李 晶，于殿泓

(西安理工大學(xué)機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院，陜西西安 710048)

0 引言

淺層埋線探測系統(tǒng)裝置能夠檢測出室內(nèi)淺層地面及墻體內(nèi)管線的位置，避免了因室內(nèi)裝修、隨意開挖地面對居民生活造成的干擾，具有很好的應(yīng)用性。電容傳感器由于尺寸小、功耗低、精度高，目前已被用來測量多個(gè)物理量[1]，而本系統(tǒng)的探測原理正是基于電容傳感器的邊緣效應(yīng)。通過ANSYS軟件對管線探測模型的仿真，得出因埋線引起的電容變化量為pF級(jí)，而電路中的寄生電容與電容變化量一般同量級(jí)，如何避免電路中的噪聲對測量結(jié)果造成影響至關(guān)重要。

現(xiàn)有的檢測微小電容的檢測方法主要有跨阻放大檢測法[2]、充放電法電容檢測法以及電荷轉(zhuǎn)移法[3]等。在該探測系統(tǒng)中，上述方法不能對外界干擾進(jìn)行消除，而本文設(shè)計(jì)的交流電橋電容檢測法提供了寬頻率范圍、高穩(wěn)定性的激勵(lì)信號(hào)源，保證了相敏檢波電路解調(diào)的完整性，通過調(diào)節(jié)電橋平衡點(diǎn)可避免因外界環(huán)境改變造成平衡點(diǎn)偏移的現(xiàn)象，且檢測靈敏度較高。通過實(shí)驗(yàn)得出，在10 kHz的正弦波激勵(lì)信號(hào)作用下，測量電路靈敏度約為0.1 V/pF。

1 測量電路工作原理

本文設(shè)計(jì)的測量電路原理框圖如圖1所示。電路中使用升壓、降壓模塊提供器件所需電壓，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生交流電橋的激勵(lì)源，將電容傳感器接入交流電橋的一臂，調(diào)節(jié)參數(shù)使電橋達(dá)到平衡狀態(tài)。當(dāng)埋線的存在使電橋輸出信號(hào)發(fā)生變化時(shí)，差分放大電路提取有效信號(hào)并進(jìn)行放大，對放大后的信號(hào)進(jìn)行幅度調(diào)制、相敏解調(diào)及低通濾波，可得到調(diào)制信號(hào)。通過全波精密整流電路將交流有效信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)，通過判斷直流電壓信號(hào)的幅值變化可得到電容傳感器的電容變化量。

圖1 測量電路大批量圖

1.1 供電電壓模塊

該電路應(yīng)用在淺層埋線探測裝置中，要求該裝置的供電電源實(shí)現(xiàn)便攜化，因此電路設(shè)計(jì)中包含了升壓、降壓模塊。外接電壓源通過USB接口提供+5 V直流電壓，升壓模塊將正DC +5 V轉(zhuǎn)換為DC±15 V，降壓模塊將DC+15 V降為+5 V、將DC-15 V降為-5 V。選擇升壓模塊芯片時(shí)，需考慮電路中的功率消耗，否則芯片會(huì)出現(xiàn)發(fā)熱嚴(yán)重、輸出電壓幅值衰減的現(xiàn)象，導(dǎo)致某些器件不能正常工作。圖2為供電電壓模塊框圖。

圖2 供電電壓產(chǎn)生模塊

1.2 信號(hào)發(fā)生器

交流電橋的核心是信號(hào)發(fā)生器[4]，必須保證正弦波的穩(wěn)定性；信號(hào)調(diào)制中，為了防止出現(xiàn)混疊信號(hào)，要求載波信號(hào)的頻率越高越好；在電路設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)相同功能下追求成本低廉。為了滿足上述要求，本課題中采用MAX038高頻信號(hào)發(fā)生器。MAX038所需外圍元件少，輸出波形種類多(正弦波、三角波、鋸齒波、脈沖波)，波形頻率范圍大(0.1 Hz～20 MHz)，可通過外圍電路調(diào)節(jié)輸出波形頻率和占空比[5]。

在該電路設(shè)計(jì)中，采用低功率TLC2254A 4路運(yùn)放控制MAX038輸出波形的占空比和波形頻率；使用寬通頻帶運(yùn)放AD817對輸出波形的幅值進(jìn)行放大，幅值越大，交流電橋?qū)﹄娙葑兓康姆直媛蕰?huì)更大。信號(hào)發(fā)生電路模塊框圖如圖3所示。

圖3 信號(hào)發(fā)生模塊

1.3 電橋檢測電容與差分放大電路

電橋檢測電容原理如圖4所示，C4為外接電容傳感器，C5為可調(diào)電容。將放大的正弦信號(hào)加載到交流電橋的A、D兩端，通過調(diào)節(jié)可調(diào)電容器和可變電阻，使電橋接近平衡狀態(tài)，即電橋B、C兩端輸出的電勢差達(dá)到最小值，當(dāng)電容傳感器的電容值改變，B、C兩端輸出的電勢差隨之變大，將2路信號(hào)接入差分運(yùn)放的2個(gè)輸入端，將微小信號(hào)進(jìn)行放大，放大后的信號(hào)進(jìn)行幅度調(diào)制。

圖4 電容檢測及電壓放大電路

1.4 相敏解調(diào)電路與低通濾波電路

信號(hào)發(fā)生器1產(chǎn)生的恒壓正弦波加載在交流電橋的兩端，當(dāng)交流電橋達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，差分運(yùn)放輸出的信號(hào)為固定電壓值。當(dāng)電橋任一臂的電容發(fā)生改變，電橋輸出信號(hào)幅值會(huì)隨之變化，且輸出與輸入信號(hào)存在相位差。為了能夠判別輸出信號(hào)相位，達(dá)到消除非相干電路噪聲和提高信噪比[6]的目的，選用幅度調(diào)制并采用相敏檢波電路進(jìn)行解調(diào)。

設(shè)差分運(yùn)放輸出正弦信號(hào)為

A=Uxmsin(ω0+φ)t

(1)

參考正弦信號(hào)為

B=sinω1t

(2)

則調(diào)幅信號(hào)為

Y=A·B

(3)

式中Y為雙邊帶調(diào)幅信號(hào)。

將雙邊帶調(diào)幅信號(hào)Y乘以參考信號(hào)B，得到

(4)

式(4)中的信號(hào)Z由1路低頻信號(hào)和2路高頻信號(hào)組成，將高頻信號(hào)通過低通濾波器濾除后就可得到調(diào)制信號(hào)，但調(diào)制信號(hào)的幅值發(fā)生改變。

濾波器分為有源和無源濾波器[7]，有源濾波器的濾除效果優(yōu)于無源濾波器，且巴特沃斯濾波器的響應(yīng)曲線相對于其他濾波器較為平滑[8]，因此選擇巴特沃斯濾波器進(jìn)行高頻濾波。典型巴特沃斯二階無限增益多端反饋電路的原理圖如圖5所示[9]。

圖5 二階無限增益多端反饋電路圖

截止頻率為ωc的二階低通濾波器的典型全極點(diǎn)傳遞函數(shù)可以寫成[10]

(5)

式中：常數(shù)B和C為歸一化系數(shù)；ωc為濾波器的截止頻率；K為濾波器增益[11]。

將濾波器的放大倍數(shù)設(shè)為2，ωc為200 kHz，根據(jù)巴特沃斯低通濾波器的設(shè)計(jì)系數(shù)庫，計(jì)算得出R1=33 kΩ，R2=66 kΩ，R3=23.1 kΩ，C1=8.33 pF，C2=50 pF，因此將低通濾波器的參數(shù)取為上述計(jì)算值時(shí)，2路高頻信號(hào)可被濾除掉，電路輸出只為有效低頻信號(hào)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

埋線探測系統(tǒng)主要包括電容傳感器、埋線模擬實(shí)驗(yàn)裝置、電容轉(zhuǎn)換電路、微處理器電路、上位機(jī)、測試系統(tǒng)，框圖如圖6所示。埋線探測主要針對的是水管埋線，水管的介電常數(shù)遠(yuǎn)大于空氣的介電常數(shù)，電容器的容值會(huì)因水管的存在而改變，電容的變化經(jīng)過容壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化為電壓的變化，微處理器使用FPGA芯片進(jìn)行邏輯控制，實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)傳送等功能，上位機(jī)與下位機(jī)進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)顯示。

圖6 埋線測量系統(tǒng)

電容轉(zhuǎn)換電路中的交流電橋檢測電容的原理圖如圖7所示，根據(jù)電橋平衡原理:

圖7 交流電橋檢測電容原理圖

(6)

當(dāng)Z1電容值的變化量為Δz時(shí)，Ubd的變化量為

(7)

式(7)中，Δz=1/(jωΔC)，ΔC為電容器電容變化量，因此b、d兩端的電壓變化量與正弦波頻率、正弦波幅值、電容傳感器電容變化量相關(guān)。本文主要從傳感器電容變化量和激勵(lì)頻率兩方面進(jìn)行分析。

2.1 電容變化量對輸出結(jié)果的影響

為了得到交流電橋中外接電容大小與輸出直流電壓之間的關(guān)系，將電橋兩臂的一端接入可調(diào)電容，另一端接入固定電容，不斷調(diào)節(jié)可調(diào)電容，并在示波器上觀察輸出直流電壓幅值，當(dāng)電壓幅值達(dá)到最小值時(shí)，說明電橋已達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。當(dāng)改變固定電容值時(shí)，輸出的直流電壓信號(hào)幅值也會(huì)隨之改變。使用multisim軟件對系統(tǒng)電路進(jìn)行仿真，將圖4中C5和C4分別設(shè)為30、40、50 pF時(shí)，電橋輸出電壓近似為0 V，改變C4電容值，記錄仿真值，得到圖8仿真曲線圖。

圖8 仿真數(shù)據(jù)圖

分析圖8得出，電橋平衡時(shí)輸出電壓值為最低點(diǎn)，在平衡點(diǎn)左側(cè)，隨著電容值的減少，電壓增大，成線性關(guān)系；平衡點(diǎn)右側(cè)，隨著電容值的增大，電壓增大，成線性關(guān)系，因此以平衡點(diǎn)為基準(zhǔn)，電容與電壓呈現(xiàn)V字形關(guān)系。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的電容檢測電路功能是否正確，進(jìn)行以下實(shí)驗(yàn)。

圖9 電橋平衡點(diǎn)測量圖

將圖4中的電容C5分別設(shè)為10、15、20、25 pF，通過改變C4的大小找出電路中的平衡點(diǎn)，將測得的數(shù)據(jù)繪制如圖9所示。圖9所得數(shù)據(jù)規(guī)律與仿真結(jié)果呈現(xiàn)一致性，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)電路功能的正確性。進(jìn)一步分析，可得隨著C5增大，電橋的平衡點(diǎn)會(huì)向右偏移，且平衡點(diǎn)輸出電壓逐漸增大，側(cè)面反映出電路中噪聲對電橋輸出信號(hào)產(chǎn)生了一定的影響。

2.2 激勵(lì)頻率對輸出結(jié)果的影響

將C5取為20 pF，交流電橋的激勵(lì)源分別設(shè)為7、8、9、10 kHz，改變C4的值，采用多次測量求平均值的方法記錄數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)繪制成圖10所示。

圖10 多種頻率數(shù)據(jù)測量圖

分析圖10，從縱向方向可得出，在電橋兩臂電容不變的情況下，正弦波頻率越高，輸出的電壓值越大；從橫向方向可得出，不同頻率激勵(lì)源作用下，電容與電壓呈現(xiàn)V字關(guān)系，與圖9實(shí)驗(yàn)規(guī)律相同。因此電路參數(shù)不變，正弦激勵(lì)信號(hào)越高，電路對電容變化的靈敏度越高，因此在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)合理選擇高頻信號(hào)。埋線的存在會(huì)導(dǎo)致電容傳感器的電容值增大，而不存在電容減小的情況，因此只對圖10中平衡點(diǎn)右側(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。圖11為擬合得到的直線。

圖11 線性擬合直線

測得數(shù)據(jù)經(jīng)擬合后，輸入電容量與輸出電壓量成線性關(guān)系，與仿真規(guī)律相符合，因此該測量電路有良好的線性度。測量值與理想值的偏差包括示波器讀數(shù)帶來的誤差、實(shí)驗(yàn)使用電容容值測量的偏差及電路自身的寄生電容與電橋電路相互作用帶來的誤差，在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)盡量避免造成誤差的因素產(chǎn)生，保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了適用于室內(nèi)淺層埋線探測的微小電容檢測電路，利用電容傳感器的邊緣效應(yīng)達(dá)到測量埋線的目的，不僅體現(xiàn)了電容器自身的價(jià)值，而且通過改變非平行板電容器的夾角范圍，可實(shí)現(xiàn)不同深度埋線的探測，使該探測裝置具有很大的靈活性。該電路最終實(shí)現(xiàn)0.1 V/pF的電容測量靈敏度，在淺層埋線探測應(yīng)用中，成為了檢測電容變化重要的一部分。