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。
　　
　　4、檢測接口實際電路設計
　　
　　由于電容式傳感器種類多，容值變化范圍廣，需要根據不同的測量范圍選擇合適的器件具體實現上述測量原理。電容式接近傳感器是一種廣泛應用的容性傳感器，它共有3個極板。人體的某一待測部分（如手指）為活動極板，另外，2塊為固定極板。1塊以某一恒定正弦電壓激勵;另一塊接地。當人體接近時，電容量變大，當超過某一閾值時，即可認為有人體接近。整個傳感器的核心就在于微變電容量的檢測，基于上述原理，設計了實際電路。
　　
　　AD5933是一款集成式單片檢測芯片，集成了頻率發生、幅值調整、模數轉換、離散變換等功能，其頻率輸出zui高為100kHz.該芯片可以完成上述測量原理的主要功能，配合STM32F103CBT6微控制器就可以實現具體電路。
　　
　　AD5933內部寄存器0×82~0×84為起始頻率控制字，0×85~0×87為增量頻率控制字，根據該型傳感器需要，分別設置上述2個控制字為0x170A3D和0×000000,即輸出45kHz固定激勵頻率。內部寄存器0×94~0×95和0×96~0×97分別存儲了經過DFT運算后的檢測電壓實部和虛部值，讀取這4個寄存器就可以獲得待測數值。
　　
　　此外，AD5933還提供了14位精度的片內溫度傳感器，可用于誤差補償，溫度值存儲在0×92~0×93寄存器中。系統的軟件流程圖如圖所示。　　
　　由于電容量極易受到外界干擾的影響，因此必須做好PCB的布局和布線工作。對于AD5933,需要設計相應的模擬和數字地回路，其數字部分可與微控制器地回路直接連接。激勵和檢測部分應盡可能靠近傳感器的兩端，并遠離印制電路板上的晶振等高頻數字信號的干擾。
　　
　　5、實驗結果驗證
　　
　　利用上述系統對自制的電容式接近傳感器進行了測試。該傳感器的2個固定極板為PCB上2塊相對的覆銅，其面積為3cm×1cm,厚度約為100μm,間距為2μm,PCB材質為FR4,初始電容約為0.13pF.以人手指相距板面1cm視為處于接近狀態，使用Ansys仿真可得此時電容為0.135pF,考慮環境濕度等因素影響，設置檢測閾值為0.139pF.當人體接近時，點亮電路板上的LED進行示意。連續對系統做了100次測試，*類錯誤（未接近但報告）為3次，第二類錯誤（接近但為報告）2次，總體正確率在95%以上。發生兩類錯誤的主要原因在于活動極板（手指）的位置變化不規律，容易引入粗大誤差所致。實際測試表明，該電路對設計值在0.1pF以上量級的電容式傳感器具有較好的檢測效果。
　　
　　6、結論
　　
　　設計了一種電容式傳感器數字化通用檢測接口，在完成原理分析后進行了實際電路測試。測試結果表明，該方案具有較好的電容檢測靈敏度，且系統結構簡單，具有良好的可靠性和可移植性。對于設計值在0.1pF以上量級的電容式傳感器的測試和應用具有一定的指導意義。