工程师多年的电容式传感器数字化通用检测接口设计经验

电子设计 2018-01-13 07:27 次阅读

针对电容式传感器的微变电容检测困难的问题,提出了一种数字化的通用检测接口方案。分析了基于“激励-检测”的直接式微变电容测量原理,利用DDS发生载波,并采用离散傅里叶变换分离测量结果的幅值与相位以求得电容变化量。根据接近式电容传感器的测量需要,设计了具体的硬件电路进行验证。实验结果表明,检测正确率在95%以上,该接口方案能够较好地检测设计值在0.1pF以上量级的微变电容,设计简洁,具有较强的移植性。

  1 引 言

  电容式传感器具有体积小,功耗低,灵敏度高等优点,被广泛应用于加速度、角速度、压力等各种非电量的测量。但是,与纯阻性传感器不同,电容式传感器的检测接口设计较为困难和复杂,通常采用模拟分立式元件进行放大和采样,这不但增大了系统体积,还引入了额外的温度和非线性误差。本文提出了一种通用的电容式传感器数字化检测接口,通过综合分析幅值和相位的关系,简化了设计,减小了误差,提高了检测精度。

  2 电容式传感器模型

  电容式传感器是一种将待测非电量转换成电容变化量的器件,可以广泛应用于加速度、角速度、压力等参数的测量。为了增大信号量,常采用变间距方式进行敏感。

  以电容式压力传感器为例,其简化的基本结构,如图1所示。A1、A2为2个电容极板,其中A1为固定极板,A2为活动极板,A3为敏感膜片,用于感测待测气压的变化,d为A1、A2间距。当有外界待测量输入时,A3将推动A2向A1运动,从而改变A1和A2极板间的电容,只要检测出该电容的变化,就可以换算出相应的气压值。

201351394035286.jpg

  当没有气压输入时,传感器初始电容量为:

201351394035943.jpg

  式中:ε为介电常数,A 为极板间相对面积,d0为极板间初始间距。

  当有外界气压输入时,由于A2向A1运动,导致d0减小,此时,传感器的电容量为:

201351394035801.jpg

  式中:dx为间距变化量。

  3 直接式接口检测原理

  常见的电容式传感器接口有连续时间读出(如电荷放大器型、跨阻放大器型)和离散时间读出(如开关电容型)两种,都是将待测电容量变化为电压或电流量进行检测,本质上是一种间接检测方法,不利于系统集成。电容作为一种非纯阻性元件,对通过自身的电信号会进行幅度和相位的调制,利用这一关系,可以设计一种同时检测幅度和相位的电容式接口方案。

201351394035537.jpg

  图2为接口设计方案,C 为电容式传感器,R1和R2为辅助电阻,根据待测传感器电容量大小进行选择匹配。

  微控制器采用DDS方法发出单频正弦载波,经过幅度调整后送入电容式传感器,经过与辅助电阻比较后,对波形进行放大滤波并数字化,对所得数值进行离散傅里叶变换分离出实部和虚部后送回微控制器进行后续的计算和线性化处理。

  假设载波VDDS =A0sin(2πft),经过幅度整形后的传感器激励电压为201351394035426.jpg(A1为放大系数),则检测电压为:

201351394035154.jpg

  对检测电压进行AD转换后进行分离可解得相应的电容复阻抗为:

201351394035675.jpg

  式中:Vdrive和Vsense均为复变量。

  由于输入信号为正弦信号,具有周期性,则其实部与虚部分别存储了信号的幅值与相位信息,对Vsense进行DFT后就可得到待测电容量的变化信息。

  4 检测接口实际电路设计

  由于电容式传感器种类多,容值变化范围广,需要根据不同的测量范围选择合适的器件具体实现上述测量原理。电容式接近传感器是一种广泛应用的容性传感器,它共有3个极板。人体的某一待测部分(如手指)为活动极板,另外,2块为固定极板。1块以某一恒定正弦电压激励;另一块接地。当人体接近时,电容量变大,当超过某一阈值时,即可认为有人体接近。整个传感器的核心就在于微变电容量的检测,基于上述原理,设计了实际电路。

电子设计 技术专区

关注电子发烧友微信

有趣有料的资讯及技术干货

下载发烧友APP

打造属于您的人脉电子圈

关注发烧友课堂

锁定最新课程活动及技术直播
收藏 人收藏
分享:

评论

相关推荐

自动化仪表常见故障诊断

若流量仪表值达到最高,一般现场检测仪表也会显示最高,这时手动调节远程调节阀大小,若流量值减小,说明是....

的头像 工控资料窝 发表于 04-19 16:11 151次阅读
自动化仪表常见故障诊断

下一代可穿戴技术将会是你的皮肤?

也许有一天,电子皮肤能够让这件事成为可能。 科学家们正在研发一种柔性的、可弯曲甚至可延展的电子电路....

发表于 04-16 16:08 37次阅读
下一代可穿戴技术将会是你的皮肤?

四通道声发射信号采集设计方案

声发射技术作为一种新型动态监测技术,在无损检测技术中占有重要地位。而无损检测技术又是故障诊断中较为常....

发表于 04-10 11:06 33次阅读
四通道声发射信号采集设计方案

一文详解MEMS压力传感器原理及与IC的异同

MEMS压力传感器广泛应用于汽车电子如TPMS、发动机机油压力传感器、汽车刹车系统空气压力传感器、汽....

发表于 04-10 10:54 65次阅读
一文详解MEMS压力传感器原理及与IC的异同

电容式传感器的检测方法及测试原理

MS3110是Irvine Sensor公司生产的具有极低噪声的通用电容检测芯片。它采用CMOS工艺....

发表于 04-10 03:54 80次阅读
电容式传感器的检测方法及测试原理

开辟手机边框交互新天地,纽迪瑞科技边缘触控压力传感器荣获年度最佳传感器

由全球电子技术领域最大媒体集团AspenCore举办的以“中国 IC 业之世界格局”为主题的“201....

的头像 人间烟火123 发表于 04-04 14:02 2919次阅读
开辟手机边框交互新天地,纽迪瑞科技边缘触控压力传感器荣获年度最佳传感器

用于腐蚀性燃油管路的耐腐蚀压力传感器

不断减少燃油消耗量和蒸发排放量的要求正促使汽车制造商及其供应商制定 新的路线图。内燃机是世界上所有严....

的头像 人间烟火123 发表于 04-02 17:56 1913次阅读
用于腐蚀性燃油管路的耐腐蚀压力传感器

MEMS传感器在汽车上的应用及产业化发展

最流行的汽车MEMS压力传感器采用压阻式力敏原理,这是现有几种力敏传感器中用量最大的一种,开发出几....

发表于 04-02 09:01 108次阅读
MEMS传感器在汽车上的应用及产业化发展

不得不知的生活常用七大传感器

传感器的静态特性的主要指标有线性度、迟滞、重复性、灵敏度和准确度等。传感器的动态特性则指的是对于输入....

发表于 04-02 08:14 223次阅读
不得不知的生活常用七大传感器

MEMS硅膜电容式压力传感器的基本原理和结构设计

目前敏感薄膜的材料多采用重掺杂p型硅、Si3N4、单晶硅等。这几种材料都各有优缺点,其选择与目标要求....

发表于 03-30 16:04 175次阅读
MEMS硅膜电容式压力传感器的基本原理和结构设计

什么是压力变送器_压力变送器和压力传感器有什么区别

压力变送器是一种将压力转换成气动信号或电动信号进行控制和远传的设备。它能将测压元件传感器感受到的气体....

发表于 03-29 14:33 105次阅读
什么是压力变送器_压力变送器和压力传感器有什么区别

汽车压力监测系统软硬补偿设计

系统采用硅压阻式压力传感器,它具有体积小、灵敏度高、分辨率高等特点,被广泛采用。但温度漂移是硅压阻式....

发表于 03-29 13:07 169次阅读
汽车压力监测系统软硬补偿设计

详解智能人工肛门设计

超声波是一种振动频率高于声波的机械波,具有频率高、波长短、绕射现象小、方向性好、能够成为射线而定向传....

发表于 03-29 10:55 104次阅读
详解智能人工肛门设计

浅谈压力传感器的误差、维护和防干扰措施

压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器,其广泛应用于各种工业自控环境,涉及水利水电、铁路交通、智....

发表于 03-21 09:31 270次阅读
浅谈压力传感器的误差、维护和防干扰措施

清华大学仿生石墨烯压力传感器研究取得重要进展

近日,清华大学微电子系任天令教授团队在《美国化学学会·纳米》(ACS Nano)上发表了题为《仿生针....

的头像 传感器应用示范平台 发表于 03-16 14:28 790次阅读
清华大学仿生石墨烯压力传感器研究取得重要进展

气动应用选择重载压力传感器的技巧

传感器的选择标准应满足系统一致性和可靠性的全部需求。为气动空气压缩机应用选型时,设计工程师需考虑以下....

发表于 03-15 17:33 113次阅读
气动应用选择重载压力传感器的技巧

智能压力传感器技术应用和数据融合技术的研究

一个压力传感器,当压力参量恒定而温度变化时,其输出值也发生改变,即这个压力传感器存在温度参量的复合灵....

发表于 03-14 10:00 153次阅读
智能压力传感器技术应用和数据融合技术的研究

电桥式压力传感器工作原理分析

OP放大器A1为恒流输出电路,电流大小由基准电压VZ和传感电阻决定,本电路用可变电阻的最大阻,否则O....

发表于 03-14 09:21 171次阅读
电桥式压力传感器工作原理分析

高温压力传感器器件的基本组成和应用

压力传感器是使用最为广泛的一种传感器。传统的压力传感器以机械结构型的器件为主,以弹性元件的形变指示压....

发表于 03-14 09:08 151次阅读
高温压力传感器器件的基本组成和应用

InvenSense ICP-10100防水型低功耗MEMS传感器,提供精确的压力和温度读数

ICP-10100压力传感器具有嵌入式温度传感器和用于通信的400 kHz I2C总线,可在3.2P....

发表于 03-12 16:28 115次阅读
InvenSense ICP-10100防水型低功耗MEMS传感器,提供精确的压力和温度读数

液压传感助力公路非机动车辆提升效率和安全性

霍尼韦尔智能位置传感器采用非接触式磁阻技术来准确检测在恶劣的运输应用中的位置信息,可应用于挖掘机上,....

发表于 03-09 17:07 94次阅读
液压传感助力公路非机动车辆提升效率和安全性

压差传感器与压力传感器的区别

这两个概念你得搞清楚,压阻传感器指的是压力传感器中用的一种工作原理,压阻式的。传感器通过一定的设计结....

发表于 02-28 13:42 248次阅读
压差传感器与压力传感器的区别

电磁阀打开后压力传感器可以瞬间恢复平稳吗?

发表于 02-27 09:29 523次阅读
电磁阀打开后压力传感器可以瞬间恢复平稳吗?

压力传感器经典设计汇总

压力传感器是使用最为广泛的一种传感器。传统的压力传感器以机械结构型的器件为主,以弹性元件的形变指示压....

发表于 02-20 22:38 222次阅读
压力传感器经典设计汇总

电荷放大器工作原理

电荷放大器由电荷变换级、适调级、低通滤波器、高通滤波器、末级功放、电源几部分组成。

发表于 02-12 14:43 1057次阅读
电荷放大器工作原理

电荷放大器仿真和设计

使用电压换能器测试系统时,电荷放大器是一个必不可少的信号调节器。它能够直接将微弱电荷量转换为低阻抗电....

的头像 陈翠 发表于 02-12 11:44 1242次阅读
电荷放大器仿真和设计

详细解析压力传感器分类及应用

压力传感器是将压力转换为电信号输出的传感器。 在讲述压力传感器的同时,我们必须导出压力变送器的....

的头像 传感器技术 发表于 02-05 09:22 1473次阅读
详细解析压力传感器分类及应用

工业领域必不可少的压力传感器应用

压力传感器是最为常用的一种传感器,其广泛应用于各种工业自控环境,涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生....

发表于 01-26 16:32 312次阅读
工业领域必不可少的压力传感器应用

压力传感器的主要作用及原理

压力传感器是能感受压力信号,并能按照一定的规律将压力信号转换成可用的输出的电信号的器件或装置。压力传....

发表于 01-22 16:57 329次阅读
压力传感器的主要作用及原理

压力传感器测试方法_压力传感器的测量原理_压力传感器种类

本文开始介绍了什么是压力传感器、压力传感器种类与工作原理,其次介绍了压力传感器测试方法及原理与压力传....

发表于 01-22 10:20 485次阅读
压力传感器测试方法_压力传感器的测量原理_压力传感器种类

常用压力传感器型号有哪些_压力传感器型号大全

压力传感器是能感受压力信号,并能按照一定的规律将压力信号转换成可用的输出的电信号的器件或装置。压力传....

发表于 01-21 11:23 758次阅读
常用压力传感器型号有哪些_压力传感器型号大全

汽车轮胎压力传感器工作原理

应变式传感器的工作原理主要是基于电阻应变效应上,就是导体在外界作用下产生机械变形时,其电阻值相应发生....

发表于 01-18 11:04 303次阅读
汽车轮胎压力传感器工作原理

这是一款实用的双面接触式电容压力传感器设计方案,拿走不谢

双面接触式电容压力传感器的原理是基于单面接触式电容压力传感器而来的。其工作原理:当传感器的受压膜片(....

的头像 电子设计 发表于 01-06 07:37 2146次阅读
这是一款实用的双面接触式电容压力传感器设计方案,拿走不谢

生活中应用比较广的七大常用传感器

发表于 01-04 16:26 1119次阅读
生活中应用比较广的七大常用传感器

智能车路径识别中的传感器如何工作?这篇文章告诉你答案

众所周知,压电式压力传感器的性能主要用瞬变压力信号发生器和正弦信号发生器测量。瞬变压力信号发生器是指....

的头像 电子设计 发表于 01-04 07:12 2648次阅读
智能车路径识别中的传感器如何工作?这篇文章告诉你答案

Melexis推出一款新型高精度压力传感器适用于汽车领域的严苛介质应用

迈来芯(Melexis),宣布推出一款新型高精度压力传感器--- MLX90818,特别适用于汽车领....

的头像 MEMS 发表于 12-29 11:29 1484次阅读
Melexis推出一款新型高精度压力传感器适用于汽车领域的严苛介质应用

压力传感器最常见的应用和原理分析

压力传感器是最为常用的一种传感器,被广泛应用于各种工业自控环境,涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生....

的头像 科技技术 发表于 12-25 14:38 2184次阅读
压力传感器最常见的应用和原理分析

迈来芯推新型高精度压力传感器,主要针对严苛汽车应用

最高精度、最小尺寸和最好介质兼容性,能为改善环境做出重大贡献 比利时泰森德洛,2017年12月19日....

的头像 模拟对话 发表于 12-20 09:40 4895次阅读
迈来芯推新型高精度压力传感器,主要针对严苛汽车应用

基于STC12C5A60S2单片机的自动称重控制设计

使用压力传感器采集信号、单片机集成的ADC转换器进行 A/D转换、光电耦合器件减小干扰、电机的点动控....

发表于 12-18 15:47 329次阅读
基于STC12C5A60S2单片机的自动称重控制设计

电容式传感器使用中应注意的事项

发表于 12-13 11:46 510次阅读
电容式传感器使用中应注意的事项

电容式传感器的选用

发表于 12-13 11:43 395次阅读
电容式传感器的选用

电容式传感器的工作原理和种类

发表于 12-12 11:55 452次阅读
电容式传感器的工作原理和种类

工业级压力传感器产品技术资料

发表于 11-21 15:17 703次阅读
工业级压力传感器产品技术资料

st发布应用用于三星智能手环的防水压力传感器

横跨多重电子应用领域的全球领先的半导体供应商意法半导体(STMicroelectronics,简称S....

的头像 意法半导体AMG 发表于 11-21 07:23 3774次阅读
st发布应用用于三星智能手环的防水压力传感器

医用压力传感器的作用

医用压力传感器(Medical pressure sensors)是专门医用的压力传感器。即是专门医....

发表于 11-19 14:32 1079次阅读
医用压力传感器的作用

汽车压力传感器11452-4测试不过,求解决方案

发表于 10-29 22:10 811次阅读
汽车压力传感器11452-4测试不过,求解决方案

帮手机实现屏下指纹识别,苹果新专利曝光

近日,苹果获得了一项超声压力和触摸传感器专利,可以借此生产出更薄、更加一体化的3D Touch装置。

的头像 MEMS 发表于 10-19 11:53 1906次阅读
帮手机实现屏下指纹识别,苹果新专利曝光

纳芯微电子推出NMC3000压力传感器全自动批量标定系统

日前,在上海举行的第28届中国国际测量控制与仪器仪表展览会上,苏州纳芯微电子展示的其自主开发的NMC....

的头像 MEMS 发表于 10-12 18:17 2287次阅读
纳芯微电子推出NMC3000压力传感器全自动批量标定系统

设计压力传感器的调理电路

发表于 10-08 21:33 624次阅读
设计压力传感器的调理电路

带你了解各种压力传感器的特点及应用

固体受力后电阻率发生变化的现象称为压阻效应。压阻式压力传感器是基于半导体材料(单晶硅)的压阻效应原理....

发表于 09-29 18:50 1993次阅读
带你了解各种压力传感器的特点及应用

德国E+H集团工业压力传感器去年营收做到2.3亿元

德国E+H(恩德斯豪斯)是一家员工数超过1万人的家族企业,去年营收21亿欧元,其中工业压力传感器贡献....

发表于 09-22 18:41 777次阅读
德国E+H集团工业压力传感器去年营收做到2.3亿元

压力传感器如何选型资料

发表于 09-22 10:03 876次阅读
压力传感器如何选型资料

钰芯 金叉指电极 叉指阵列微电极 梳状电极 梳形电极 指状电极 电极式传感器

发表于 09-19 09:54 527次阅读
钰芯 金叉指电极 叉指阵列微电极 梳状电极 梳形电极 指状电极 电极式传感器

两大市场驱动压力传感器投入增长,亚洲首个工业传感周9月启动

近年,信息技术在工业领域的全面应用促进了工业传感器市场规模的迅速增长,其中压力传感器是目前发展最迅速....

发表于 08-21 14:58 541次阅读
两大市场驱动压力传感器投入增长,亚洲首个工业传感周9月启动

压力传感器的误差和抗干扰措施

压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器,其广泛应用于各种工业自控环境,涉及水利水电、铁路交通、智....

发表于 08-02 11:19 1016次阅读
压力传感器的误差和抗干扰措施

电容式传感器的分类、优缺点和电容式传感器的测量转换电路

电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感元件,将被测物理量或机械量转换成为电容量变化的一种转换装置,....

发表于 06-05 17:23 426次阅读
电容式传感器的分类、优缺点和电容式传感器的测量转换电路

电容式传感器的工作原理、结构类型及其应用与注意事项

电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感元件,将被测物理量或机械量转换成为电容量变化的一种转换装置,....

发表于 06-03 10:01 5142次阅读
电容式传感器的工作原理、结构类型及其应用与注意事项

压力传感器的工作原理,什么是压力传感器,压力传感器的接线方法

压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器,其广泛应用于各种工业自控环境,涉及水利水电、铁路交通、智....

发表于 04-26 09:12 6171次阅读
压力传感器的工作原理,什么是压力传感器,压力传感器的接线方法

压力传感器的工作原理,压力传感器介绍

压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器,其广泛应用于各种工业自控环境,涉及水利水电、铁路交通、智....

发表于 04-21 11:22 7681次阅读
压力传感器的工作原理,压力传感器介绍

十大传感器及可穿戴传感器市场预测

物联网的发展必将带动传感器市场的发展,在传感器朝着更小尺寸、更智能化发展的趋势下,Top10的传感器....

发表于 02-08 14:00 676次阅读
十大传感器及可穿戴传感器市场预测