一種電容式傳感器數(shù)字化通用檢測接口設(shè)計(jì)

　　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(jì)了具體的硬件電路進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，檢測正確率在95%以上，該接口方案能夠較好地檢測設(shè)計(jì)值在0.1pF以上量級的微變電容，設(shè)計(jì)簡潔，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(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)字化檢測接口，通過綜合分析幅值和相位的關(guān)系，簡化了設(shè)計(jì)，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(jìn)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(dāng)有外界待測量輸入時，A3將推動A2向A1運(yùn)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(dāng)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(dāng)有外界氣壓輸入時，由于A2向A1運(yùn)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(jìn)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(jìn)行幅度和相位的調(diào)制，利用這一關(guān)系，可以設(shè)計(jì)一種同時檢測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(jìn)行放大濾波并數(shù)字化，對所得數(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(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。
　　
　　由于輸入信號為正弦信號，具有周期性，則其實(shí)部與虛部分別存儲了信號的幅值與相位信息，對Vsense進(jìn)行DFT后就可得到待測電容量的變化信息。
　　
　　4、檢測接口實(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)不同的測量范圍選擇合適的器件具體實(shí)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(dāng)人體接近時，電容量變大，當(dāng)超過某一閾值時，即可認(rèn)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(jì)了實(shí)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zui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(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(yùn)算后的檢測電壓實(shí)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(bǔ)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(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。激勵和檢測部分應(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)字信號的干擾。
　　
　　5、實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證
　　
　　利用上述系統(tǒng)對自制的電容式接近傳感器進(jìn)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(dāng)人體接近時，點(diǎn)亮電路板上的LED進(jìn)行示意。連續(xù)對系統(tǒng)做了100次測試，*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(shí)際測試表明，該電路對設(shè)計(jì)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(jì)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(jìn)行了實(shí)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(jì)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。