鞠梓宸 叢雪明 韓瑋 馮啟蒙

摘 要：本文立足于設(shè)計(jì)便攜式測(cè)量裝置實(shí)現(xiàn)1 pF以下乃至幾十f F級(jí)別的微小電容值的測(cè)量并設(shè)計(jì)相應(yīng)檢測(cè)探頭對(duì)金屬/非金屬表面及隱藏缺陷實(shí)現(xiàn)電容成像。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要由電容傳感器模塊，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模塊和上位機(jī)控制系統(tǒng)組成。以Labview軟件平臺(tái)為核心開(kāi)發(fā)上位機(jī)控制軟件，實(shí)現(xiàn)將電容傳感器測(cè)量的電容值實(shí)時(shí)顯示在上位機(jī)顯示器上。本系統(tǒng)具有成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，上位機(jī)軟件方便移植等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：微小電容;Pcap02;STM32;電容成像

1? 引? ?言

當(dāng)今電子測(cè)試領(lǐng)域，電容的測(cè)量已經(jīng)在測(cè)量技術(shù)和產(chǎn)品研發(fā)中應(yīng)用的十分廣泛。共面邊緣場(chǎng)電容成像（capacitive imaging）作為一種新型的非接觸式的、非侵入式的無(wú)損檢測(cè)方法，電場(chǎng)的特性使得該技術(shù)可以在不同性質(zhì)的材料中得以應(yīng)用。相較于傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)相比，本文所研究的共面邊緣場(chǎng)電容成像檢測(cè)技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)備成本更低，無(wú)輻射危害，并可同時(shí)實(shí)現(xiàn)多種類(lèi)型材料（絕緣/非絕緣）不同類(lèi)型的缺陷的檢測(cè)，且檢測(cè)結(jié)果經(jīng)處理可以以圖像的形式直觀呈現(xiàn)。故本文將傳統(tǒng)微小測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化并與電容成像技術(shù)進(jìn)行結(jié)合實(shí)現(xiàn)電容成像系統(tǒng)地便攜化，小型化，模塊化。[1]

2? ?電容式傳感器測(cè)量原理

電容式傳感器基于平板電容原理。電容的兩極分別是傳感器的兩個(gè)測(cè)量極板，通過(guò)使用Pcap02AE電容測(cè)量芯片，能對(duì)傳感器的兩塊測(cè)量極板進(jìn)行不斷地充放電，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)測(cè)量極板與周?chē)h(huán)境耦合的電容值。電容傳感器是一種非接觸電容式原理的精密測(cè)量?jī)x器，具有一般非接觸式儀器所共有的無(wú)磨擦、無(wú)損磨特點(diǎn)外，還具有信噪比大，靈敏度高，零漂小，頻響寬，非線(xiàn)性小，精度穩(wěn)定性好，抗電磁干擾能力強(qiáng)和使用操作方便等優(yōu)點(diǎn)。測(cè)量系統(tǒng)對(duì)于測(cè)量范圍內(nèi)的電介質(zhì)變化非常敏感。電容測(cè)量系統(tǒng)主要測(cè)量平板電阻的阻抗值，阻抗值與探頭到被測(cè)物體之間的距離成正比。高精度測(cè)量，電容式測(cè)量原理是幾種精度最高的測(cè)量原理之一。如果有很小的漏電流或寄生電流流過(guò)探頭到控制器的電路，也會(huì)影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，探頭到控制器之間的電纜需要特殊的雙屏蔽電纜。這種特殊的，全封閉的RF電纜保證了高信號(hào)質(zhì)量。雙屏蔽電纜與接地磁屏蔽技術(shù)的使用，使高精度測(cè)量成為可能。由于環(huán)境溫度的改變，導(dǎo)致的被測(cè)物體導(dǎo)電性變化，對(duì)測(cè)量結(jié)果沒(méi)有影響。電容式測(cè)量原理使傳感器甚至可以在波動(dòng)的溫度環(huán)境下使用。

3? 總體設(shè)計(jì)

檢測(cè)系統(tǒng)總體可分為兩大部分：硬件部分和軟件部分

1）硬件部分 STM32F030F4與PCAP02芯片通過(guò)SPI通信，包含外圍擴(kuò)展電路。電容數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片可以處理電容傳感器的輸出信號(hào)，并將傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)通過(guò)SPI串行接口發(fā)送給微控制器。微控制器會(huì)對(duì)傳感器的測(cè)量進(jìn)程進(jìn)行控制，并讀取測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)不同的數(shù)據(jù)作出相應(yīng)的校準(zhǔn)和計(jì)算分析處理，再交由通訊信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊，將串行數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成可用于USB總線(xiàn)傳輸?shù)碾娦盘?hào)，最終發(fā)送給上位機(jī)并有上位機(jī)軟件進(jìn)行后處理。同時(shí)，上位機(jī)也能夠通過(guò)USB總線(xiàn)與測(cè)量?jī)x建立通訊。

2）軟件部分

單片機(jī)的下位機(jī)C程序，包括通信協(xié)議，對(duì)芯片內(nèi)部RAM和寄存器進(jìn)行配置操作，完成數(shù)據(jù)測(cè)量和處理，顯示結(jié)果到上位機(jī)LABVIEW軟件上等。

4? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括微小電容測(cè)量部分和數(shù)據(jù)傳輸部分，其中測(cè)量部分使用了PCAP02AE芯片。

4.1? ?PCap02 AE模塊

PCap02芯片是一種新型電容數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，主要包含了電容數(shù)字轉(zhuǎn)換單元CDC、電阻數(shù)字轉(zhuǎn)換單元RDC、時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換單元TDC和數(shù)字信號(hào)處理器DSP四個(gè)部分。芯片利用待測(cè)電容或參考電容與內(nèi)部電阻共同構(gòu)成了一個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)限流電阻對(duì)電容進(jìn)行充放電以此實(shí)現(xiàn)測(cè)量。依次測(cè)量參考電容、內(nèi)外部寄生電容以及并聯(lián)電阻。經(jīng)多次測(cè)量后，時(shí)間數(shù)字單元TDC會(huì)將多次測(cè)量結(jié)果傳送給數(shù)字信號(hào)處理器DSP，DSP會(huì)按照固件的計(jì)算方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)外寄生電容和并聯(lián)電阻補(bǔ)償，求出待測(cè)電容和參考電容之比的平均值，將所得數(shù)據(jù)放入結(jié)果寄存器中以方便讀取。PCap02芯片的特點(diǎn)為所測(cè)結(jié)果以待測(cè)電容和參考電容之比的形式給出，誤差小，減少了溫度的影響。PCap02AE芯片與控制芯片通過(guò)外部串行接口SPI進(jìn)行通訊，控制芯片會(huì)將固件、配置參數(shù)和測(cè)量命令發(fā)送給電容數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，完成測(cè)量后轉(zhuǎn)換。芯片會(huì)把測(cè)量結(jié)果返回給控制芯片作進(jìn)一步處理。

4.2微控制器模塊

控制芯片選用32位STM32F030f4p6微控制器，內(nèi)部帶有閃存程序存儲(chǔ)器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和各種通信接口，具有高速、高性能、低功耗的特點(diǎn)。微控制器模塊是在微控制器STM32F030f4p6最小系統(tǒng)的基礎(chǔ)上使用了SPI和USART通信接口。該模塊主要是通過(guò)SPI接口控制轉(zhuǎn)換芯片的測(cè)量過(guò)程，對(duì)獲取的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件處理，并通過(guò)通訊模塊與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

5? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要是下位機(jī)C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)。下位機(jī)程序由C語(yǔ)言編程，主要包括STM32單片機(jī)的初始化、測(cè)量芯片PCAP02AE的初始化、通信、測(cè)量與數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。芯片PCAP02AE初始化需要通信測(cè)試并向SRAM下載固件，此固件由芯片廠商提供，最后按照設(shè)計(jì)要求配置寄存器。完成誰(shuí)他媽2和芯片的初始化后，發(fā)送開(kāi)始測(cè)量命令，采集數(shù)據(jù)并傳輸。[2]

6? 初步電容成像實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本傳感器通過(guò)I/O接口可選擇工作在上傳電容模式或上傳距離模式。由于Pcap02的測(cè)量結(jié)果是相對(duì)參考電容比值，測(cè)量的電容需利用下式轉(zhuǎn)換計(jì)算

其中，C為轉(zhuǎn)換后電容的測(cè)量結(jié)果，Cdet為Pcap02的測(cè)量結(jié)果，Cref為參考電容。[3]

實(shí)驗(yàn)一：面掃描玻璃鋼材質(zhì)通孔兩枚

7? ?結(jié)論

本文通過(guò)使用電容數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片PCAP02AE，優(yōu)化設(shè)計(jì)了傳統(tǒng)的CDC測(cè)量電容電路并與電容成像缺陷檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)金屬與非金屬表面缺陷的成像。本系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并可同時(shí)檢測(cè)多路電容，檢測(cè)效率高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)精度高、誤差小、穩(wěn)定性好，適合檢測(cè)微小電容量。配合不同的檢測(cè)探頭，可應(yīng)用于多種場(chǎng)合，比如測(cè)量微小距離，測(cè)量木材含水率，濕度等。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔣家云， 富寶龍. 電容式傳感器電容檢測(cè)電路的研究[J]. 傳感器世界， 2008， 14（3）：46-49.

[2]李振，殷曉康，李晨，王克凡.基于COMSOL的電容成像傳感器仿真研究[J].電子測(cè)量技術(shù)，2017，40（09）：1-5.

[3]殷曉康， 李晨， 李振，等. 電容成像無(wú)損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理， 2017， 34（3）：90-96.