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(duì)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(jí)的微變電容,設(shè)計(jì)簡潔,具有較強(qiáng)的移植性。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/159350.htm1 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(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(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(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(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)),則檢測電壓為:
對(duì)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(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后就可得到待測電容量的變化信息。
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