电容应变式传感器原理及检测电路设计

电容应变式传感器原理及检测电路设计

佟春雨

中国电子科技集团公司第四十九研究所 黑龙江省哈尔滨市 150028

摘要：采用单片机电路监控电容充放电过程，通过充电时间计算电容值，测量原理及电路设计简单，电路工作稳定，同时可达到灵活应用、智能测量的目的。另外，基于充放电法电容测量电路具有抗杂散、高分辨力的特点，在电容传感器测量中应用广泛。

关键词：电容应变式传感器；原理；检测电路设计

1硬件电路设计

对充电电压特殊点的监测可由电压比较器完成，两路比较器分别监测充电电压经过低电压和高电压，将监测结果输入给单片机，单片机在两个比较器的反转时刻完成定时器的启动和停止，对充电过程进行计时。硬件电路设计即分为测量电路和显示电路，由单片机系统将两部分结合，完成对电容的测量及显示。

1.1测量电路

该测量方法主要是对电容充电时间的精确计时，所以要求定时器的时间计算准确，并且计时间隔要尽量小。选用20脚STCl2C2051单片机做为测量电路的控制和运算单元，能满足以上要求。STCl2C2051单片机为单时钟周期高速单片机，集成有2个外部中断源，2个定时，计数器。lK的flash程序存储器，256字节的数据存储器，工作频率范围0．35MHz，兼容51单片机，但速度比普通5l单片机快8—12倍哪。定时器可以每个时钟周期计数一次，选用24MHz的晶振时，计数间隔为1／24微秒，如果充放电回路电阻选择100K，则测量10pF的电容计时时间为2．4932微秒，定时计数器需要计数60次，每皮法电容变化量，单片机计数器计数值为6，所以测量变化量为皮法量级的电容，可以确保测量的准确性和精确度。电容充电时单片机的监控由外部中断完成。以保证在两个充电临界点及时开始和停止计数，提高测量的精确度。电容两端电压与两路电压比较器比较，比较电压分别设置为粤和坐尝堕，当电容两端电压小于低电压时，比较器输出均为高电平；当电容电压上升至设置低电压后，比较器B输出反转，电压负跳变申请单片机外部中断INTl同，在中断中打开计数器；当电容电压升至设置高电压后，比较器A输出反转，电压负跳变申请外部中断INT0，单片机关闭计数器。单片机定时器监控电容达到两个电压点的时间，从而计算电容值。计算结果由数码管显示单元显示。

1.2电源电路

单片机及外围电路均使用5V电源，所以需要有电源电路经市电变换为5V直流电。交流电先通过9W10W变压器降压，再经整流桥川(或者4个1N4007)将交流电转换为直流电，电容C20、C21起滤波作用，经L7805稳压后。输出+5V直流电压。选用的L7805最大输出电流为I．SA。可以满足系统电路的电流要求。

2电容式传感器的应用

压力传感器的结构如图1所示．固定电极的半径为ro，厚度为h的膜片组成可动电极，固定电极与可动电极间距离为d，用绝缘体将可动电极固定，在流体压力P的作用下，膜片弯曲变形。

图1压力传感器结构

电容式传感器虽然存在很多不足，比如：寄生电容影响大，不仅降低了传感器的灵敏度和精度，而且会使仪器工作不稳定，变极距型电容传感器输出成非线性，即使其他类型的电容传感器由于边缘效应的存在，也会出现非线性等。但随着材料、工艺、电子技术尤其是集成技术的高速发展，成功地解决了电容传感器在使用中存在的问题，使之成为一种高灵敏度、高精度，在动态、低压及一些特殊测量方面大有前途的传感器。电容式传感器的应用非常广泛，凡是可以转换为间距、面积和介电常数的量都可以用电容传感器来测量。限于篇幅，本文不可能一一介绍，仅就几方面的应用作一介绍。

2．1电容式位移传感器

电容式位移传感器可以实现非接触测量，用来测量各种导电材料的间隙、长度、尺寸或位置、振动位移等。CapaNCD(非接触电容位移传感器)测量原理的基础在于理想平板电容的构成，两个平板电极由传感器和相对应的被测体组成，当恒定的交流电加在传感器电容上时，传感器产生的交流电压与电容电极之间的距离成正比，交流电压经检波器，与一个可设置的补偿电压叠加，经放大，作为模拟信号输出。capaNCDT610是一个精密的单通道系统，它由电容位移传感器，传感器电缆和处理信号的前置器组成，用户可以在现场用二点线性化方法校准。这种传感器的特点是工作时无磨损，免维修、对被测体没有作用力、具有高的零点稳定性和精度、与被测体导电性能以及导电性能变化无关而且几乎不受温度影响。capaNCDT610可输出0～10V的电压，在牺牲精度的情况下，测量范围还可以扩大2～3倍。

2．2电容式物位传感器

电容式物位传感器有两个导电极板(通常把容器壁作为一个电极)，由于电极间是气体、液体或固体而导致静电容发生变化，因而可以敏感物位。它的敏感元件有三种形式，即棒状、板状和线状，其工作温度、压力主要受绝缘材料的限制。电容式物位传感器可以采取微机控制，实现自动调整灵敏度，并具有自诊断功能，同时能够检测敏感元件的破损、绝缘性的降低、电缆和电路的故障等，并可以自动报警，实现高可靠性的信息传递。由于电容式传感器无机械可动部分，且敏感元件简单，操作方便，是目前应用最广的一种物位传感器。

2．3固态电容式指纹传感器

个人身份的确定和权限的认定是人类社会生活的一个重要环节，尤其随着信息网络时代的到来，人们对安全性的要求越来越高。传统的身份识别方法在安全性、可靠性方面的不足越来越明显。随着传感器技术的发展，人们利用电容式传感器对人体不变的生物特征如指纹进行识别，从而识别人的身份，可靠性大大提高，广泛应用于养老金领取、人事工资管理、银行柜员身份确认等很多场合。目前市场上有两种固态指纹传感器，第一种是单次触摸型传感器，要求手指在采集区进行可靠的触摸；第二种则需要用手指在传感器表面擦过，传感器会采集一套特定的数据进行快速分析和认证。这两种指纹传感器都是利用指纹中凸起的部分置于传感器电容像素电极时电容量会有所增加，从而通过检测增加的电容来进行数据采集的。目前这两种指纹传感器都得到了广泛的应用。

3电容式传感器的发展

近年来随着科学技术的发展，电容式传感器的缺点不断地被克服，应用也越来越广泛，尤其是出现了数字式智能化的电容式传感器，它是一种先进的数字式测量系统。将其测量部件技术与微处理器的计算功能结合为一体，使得测量仪表至控制仪表成为全数字化系统。数字式智能化传感器的综合性能指标、实际测量准确度比传统的传感器提高了很多。总之，随着传感器技术的发展，电容式传感器的形式将会多种多样，其形式应以非接触式为研制重点。其发展方向是通过广泛应用微机等高新电子技术来获得全面性能的进一步提高，同时还要向着小型化、智能化、多功能化的方向发展。

参考文献：

[1] 庞天照,严子林,唐飞.碳化硅高温压力传感器的研究进展与展望[J].噪声与振动控制,2011,31(1): 170-174

[2] 李岩,刘迪,张树团.一种基于电容应变式传感器的信号调节电路[D].自动化与仪器仪表,2014.01, 16-21