一種電容式傳感器數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發生載波，并采用離散傅里葉變換分離測量結果的幅值與相位以求得電容變化量。根據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，其簡化的基本結構，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，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，本質上是一種間接檢測方法，不利于系統集成。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方法發出單頻正弦載波，經過幅度調整后送入電容式傳感器，經過與輔助電阻比較后，對波形進行放大濾波并數字化，對所得數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的計算和線性化處理。

假設載波VDDS =A0sin(2πft)，經過幅度整形后的傳感器激勵電壓為

(A1為放大系數)，則檢測電壓為：

對檢測電壓進行AD轉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。