板，其中A1為固定極板，A2為活動(dòng)極板，A3為敏感膜片，用于感測(cè)待測(cè)氣壓的變化，d為A1、A2間距。當(dāng)有外界待測(cè)量輸入時(shí)，A3將推動(dòng)A2向A1運(yùn)動(dòng)，從而改變A1和A2極板間的電容，只要檢測(cè)出該電容的變化，就可以換算出相應(yīng)的氣壓值。

當(dāng)沒(méi)有氣壓輸入時(shí)，傳感器初始電容量為：

式中：ε為介電常數(shù)，A 為極板間相對(duì)面積，d0為極板間初始間距。

當(dāng)有外界氣壓輸入時(shí)，由于A2向A1運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致d0減小，此時(shí)，傳感器的電容量為：

式中：dx為間距變化量。

3 直接式接口檢測(cè)原理

常見(jiàn)的電容式傳感器接口有連續(xù)時(shí)間讀出(如電荷放大器型、跨阻放大器型)和離散時(shí)間讀出(如開(kāi)關(guān)電容型)兩種，都是將待測(cè)電容量變化為電壓或電流量進(jìn)行檢測(cè)，本質(zhì)上是一種間接檢測(cè)方法，不利于系統(tǒng)集成。電容作為一種非純阻性元件，對(duì)通過(guò)自身的電信號(hào)會(huì)進(jìn)行幅度和相位的調(diào)制，利用這一關(guān)系，可以設(shè)計(jì)一種同時(shí)檢測(cè)幅度和相位的電容式接口方案。

圖2為接口設(shè)計(jì)方案，C 為電容式傳感器，R1和R2為輔助電阻，根據(jù)待測(cè)傳感器電容量大小進(jìn)行選擇匹配。

微控制器采用DDS方法發(fā)出單頻正弦載波，經(jīng)過(guò)幅度調(diào)整后送入電容式傳感器，經(jīng)過(guò)與輔助電阻比較后，對(duì)波形進(jìn)行放大濾波并數(shù)字化，對(duì)所得數(shù)值進(jìn)行離散傅里葉變換分離出實(shí)部和虛部后送回微控制器進(jìn)行后續(xù)的計(jì)算和線性化處理。

假設(shè)載波VDDS =A0sin(2πft)，經(jīng)過(guò)幅度整形后的傳感器激勵(lì)電壓為

(A1為放大系數(shù))，則檢測(cè)電壓為：

對(duì)檢測(cè)電壓進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換后進(jìn)行分離可解得相應(yīng)的電容復(fù)阻抗為：

式中：Vdrive和Vsense均為復(fù)變量。

由于輸入信號(hào)為正弦信號(hào)，具有周期性，則其實(shí)部與虛部分別存儲(chǔ)了信號(hào)的幅值與相位信息，對(duì)Vsense進(jìn)行DFT后就可得到待測(cè)電容量的變化信息。

4 檢測(cè)接口實(shí)際電路設(shè)計(jì)

由于電容式傳感器種類多，容值變化范圍廣，需要根據(jù)不同的測(cè)量范圍選擇合適的器件具體實(shí)現(xiàn)上述測(cè)量原理。電容式接近傳感器是一種廣泛應(yīng)用的容性傳感器，它共有3個(gè)極板。人體的某一待測(cè)部分(如手指)為活動(dòng)極板，另外，2塊為固定極板。1塊以某一恒定正弦電壓激勵(lì);另一塊接地。當(dāng)人體接近時(shí)，電容量變大，當(dāng)超過(guò)某一閾值時(shí)，即可認(rèn)為有人體接近。整個(gè)傳感器的核心就在于微變電容量的檢測(cè)，基于上述原理，設(shè)計(jì)了實(shí)際電路。

AD5933是一款集成式單片檢測(cè)芯片，集成了頻率發(fā)生、幅值調(diào)整、模數(shù)轉(zhuǎn)換、離散變換等功能，其頻率輸出最高為100kHz.該芯片可以完成上述測(cè)量原理的主要功能，配合STM32F103CBT6微控制器就可以實(shí)現(xiàn)具體電路。

AD5933內(nèi)部寄存器0×82~0×84為起始頻率控制字，0×85~0×87為增量頻率控制字，根據(jù)該型傳感器需要，分別設(shè)置上述2個(gè)控制字為0x170A3D和0×000000,即輸出45kHz固定激勵(lì)頻率。內(nèi)部寄存器0×94~0×95和0×96~0×97分別存儲(chǔ)了經(jīng)過(guò)DFT運(yùn)算后的檢測(cè)電壓實(shí)部和虛部值，讀取這4個(gè)寄存器就可以獲得待測(cè)數(shù)值。

此外，AD5933還提供了14位精度的片內(nèi)溫度傳感器，可用于誤差補(bǔ)償，溫度值存儲(chǔ)在0×92~0×93寄存器中。系統(tǒng)的軟件流程圖如圖所示。

由于電容量極易受到外界干擾的影響，因此必須做好PCB的布局和布線工作。對(duì)于AD5933,需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的模擬和數(shù)字地回路，其數(shù)字部分可與微控制器地回路直接連接。激勵(lì)和檢測(cè)部分應(yīng)盡可能靠近傳感器的兩端，并遠(yuǎn)離印制電路板上的晶振等高頻數(shù)字信號(hào)的干擾。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

利用上述系統(tǒng)對(duì)自制的電容式接近傳感器進(jìn)行了測(cè)試。該傳感器的2個(gè)固定極板為PCB上2塊相對(duì)的覆銅，其面積為3cm×1cm,厚度約為100μm,間距為2μm,PCB材質(zhì)為FR4,初始電容約為0.13pF.以人手指相距板面1cm視為處于接近狀態(tài)，使用Ansys仿真可得此時(shí)電容為0.135pF,考慮環(huán)境濕度等因素影響，設(shè)置檢測(cè)閾值為0.139pF.當(dāng)人體接近時(shí)，點(diǎn)亮電路板上的LED進(jìn)行示意。連續(xù)對(duì)系統(tǒng)做了100次測(cè)試，第一類錯(cuò)誤(未接近但報(bào)告)為3次，第二類錯(cuò)誤(接近但為報(bào)告)2次，總體正確率在95%以上。發(fā)生兩類錯(cuò)誤的主要原因在于活動(dòng)極板(手指)的位置變化不規(guī)律，容易引入粗大誤差所致。實(shí)際測(cè)試表明，該電路對(duì)設(shè)計(jì)值在0.1pF以上量級(jí)的電容式傳感器具有較好的檢測(cè)效果。

6 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了一種電容式傳感器數(shù)字化通用檢測(cè)接口，在完成原理分析后進(jìn)行了實(shí)際電路測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，該方案具有較好的電容檢測(cè)靈敏度，且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有良好的可靠性和可移植性。對(duì)于設(shè)計(jì)值在0.1pF以上量級(jí)的電容式傳感器的測(cè)試和應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。