一種電容式傳感器數(shù)字化通用檢測接口設(shè)計

摘 要：針對電容式傳感器的微變電容檢測困難的問題，提出了一種數(shù)字化的通用檢測接口方案。分析了基于“激勵-檢測”的直接式微變電容測量原理，利用DDS發(fā)生載波，并采用離散傅里葉變換分離測量結(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量需要，設(shè)計了具體的硬件電路進行驗證。實驗結(jié)果表明，檢測正確率在95%以上，該接口方案能夠較好地檢測設(shè)計值在0.1pF以上量級的微變電容，設(shè)計簡潔，具有較強的移植性。

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，被廣泛應(yīng)用于加速度、角速度、壓力等各種非電量的測量。但是，與純阻性傳感器不同，電容式傳感器的檢測接口設(shè)計較為困難和復(fù)雜，通常采用模擬分立式元件進行放大和采樣，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)字化檢測接口，通過綜合分析幅值和相位的關(guān)系，簡化了設(shè)計，減小了誤差，提高了檢測精度。

2 電容式傳感器模型

電容式傳感器是一種將待測非電量轉(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)的測量。為了增大信號量，常采用變間距方式進行敏感。

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

當沒有氣壓輸入時，傳感器初始電容量為：

式中：ε為介電常數(shù)，A 為極板間相對面積，d0為極板間初始間距。

當有外界氣壓輸入時，由于A2向A1運動，導(dǎo)致d0減小，此時，傳感器的電容量為：

式中：dx為間距變化量。

3 直接式接口檢測原理

常見的電容式傳感器接口有連續(xù)時間讀出(如電荷放大器型、跨阻放大器型)和離散時間讀出(如開關(guān)電容型)兩種，都是將待測電容量變化為電壓或電流量進行檢測，本質(zhì)上是一種間接檢測方法，不利于系統(tǒng)集成。電容作為一種非純阻性元件，對通過自身的電信號會進行幅度和相位的調(diào)制，利用這一關(guān)系，可以設(shè)計一種同時檢測幅度和相位的電容式接口方案。

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

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

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

(A1為放大系數(shù))，則檢測電壓為：

對檢測電壓進行AD轉(zhuǎn)換后進行分離可解得相應(yīng)的電容復(fù)阻抗為：

式中：Vdrive和Vsense均為復(fù)變量。

由于輸入信號為正弦信號，具有周期性，則其實部與虛部分別存儲了信號的幅值與相位信息，對Vsense進行DFT后就可得到待測電容量的變化信息。

4 檢測接口實際電路設(shè)計

由于電容式傳感器種類多，容值變化范圍廣，需要根據(jù)不同的測量范圍選擇合適的器件具體實現(xiàn)上述測量原理。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個極板。人體的某一待測部分(如手指)為活動極板，另外，2塊為固定極板。1塊以某一恒定正弦電壓激勵;另一塊接地。當人體接近時，電容量變大，當超過某一閾值時，即可認為有人體接近。整個傳感器的核心就在于微變電容量的檢測，基于上述原理，設(shè)計了實際電路。

AD5933是一款集成式單片檢測芯片，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量原理的主要功能，配合STM32F103CBT6微控制器就可以實現(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個控制字為0x170A3D和0×000000,即輸出45kHz固定激勵頻率。內(nèi)部寄存器0×94~0×95和0×96~0×97分別存儲了經(jīng)過DFT運算后的檢測電壓實部和虛部值，讀取這4個寄存器就可以獲得待測數(shù)值。

此外，AD5933還提供了14位精度的片內(nèi)溫度傳感器，可用于誤差補償，溫度值存儲在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。對于AD5933,需要設(shè)計相應(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。激勵和檢測部分應(yīng)盡可能靠近傳感器的兩端，并遠離印制電路板上的晶振等高頻數(shù)字信號的干擾。

5 實驗結(jié)果驗證

利用上述系統(tǒng)對自制的電容式接近傳感器進行了測試。該傳感器的2個固定極板為PCB上2塊相對的覆銅，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仿真可得此時電容為0.135pF,考慮環(huán)境濕度等因素影響，設(shè)置檢測閾值為0.139pF.當人體接近時，點亮電路板上的LED進行示意。連續(xù)對系統(tǒng)做了100次測試，第一類錯誤(未接近但報告)為3次，第二類錯誤(接近但為報告)2次，總體正確率在95%以上。發(fā)生兩類錯誤的主要原因在于活動極板(手指)的位置變化不規(guī)律，容易引入粗大誤差所致。實際測試表明，該電路對設(shè)計值在0.1pF以上量級的電容式傳感器具有較好的檢測效果。

6 結(jié) 論

設(shè)計了一種電容式傳感器數(shù)字化通用檢測接口，在完成原理分析后進行了實際電路測試。測試結(jié)果表明，該方案具有較好的電容檢測靈敏度，且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，具有良好的可靠性和可移植性。對于設(shè)計值在0.1pF以上量級的電容式傳感器的測試和應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。