VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

Емкостные датчики обладают высокой точностью и относительно низкой стоимостью. Однако разработчики, решившие использовать емкостные датчики в своем устройстве, вынуждены предусмотреть предварительное преобразование емкости в напряжение, поскольку подавляющее большинство имеющихся АЦП являются преобразователями напряжения. Сложность схемотехнических решений вторичных преобразователей для емкостных датчиков, временные затраты на разработку прототипа и тестирование системы зачастую вынуждают инженеров использовать другие типы датчиков. В итоге система может оказаться более дорогостоящей, менее точной, или и то и другое сразу.

Емкостные датчики изменяют свою емкость в зависимости от изменения измеряемой физической величины. Область их применения неуклонно расширяется - от наиболее дорогих и прецизионных промышленных и медицинских систем до простых и дешевых бытовых устройств. Емкостные датчики применяются в устройствах измерения влажности, давления и положения. Также на принципе измерения емкости основаны бесконтактные переключатели, датчики приближения, датчики отпечатков пальцев, измерители уровня жидкости, измерители свойств материалов, качества нефтепродуктов и разнообразные датчики положения [1,2].

Обычно от разработчика, пытающегося применить емкостный датчик, требуется реализовать недорогое, точное устройство, к входу которого подключается измеряемая емкость. В общем случае измерение емкости производится за счет подачи на электроды емкостного датчика тестового сигнала. Изменения емкости датчика преобразуются в изменения напряжения, тока, частоты или длительности импульсов. Существует несколько методов измерения емкости [3].

Прямой метод подразумевает заряд конденсатора от источника тока в течение определенного времени и затем измерение напряжения на конденсаторе [4]. Этот метод требует наличия прецизионного источника тока низкого уровня (менее 10 мкА) и высокоимпедансного у АЦП.

Второй метод подразумевает использование измеряемой емкости в качестве времязадающей в RC-генераторе с последующим измерением постоянной времени, частоты или периода [5]. Этот метод прост, но обычно не обеспечивает высокой точности.

Еще один подход заключается в измерении импеданса конденсатора на переменном токе. Источник синусоидального сигнала подключается к конденсатору, при этом измеряется напряжение и ток через конденсатор. При использовании четырехпроводного логометрического подключения (при котором измеряется соотношение импедансов) и синхронного демодулятора можно получить наиболее точный результат [6]. Однако такая схема очень сложна и состоит из многих компонентов.

Наиболее распространенный метод измерения емкости прецизионного датчика с малой величиной емкости заключается в применении зарядового усилителя, который преобразует соотношение измеряемой и опорной емкостей в напряжение [7]. Такая схема поставляется в виде специализированных микросхем и подходит для некоторых систем при больших объемах производства

Во всех описанных методиках емкость сначала преобразуется в напряжение, которое затем преобразуется в цифровой код. При помощи прецизионного аналого-цифрового преобразователя. В большинстве систем необходимо преобразование сигнала в цифровую форму. Имеется одно существенное преимущество представления сигнала в цифровой форме, даже если требуется аналоговый сигнал в виде напряжения или тока в токовой петле. Это преимущество заключается в том, что линеаризацию сигнала датчика, температурную компенсацию и калибровку гораздо легче выполнять в цифровом виде, нежели в аналоговом.

Очень важный аспект при проектировании измерительных устройств с прецизионными емкостными датчиками - это способ подключения датчика к вторичному преобразователю. Часто бывает, что разрабатываемое устройство должно иметь весьма ограниченные размеры, и схема обработки должна быть достаточно компактной для удовлетворения этим требованиям. Иногда необходимо, чтобы датчик был подключен к вторичному преобразователю достаточно длинным кабелем. Помехи, действующие на этот кабель, могут существенно исказить сигнал с датчика, ёмкость которого зачастую составляет единицы пикофарад. Более того, если расстояние от датчика до устройства обработки сигнала слишком велико, то методы измерений, чувствительные к емкости соединительного кабеля или к токам утечки, могут оказаться совершенно неприемлемыми.

Хорошо проработанная технология сигма-дельта преобразования, применяющаяся в АЦП с высокой разрешающей способностью, представлена на рисунке 1. В обычном сигма-дельта АЦП происходит переключение конденсаторов фиксированной величины (C_REF, C_IN) и за счет этого достигается уравнивание заряда между меняющимся сигналом на аналоговом входе (V_in) и постоянным сигналом источника опорного напряжения (V_ref). Компаратор определяет знак напряжения на выходе интегратора, полученный в каждом такте тактового генератора, задающего частоту модуляции. Как правило, частота тактового генератора составляет порядка десятков килогерц. Цепь обратной связи работает таким образом, что сигнал на выходе интегратора возрастал, если выход компаратора в логическом «нуле», и убывал, если в логической «единице». Изменения на выходе интегратора детектируются компаратором, который за счёт изменения полярности напряжения на конденсаторах C_REFиC_INпытается удержать значение напряжения на выходе интегратора на уровне нуля вольт. Поток логических «единиц» и «нулей» поступает на вход цифрового фильтра, который представляет их в виде цифрового кода. Примеры сигналов, вырабатываемых сигма-дельта модулятором, представлены на рисунке 2.

Подобная структура по своей сути является чрезвычайно эффективной с точки зрения линейности и точности, однако особенностью данной архитектуры является балансирование между разрешающей способностью и быстродействием (частотой обновления данных на выходе). Разрешающая способность ограничена только шумами системы.

Рисунок 1 – Сигма-дельта модулятор

а – аналоговый сигнал на входе модулятора;

б – цифровой выходной сигнал.

Рисунок 2 - Примеры сигналов, вырабатываемых сигма-дельта модулятором

Модифицированная схема сигма-дельта модулятора для преобразования значения ёмкости в цифровой код показана на рисунке 3 [3].

Рисунок 3 - Модифицированная схема сигма-дельта модулятора

Фиксированное входное напряжение можно рассматривать как тестовое воздействие (напряжение возбуждения). Конденсатор, емкость которого меняется, будем рассматривать как емкостный датчик. В результате выходной код будет соответствовать соотношению емкости датчика и опорной емкости C_REF.

Этот новый подход позволяет осуществить прямое подключение емкостного датчика к сигма-дельта преобразователю, что само по себе обеспечивает такие преимущества, как высокая разрешающая способность, точность и линейность. Кроме того, имеются и другие особенности использования описанной схемы в реальной системе. Такой вторичный преобразователь не чувствителен к величине ёмкости между выводами датчика и «землей» или к току утечки на «землю», если эти величины находятся в пределах, характерных для реальных измерительных задач [3].

На нынешнее время наиболее перспективными с точки зрения точности преобразования являются именно такие вторичные преобразователи для ёмкостных датчиков, построенные на базе сигма-дельта модулятора.

Список литературы

1. Джексон Р.Г. Новейшие датчики. - М.: Техносфера, 2007. – 380 с

2. Туричин М.А. Электрические измерения неэлектрических величин /под ред. П.В. Новицкого. - М. – Л.: Энергия, 1966. – 690 с.

3. Михаль Брихта. Преобразователи емкости в цифровой код на основе сигма-дельта модулятора // Компоненты и технологии. - 2006. - №1 – С. 34-36.

4. Сайт компании Acam-Messelectronic GMBH [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.acam.de, http://www.acam-usa.com.

5. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. – Л.: Энергия, 1980. – 248 с.

6. Эпштейн С.Л. Измерение характеристик конденсаторов. – Л.: Энергия, 1971. – 325 с.

7. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. – М.: Мир, 1986. –704 с.

Код для цитирования: Скопировать