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(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(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。