新型便攜式電容成像系統(tǒng)研究

鞠梓宸 叢雪明 韓瑋 馮啟蒙

摘 要：本文立足于設(shè)計便攜式測量裝置實現(xiàn)1 pF以下乃至幾十f F級別的微小電容值的測量并設(shè)計相應(yīng)檢測探頭對金屬/非金屬表面及隱藏缺陷實現(xiàn)電容成像。設(shè)計的系統(tǒng)主要由電容傳感器模塊，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模塊和上位機控制系統(tǒng)組成。以Labview軟件平臺為核心開發(fā)上位機控制軟件，實現(xiàn)將電容傳感器測量的電容值實時顯示在上位機顯示器上。本系統(tǒng)具有成本低，結(jié)構(gòu)簡單，上位機軟件方便移植等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：微小電容;Pcap02;STM32;電容成像

1? 引? ?言

當今電子測試領(lǐng)域，電容的測量已經(jīng)在測量技術(shù)和產(chǎn)品研發(fā)中應(yīng)用的十分廣泛。共面邊緣場電容成像（capacitive imaging）作為一種新型的非接觸式的、非侵入式的無損檢測方法，電場的特性使得該技術(shù)可以在不同性質(zhì)的材料中得以應(yīng)用。相較于傳統(tǒng)的檢測技術(shù)相比，本文所研究的共面邊緣場電容成像檢測技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)備成本更低，無輻射危害，并可同時實現(xiàn)多種類型材料（絕緣/非絕緣）不同類型的缺陷的檢測，且檢測結(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)微小測量系統(tǒng)進行優(yōu)化并與電容成像技術(shù)進行結(jié)合實現(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測量極板，通過使用Pcap02AE電容測量芯片，能對傳感器的兩塊測量極板進行不斷地充放電，進而實現(xiàn)測量極板與周圍環(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量儀器，具有一般非接觸式儀器所共有的無磨擦、無損磨特點外，還具有信噪比大，靈敏度高，零漂小，頻響寬，非線性小，精度穩(wěn)定性好，抗電磁干擾能力強和使用操作方便等優(yōu)點。測量系統(tǒng)對于測量范圍內(nèi)的電介質(zhì)變化非常敏感。電容測量系統(tǒng)主要測量平板電阻的阻抗值，阻抗值與探頭到被測物體之間的距離成正比。高精度測量，電容式測量原理是幾種精度最高的測量原理之一。如果有很小的漏電流或寄生電流流過探頭到控制器的電路，也會影響測量結(jié)果的準確性。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，使高精度測量成為可能。由于環(huán)境溫度的改變，導(dǎo)致的被測物體導(dǎo)電性變化，對測量結(jié)果沒有影響。電容式測量原理使傳感器甚至可以在波動的溫度環(huán)境下使用。

3? 總體設(shè)計

檢測系統(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SPI通信，包含外圍擴展電路。電容數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片可以處理電容傳感器的輸出信號，并將傳感器信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號通過SPI串行接口發(fā)送給微控制器。微控制器會對傳感器的測量進程進行控制，并讀取測量數(shù)據(jù)，對不同的數(shù)據(jù)作出相應(yīng)的校準和計算分析處理，再交由通訊信號轉(zhuǎn)換模塊，將串行數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成可用于USB總線傳輸?shù)碾娦盘?，最終發(fā)送給上位機并有上位機軟件進行后處理。同時，上位機也能夠通過USB總線與測量儀建立通訊。

2）軟件部分

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

4? 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件設(shè)計主要包括微小電容測量部分和數(shù)據(jù)傳輸部分，其中測量部分使用了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、時間數(shù)字轉(zhuǎn)換單元TDC和數(shù)字信號處理器DSP四個部分。芯片利用待測電容或參考電容與內(nèi)部電阻共同構(gòu)成了一個RC網(wǎng)絡(luò)，通過限流電阻對電容進行充放電以此實現(xiàn)測量。依次測量參考電容、內(nèi)外部寄生電容以及并聯(lián)電阻。經(jīng)多次測量后，時間數(shù)字單元TDC會將多次測量結(jié)果傳送給數(shù)字信號處理器DSP，DSP會按照固件的計算方法對數(shù)據(jù)進行內(nèi)外寄生電容和并聯(lián)電阻補償，求出待測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芯片的特點為所測結(jié)果以待測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外部串行接口SPI進行通訊，控制芯片會將固件、配置參數(shù)和測量命令發(fā)送給電容數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，完成測量后轉(zhuǎn)換。芯片會把測量結(jié)果返回給控制芯片作進一步處理。

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。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SPI接口控制轉(zhuǎn)換芯片的測量過程，對獲取的測量數(shù)據(jù)進行軟件處理，并通過通訊模塊與上位機進行數(shù)據(jù)交換。

5? 系統(tǒng)軟件設(shè)計

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

6? 初步電容成像實驗結(jié)果

本傳感器通過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的測量結(jié)果是相對參考電容比值，測量的電容需利用下式轉(zhuǎn)換計算

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

實驗一：面掃描玻璃鋼材質(zhì)通孔兩枚

7? ?結(jié)論

本文通過使用電容數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片PCAP02AE，優(yōu)化設(shè)計了傳統(tǒng)的CDC測量電容電路并與電容成像缺陷檢測系統(tǒng)進行了結(jié)合，實現(xiàn)了對金屬與非金屬表面缺陷的成像。本系統(tǒng)電路設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，并可同時檢測多路電容，檢測效率高。實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)精度高、誤差小、穩(wěn)定性好，適合檢測微小電容量。配合不同的檢測探頭，可應(yīng)用于多種場合，比如測量微小距離，測量木材含水率，濕度等。

參考文獻：

[1]蔣家云， 富寶龍. 電容式傳感器電容檢測電路的研究[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].電子測量技術(shù)，2017，40（09）：1-5.

[3]殷曉康， 李晨， 李振，等. 電容成像無損檢測實驗平臺的開發(fā)[J]. 實驗技術(shù)與管理， 2017， 34（3）：90-96.