基于AD7745的无接触电容式角度传感器的设计3

梁　胜1,黄钊洪1,李欣慧2

(1.华南师范大学信息光电子学院光子信息技术重点实验室,广东广州510006;

2.中国电子科技集团公司第四十九研究所,黑龙江哈尔滨150001)

摘　要:设计了一种完全无接触的电容式角度传感器,结构简单,电极引出线连接可靠,输出线性度高;采

用AD7745结合单片机采集处理电容信号,外围电路简洁,应用方便。软件设计通过对AD7745的实时调

节,在0°～90°转动时,线性输出为5mV～4.95V,角度可准确测量到5′。

关键词:电容角度传感器;电容数字转换器;I2C接口

中图分类号:TP274　　　文献标识码:A　　　文章编号:1000-9787(2007)12-0094-03

D esi gn of con t actless capac it ance angle sen sor

ba sed on AD77453

L I A NG Sheng1,HUANG Zhao2hong1,L I Xin2hui2

(1.Labora tory of Photon i c I nfor ma ti on Technology,South Ch i n a wor ma l Un i versity,Guangzhou510006,Ch i n a;

2.The49th Research I n stitute,Ch i n a Electron i cs Technology Corpora ti on,Harb i n150001,Ch i n a)

Abstract:A contactless capacitance angle sens or is designed.It has a si m p le structure and a better linearity.

AD7745and m icr o contr ol unit are used t o p r ocess the capacitance signal.It makes the circuit si m p le and easy t o

app licati on.The out put voltage varies fr om5mV t o4.95V as the angle changes fr om0°t o90°.The sens or

p recisi on is up t o5′.

Key words:capacitance angle sens or;capacitance2t o2digital converter(CDC);I2C interface

0　引　言

电容式角度传感器具有结构简单、体积小、灵敏度高,转动惯量小、抗恶劣环境性能好等一系列特点,在工农业生产各个领域得到了广泛应用。是当前传感器的重要发展方向之一。此类传感器中电容值的变化量非常小,目前,用于解决测量小电容的方法主要有电荷转移法和交流法[1],这2种电路的共同缺点是脉动噪声大,需使用滤波器和考虑相位补偿,电路结构相对复杂,成本也较高。另外,一般的电容式传感器都由定片和动片2个极板引出电极,传感器动片的运动会对引出电线的接触可靠性有影响。

本文设计了一种性能优良、高精度、完全无接触的电容式角度传感器,仅从定片上引出电极,动片的转动完全自由,损耗仅来自轴承,大大延长了使用寿命。并且,应用了高精度电容数字转换芯片AD7745,传感器的外围电路非常简洁,通过软件方法进行调试。传感器达到了相当高的精度。

1　工作原理和传感器设计

1)电容传感器的基本原理[2]

收稿日期:2007-04-01

3基金项目:广东省“十五”攻关重大计划资助项目(2002A1060204)

　　电容传感器的基本原理是基于物体间的电容量与其结构参数之间的关系。电容器的电容是构成电容器的两电极形状大小、相互位置及介电常数的函数。对于平行板电容器,不考虑边缘电场影响时,其电容量为

C=εS/δ=f(ε,δ,S),

式中　ε为介质的介电常数;S为极板的正对部分面积;δ为极板的距离,只要这3个物理量直接的或间接的变化,都能引起电容的变化,通过一定的测量线路将其转换为有用的信号输出,据此判断物理量的变化。这就是电容传感器的基本原理。只要能转换为机械位移变化或物质介质性质变化的物理量,如,压力、速度、加速度、力、湿度、密度等,均可设计成相应的电容传感器。因此,电容传感器具有很广的应用领域。

2)角度传感器的设计和工作原理

本文设计的角度传感器采用变面积式,通过改变两极板的正对面积来改变电容值。为了仅从固定的极板上引出导线并保证传感器输出量为线性值,本文特将传感器设计

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第12期　　　　　　　　　　　梁　胜,等:基于AD7745的无接触电容式角度传感器的设计　　　　　　　　　　　　如下:在覆铜板上用化学腐蚀的方法腐蚀出如图1的2个形状作为平行板电容器的2个极板,其中,一片为定片,一片为动片。定片的圆心部分是不连通的,分为a,b 两片,而动片的圆心部分是连通的。导线从定片的a,b 两片上分别引出,为了减少寄生电容,导线需要屏蔽[1]

。将定片固

定好,将动片装置在轴承上,再与定片平行放置,距离尽可

能小,保持同轴旋转

。

图1　定片和动片的形状

F i g 1　Structure d i a gram of fi xed part and unf i xed part

　　传感器的工作原理:定片和动片在初始位置时,两极板铜膜的正对面积为0,此时的理论电容为0,当动片转过一定角度θ时,动片上的铜膜和定片上a,b 两块铜膜的正对部分就构成了2只电容器C 1和C 2,由于动片的圆心部分是相连的,而定片的圆心部分是分离的,因此,这2只电容器是串联的关系。通过电路测量出这个串联电容器的等效电容,就可以知道角度的变化情况。传感器位置关系与等效电路模型如图2所示

。

图2　传感器装置位置关系与等效电路模型

F i g 2　Sen sor equ i p m en t positi on and equ i va len t c i rcu it m odel

　　对电容进行计算

C 1=εS a /δ,(1)C 2=εS b /

δ.(2)

由串联电容器的计算公式得

　　C =C 1C 2/(C 1+C 2).

(3)

将式(1),式(2)代入式(3)得C =[S a S b /(S a +S b )](ε/δ).(4)由图可知,S a =S b =S =12

r 2

θ。(5)

将式(5)代入式(4)得C =εr 2

4

δθ.

(6)

由式(6)可知,在两极板的距离和极板半径不变以及

介质的介电常数也不变的情况下,C ∝θ,呈线性关系。

3)电容信号的采集和处理

电容传感器由于受几何尺寸的,其电容量都是很小

的,一般仅几个皮法到几十皮法。因C 太小,故容抗X c =

1

ωC

很大,为高阻抗元件,由于电容量小,这使它易受到外界的干扰,所以,信号的提取比较困难,分布电容和寄生电容对灵敏度和测量精度都产生影响。传统的测量方法采用模拟电路测量手段,主要有电桥电路(普通交流电桥、变压器电桥、双

T 二极管电桥)、脉冲宽度调制电路、调频电路等,这些电路

复杂,调试困难,稳定性能有限,设计成本很高。本文选择

AD I 公司高精度电容数字转换器(C DC )AD7745结合单片机

将电容量由模拟量转换为数字量,再根据需要对数据进行处理,用D /A 转换器将数字信号转换成模拟信号输出[3]。由于器件集成度高,外围电路简洁,完全通过软件控制,应用更灵活。

AD7745集成了24位的∑2ΔADC 、基准电压、激励电

路、校准电路和控制寄存器,与微处理器的接口为I 2

C 串行

总线口[4]。被测电容C x 连接在激励源和∑2

Δ调制器的输入端,在转换期间,激励源发出方波激励信号,调制器不断

对通过C x 的电荷采样,并输出包含占空比信息的0,1数字流,由数字滤波器对调制器的输出进行校正处理,最终结果通过I 2C 串行总线口输出。

AD7745的分辨力为4aF,21位有效位数,精度为4fF;

输入电容范围:共模(不变)电容高达17pF,满度(变化)电容范围为±4pF;量程范围为8pF,起点量程0～13pF 可调。传感器硬件电路如图3

。

图3　硬件电路图

F i g 3　D i a gram of hardware c i rcu it

59

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　传感器与微系

统　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第26卷2　软件设计

AD7745内部有18个寄存器

[4]

,其中,包括状态寄存器

和数据存储器,主机要向这些寄存器里发送指令设置状态,并从数据寄存器中读出数据。写入状态命令和读出操作都

是通过I 2C 串行总线接口[4]实现的。本文采用的是单端输

入,连续电容数字转换,因此,在器件开始运行的时候要向

AD7745相应的存储器内写入控制命令。软件流程图如图4

。

图4　软件程序流程图

F i g 4　Flow chart of program

　　由于存在外部寄生电容,传感器在0°时候的电容值并不为0,即存在本底电容,而且,本底电容会随着环境的变化而变,不易得到定值,在进行D /A 转换前需要自动调零,然后,通过归一化,使在量程范围内传感器的输出为0～5V,通过软件对数据的处理很容易实现。

传感器还可以任意设定零点的位置,只要初始化时将传感器转动到需要的起点和所需要的满量程,如15°～75°,经过软件的自动调零和归一化后,输出电压量对应为0～5V 。

由于传感器的结构设计使传感器电容随角度的变化是线性的,因此,就不需要对线性化进行软件上的处理,不需要再加额外的存储器来存储线性数据对应表。

3　实验结果

电容器极片直径为70mm,两片之间间距为0.8mm,使

角度从0°增大到90°,观察到输出由50mV 增大到4.95V,

输出电压与角度的线性关系曲线如图5所示

。

图5　输出电压与角度的关系曲线

F i g 5　Rel a ti on sh i p curve of output volt age vs angle

　　线性拟合的相关系数为0.99828,表明传感器输出的线性度很高,12B 的D /A 转换器的有效精度达到5mV,角度可准确测量到5′。

4　结　论

设计了一种电容式角度传感器,外形结构简单,电容的

引线对运动完全没有影响,寿命延长。在0°～90°转动时,角度可准确测量到5′。由于信号经过数据处理,通过软件设计,可以实现自动调零和灵敏度补偿。改变电容器极板的形状,还可以测量位移,应用范围很广。参考文献:

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[4]　AD7745/AD7746DataSheet[M ].US A:Anal og Device,I nc,

2005:9.

作者简介:

梁　胜(1981-),男,广西南宁人,硕士研究生,主要研究方向为光电子信息元器件技术与应用。

(上接第93页)3　结　论

本文采用自组装技术制备了Au /Cu L 2金胶2PS A 抗体修饰电极,研究发现:该免疫传感器对PS A 具有良好的电化学响应,可用于血清的PS A 免疫分析,表明该传感器在前列腺疾病的诊断方面具有一定的应用前景。参考文献

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作者简介:

干　宁(1974-),男,江苏南京人,副研究员,博士,研究方向为电化学传感器。

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