工程師多年的電容式傳感器數(shù)字化通用檢測接口設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)

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(lì)-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(gè)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(shí)，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(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，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 直接式接口檢測原理

常見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(shí)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(lì)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(gè)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(lì)；另一塊接地。當(dāng)人體接近時(shí)，電容量變大，當(dāng)超過某一閾值時(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，基于上述原理，設(shè)計(jì)了實(shí)際電路。