西门子电容传感器的数字化测量方法

一、电容传感器的特点

电容传感器主体由两个极板组成，结构简单，可组成平板、曲面、圆筒等多种形式，极板一般由金属做成，能经受很大的温度变化及辐射等恶劣环境条件。

电容传感器由于受几何尺寸的限制，其容量都是很小的，一般仅几个pF到几十pF。因C太小，故容抗很大，为高阻抗元件；由于电容小，需要作用的能量也小，可动的质量也小，因而它的固有频率很高，可以保证有良好的动态特性。传感器的视在功率P=U²₀ωC，C很小，P也很小，这使它易受到外界的干扰，所以信号的提取比较困难。同时由于电容小，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；调频电路等等。模拟测量方法电路环节多，容易受零漂温漂的影响，尤其对小电容的测量，更难保证测量精度。

二、数字化测量原理

数字化测量首先是将传感器的电容量变为频率信号，常用的有LC振荡和RC振荡。以555多谐振荡器为例，若被测电容为C_x其振荡频率为f=1.443/［(R₁+2R₂)C_x］，振荡器原理电路如图1所示，线路结构简单，受电源等外界因素影响小，振荡频率稳定。

图1　C/ f转换电原理图

由电容传感器的作用原理可知，不管是其极板间距离d的改变、极板相对面积S的改变或是电容介质常数ε的改变，都表现为是电容容量的改变。因f与C成反比，要测量C_x或ΔC_x，不能直接对f进行计数，用Δf计算ΔC_x更是繁琐，然而振荡周期T=1/f=KC_x与C_x成正比，所以，若定义一个可***测量的参量A，采取一定措施，使得A=（1/K）T=C_x，则测出A即得到C_x，算出ΔA也就等于算出ΔC_x。

目前流行的单片机都有外脉冲触发（INT₀，INT₁）功能和定时器（T₀，T₁）功能，利用有C_x参与振荡的脉冲触发定时器启动和停止，在软件的控制下便可得到与C_x相对应的A。举例说明如下：

若要测量一个C_x为1000pF左右的电容，用555做成振荡电路，硬件调整时先用一个标准的1 000 pF 电容替代C_x，调整R₁使输出脉冲频率为2 kHz。单片机初始化定义INT₀为外部脉冲输入，上升沿触发并允许INT₀中断；T₀为16位定时器，由T₀r触发。系统时钟用12MHz晶振，则T₀每隔1　μs计数器加1，16位定时器计满为65536μs，设计要求电容为1000pF时，参量A也为1000，即A随C_x而变，分辨率为1pF。

把振荡脉冲输入到INT₀端，在INT₀的第1个中断里，启动T₀，共计16个脉冲周期，在第17个INT₀中断时，停止T₀计时，读取TH₀和TL₀的值。当脉冲振荡频率为2kHz时，周期为500μs，16个周期为8000μs，这也是T₀的定时值，将T₀结果除以8，即TH₀、TL₀右移3位，就可求得A值，即对应C_x的值。

电路标准频率的调整，可用频率计测量，也可运行测量程序进行读数，当得到A=1000时即可。1000pF标准电容用稳定性好的独石电容，R₁用多圈精密电位器，调整完毕用C_x取代C即可进行测量。线路调整方便，性能稳定，检测精度1000 pF 时为±1 pF。