一种电容式传感器数字化通用检测接口设计 传感器, 电容, 加速度, 角速度, 灵敏度

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电容式传感器具有体积小，功耗低，灵敏度高等优点，被广泛应用于加速度、角速度、压力等各种非电量的测量。但是，与纯阻性传感器不同，电容式传感器的检测接口设计较为困难和复杂，通常采用模拟分立式元件进行放大和采样，这不但增大了系统体积，还引入了额外的温度和非线性误差。本文提出了一种通用的电容式传感器数字化检测接口，通过综合分析幅值和相位的关系，简化了设计，减小了误差，提高了检测精度。
2 电容式传感器模型
电容式传感器是一种将待测非电量转换成电容变化量的器件，可以广泛应用于加速度、角速度、压力等参数的测量。为了增大信号量，常采用变间距方式进行敏感。
以电容式压力传感器为例，其简化的基本结构，如图1所示。A1、A2为2个电容极板，其中A1为固定极板，A2为活动极板，A3为敏感膜片，用于感测待测气压的变化，d为A1、A2间距。当有外界待测量输入时，A3将推动A2向A1运动，从而改变A1和A2极板间的电容，只要检测出该电容的变化，就可以换算出相应的气压值。
当没有气压输入时，传感器初始电容量为：
式中：ε为介电常数，A 为极板间相对面积，d0为极板间初始间距。
当有外界气压输入时，由于A2向A1运动，导致d0减小，此时，传感器的电容量为：
式中：dx为间距变化量。
3 直接式接口检测原理
常见的电容式传感器接口有连续时间读出(如电荷放大器型、跨阻放大器型)和离散时间读出(如开关电容型)两种，都是将待测电容量变化为电压或电流量进行检测，本质上是一种间接检测方法，不利于系统集成。电容作为一种非纯阻性元件，对通过自身的电信号会进行幅度和相位的调制，利用这一关系，可以设计一种同时检测幅度和相位的电容式接口方案。
图2为接口设计方案，C 为电容式传感器，R1和R2为辅助电阻，根据待测传感器电容量大小进行选择匹配。
微控制器采用DDS方法发出单频正弦载波，经过幅度调整后送入电容式传感器，经过与辅助电阻比较后，对波形进行放大滤波并数字化，对所得数值进行离散傅里叶变换分离出实部和虚部后送回微控制器进行后续的计算和线性化处理。
假设载波VDDS =A0sin(2πft)，经过幅度整形后的传感器激励电压为
(A1为放大系数)，则检测电压为：
对检测电压进行AD转换后进行分离可解得相应的电容复阻抗为：
4 检测接口实际电路设计
由于电容式传感器种类多，容值变化范围广，需要根据不同的测量范围选择合适的器件具体实现上述测量原理。电容式接近传感器是一种广泛应用的容性传感器，它共有3个极板。人体的某一待测部分(如手指)为活动极板，另外，2块为固定极板。1块以某一恒定正弦电压激励;另一块接地。当人体接近时，电容量变大，当超过某一阈值时，即可认为有人体接近。整个传感器的核心就在于微变电容量的检测，基于上述原理，设计了实际电路。
AD5933是一款集成式单片检测芯片，集成了频率发生、幅值调整、模数转换、离散变换等功能，其频率输出最高为100kHz.该芯片可以完成上述测量原理的主要功能，配合STM32F103CBT6微控制器就可以实现具体电路。
AD5933内部寄存器0×82~0×84为起始频率控制字，0×85~0×87为增量频率控制字，根据该型传感器需要，分别设置上述2个控制字为0x170A3D和0×000000,即输出45kHz固定激励频率。内部寄存器0×94~0×95和0×96~0×97分别存储了经过DFT运算后的检测电压实部和虚部值，读取这4个寄存器就可以获得待测数值。
此外，AD5933还提供了14位精度的片内温度传感器，可用于误差补偿，温度值存储在0×92~0×93寄存器中。系统的软件流程图如图所示。
由于电容量极易受到外界干扰的影响，因此必须做好PCB的布局和布线工作。对于AD5933,需要设计相应的模拟和数字地回路，其数字部分可与微控制器地回路直接连接。激励和检测部分应尽可能靠近传感器的两端，并远离印制电路板上的晶振等高频数字信号的干扰。
5 实验结果验证
利用上述系统对自制的电容式接近传感器进行了测试。该传感器的2个固定极板为PCB上2块相对的覆铜，其面积为3cm×1cm,厚度约为100μm,间距为2μm,PCB材质为FR4,初始电容约为0.13pF.以人手指相距板面1cm视为处于接近状态，使用Ansys仿真可得此时电容为0.135pF,考虑环境湿度等因素影响，设置检测阈值为0.139pF.当人体接近时，点亮电路板上的LED进行示意。连续对系统做了100次测试，第一类错误(未接近但报告)为3次，第二类错误(接近但为报告)2次，总体正确率在95%以上。发生两类错误的主要原因在于活动极板(手指)的位置变化不规律，容易引入粗大误差所致。实际测试表明，该电路对设计值在0.1pF以上量级的电容式传感器具有较好的检测效果。
6 结 论
设计了一种电容式传感器数字化通用检测接口，在完成原理分析后进行了实际电路测试。测试结果表明，该方案具有较好的电容检测灵敏度，且系统结构简单，具有良好的可靠性和可移植性。对于设计值在0.1pF以上量级的电容式传感器的测试和应用具有一定的指导意义。
式中：Vdrive和Vsense均为复变量。
由于输入信号为正弦信号，具有周期性，则其实部与虚部分别存储了信号的幅值与相位信息，对Vsense进行DFT后就可得到待测电容量的变化信息。