一種電容式傳感器數(shù)字化通用檢測接口設計

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計值在0.1pF以上量級的微變電容，設計簡潔，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計較為困難和復雜，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系，簡化了設計，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，利用這一關系，可以設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的電容復阻抗為：

式中：Vdrive和Vsense均為復變量。

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。