一種新型智能電容傳感器設(shè)計(jì)

［摘 要］文章旨在改進(jìn)傳統(tǒng)電容式接近傳感器抗干擾能力差，誤觸發(fā)頻繁的問題。在充分調(diào)研國內(nèi)外傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用市場基礎(chǔ)上，新型智能電容傳感器的硬件重新設(shè)計(jì)了振蕩電路、單片機(jī)控制電路和IO-LINK 驅(qū)動(dòng)電路，軟件使用了自適應(yīng)的投票算法和自動(dòng)示教功能。新型智能電容傳感器在安裝方式上支持三芯電纜的IO-LINK 模式，可實(shí)現(xiàn)簡單快速對(duì)傳感器的過程數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)展診斷，提升現(xiàn)階段電容傳感器的智能化水平，同時(shí)為同類新型產(chǎn)品的研發(fā)提供有效的解決方案。

［關(guān)鍵詞］智能電容傳感器； 自動(dòng)示教；抗干擾；溫度檢測；IOLINK ；振蕩電路

［中圖分類號(hào)］TH744 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號(hào)］2095–6487（2024）04–0039–05

電容是電子電路中常見的無源器件之一，電容式接近傳感器通過測量傳感器與金屬或者任何介質(zhì)系數(shù)大于2 的材料之間的電容變化來反映當(dāng)前物體是否存在。這種變化通過影響傳感器的局部電場進(jìn)而被控制電路轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬信號(hào)，輸入到MCU 中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換來參與運(yùn)算。電容接近傳感器這種非接觸式的特性可被大量應(yīng)用在工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，例如，傳送帶、機(jī)械臂動(dòng)作信號(hào)的反饋、高腐蝕高危場景下的液位檢測。傳統(tǒng)的電容式接近傳感器主要利用RC振蕩電路，通過產(chǎn)生固定周期的方波脈沖來驅(qū)動(dòng)電容板，從而產(chǎn)生脈沖電壓信號(hào)。這種方法通過純硬件電路生成脈沖信號(hào)，利用電阻和電容參與振蕩工作用以維持穩(wěn)定的振蕩頻率。然而，傳統(tǒng)的電容式傳感器易受溫度、電磁干擾以及電機(jī)變頻器的影響，導(dǎo)致信號(hào)誤觸發(fā)頻繁，嚴(yán)重限制了使用場景。

近年來，電容接近傳感器為了滿足工業(yè)現(xiàn)場嚴(yán)苛的環(huán)境，其需要更加穩(wěn)定的MCU 增強(qiáng)傳感器抗干擾的等級(jí)，同時(shí)傳感器需要具備自主監(jiān)測功能，提前對(duì)過程數(shù)據(jù)、診斷數(shù)據(jù)和設(shè)備信息進(jìn)行管理和分析，以便及時(shí)通知維護(hù)人員進(jìn)行更換。IO-LINK 作為一種全新的工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的數(shù)字通信協(xié)議，其可被用于連接傳感器和執(zhí)行器與工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中的控制器，實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。文章結(jié)合MCU+IO-LINK 設(shè)計(jì)，硬件電路實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)的RC 振蕩電路，通過專用電路主動(dòng)產(chǎn)生激勵(lì)，同時(shí)增加RC 濾波，提高電路的抗電磁干擾能力。MCU 實(shí)現(xiàn)了對(duì)包括環(huán)境在內(nèi)的各類輸入信號(hào)進(jìn)行檢測、處理與邏輯判斷，以達(dá)到溫度自動(dòng)補(bǔ)償、距離自適應(yīng)調(diào)節(jié)的功能。IO-LINK 驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程對(duì)電容傳感器的參數(shù)進(jìn)行靈活配置，可更快地發(fā)現(xiàn)和定位設(shè)備故障，提高工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性。

1 電容式接近傳感器原理

電容式接近傳感器的工作原理是基于測量物體與傳感器之間電容的變化來檢測被測物的存在。當(dāng)被測物靠近傳感器時(shí)，被測物與傳感器之間的電容會(huì)發(fā)生變化。電容的變化通過放大電路進(jìn)行放大，再傳遞給電壓比較器，當(dāng)變化量超過設(shè)定的閾值，比較器的輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)換并被MCU 檢測到。具體的公式如下所示：

式中，Q為電容器累計(jì)的電荷量，εr為電容器中的兩個(gè)極板之間的相對(duì)介電常數(shù)，S為對(duì)應(yīng)的極板重疊的面積，UA－UB為電容器兩個(gè)極板間的電壓差，k為物體學(xué)中的靜電力常量，d為兩個(gè)電極相隔的距離。

電容式接近傳感器主要通過以下步驟實(shí)現(xiàn)：感應(yīng)電容用于在傳感器的探測端產(chǎn)生一個(gè)電場，當(dāng)物體接近時(shí)，物體與電場之間形成電容。具體電容值與物體的距離有關(guān)。MCU 的外圍檢測電路負(fù)責(zé)放大并將這種電容的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通常是電壓或電流信號(hào)。MCU 通過設(shè)定的閾值確定物體是否足夠接近。當(dāng)電容變化超過設(shè)定的閾值時(shí)，傳感器的輸出端口輸出相應(yīng)的信號(hào)。真實(shí)的工業(yè)場景下，由于電磁干擾或溫度漂移，電極之間的電場并不是一直處于一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)。而且被檢測物體與電容傳感器之間的介電常數(shù)會(huì)隨著物體的移動(dòng)產(chǎn)生變化，導(dǎo)致電容值和實(shí)際距離值之間是一種非線性關(guān)系。如果要實(shí)現(xiàn)電容傳感器的穩(wěn)定檢測，必須著力解決抗干擾和距離殘差補(bǔ)償算法。

2 方案設(shè)定

整個(gè)智能電容傳感器的硬件電路設(shè)計(jì)方案包括電源轉(zhuǎn)換電路、驅(qū)動(dòng)電源電路、信號(hào)檢測電路、信號(hào)處理電路、MCU 控制處理電路。其中MCU 控制電路具體又包括IO-LINK 接口電路、溫度檢測電路和顯示電路。對(duì)應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)方案包括溫度自適應(yīng)補(bǔ)償算法、距離殘差補(bǔ)償算法及投票算法。智能電容傳感器系統(tǒng)框如圖1 所示。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 驅(qū)動(dòng)電源電路

一個(gè)穩(wěn)定可靠的電源是確保產(chǎn)品正常工作的關(guān)鍵。其不僅是為電路各部分提供能量的來源，更是確保整個(gè)系統(tǒng)可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)。圖2 為改進(jìn)的驅(qū)動(dòng)電源電路，其中VCC_1 代表外部電源轉(zhuǎn)換提供的基準(zhǔn)電源。CPU1 則是由微控制器單元（MCU）控制內(nèi)部時(shí)鐘頻率生成的方波脈沖信號(hào)源。這個(gè)方波信號(hào)經(jīng)過三極管推挽電路，可形成一個(gè)穩(wěn)定可靠的電壓VCC 信號(hào)。相比于直接使用外部電源供電，新的電路設(shè)計(jì)方案考慮了電壓的穩(wěn)定性和波動(dòng)，可確保輸出的電壓在預(yù)期范圍內(nèi)，不會(huì)受到外部干擾或內(nèi)部變化的影響。當(dāng)然，這種電路設(shè)計(jì)方案不局限于電容傳感器，其他同類型產(chǎn)品也可以借鑒使用。

3.2 DAOC抗干擾設(shè)計(jì)

在電容傳感器設(shè)計(jì)中，電磁干擾一直是一大難題，為了解決這一問題，在新產(chǎn)品中提出了DAOC 抗干擾理念，這個(gè)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)主要分為兩個(gè)部分。

（1）圖2 中利用電容C7 的隔直流通交流特性，傳感器的負(fù)向輸入端Senor- 和GND 之間既能夠保證有效隔離，又相互聯(lián)系。這樣不僅可保證數(shù)值上Sensor- 等于Sensor+，同時(shí)在頻率和幅值上也能夠保持一致。Sensor- 和GND 通過C3進(jìn)行連接，而D1 的加入可將Sensor- 的電壓限制在0.7 V 的范圍內(nèi)。通過接入示波器進(jìn)行觀察，得到不同參考點(diǎn)下的電壓變化波形。GND 參考點(diǎn) AGND 波形如圖3 所示，GND 參考點(diǎn) VCC 波形如圖4 所示，AGND 參考點(diǎn) VCC 波形如圖5 所示。

（2）MCU 控制電路、IO-LINK 通訊和溫度檢測等模塊都以GND 為參考點(diǎn)，信號(hào)處理電路、檢測電路和驅(qū)動(dòng)電路選擇Sensor- 作為參考點(diǎn)。這個(gè)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢在于避免了Sensor- 可能帶來的負(fù)面影響，保證了電容傳感器供電電源信號(hào)的同步。這樣一來，即使外部信號(hào)有波動(dòng)或有電磁干擾產(chǎn)生的交流信號(hào)作用在Sensor- 上，信號(hào)也能夠同時(shí)被改變，從而有效地相互抵消干擾的影響。

3.3 檢測電路

電容接近傳感器中被檢測物體的有無是通過檢測電容極板和檢測物體之間電容的變化反映，具體感應(yīng)信號(hào)檢測電路如圖6 所示，傳感器與被測物體之間的電壓信號(hào)經(jīng)過前級(jí)電路后通過D2 送到選通芯片輸入端1，控制端通過R3 與傳感器的負(fù)向輸入端相連，此外其還和電容C5 組成RC 濾波器，對(duì)硬件電路中的高頻噪聲進(jìn)行了一定的濾除。軟件方面，濾波算法主要通過控制CPU 內(nèi)部時(shí)鐘頻率從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出端脈沖信號(hào)的時(shí)間窗口作用。智能電容傳感器的檢測電路最終輸出波形圖如圖7 所示，從波形圖上看其頻率可保持與VCC 同頻。輸出端2 在GND 與被測物體的感應(yīng)信號(hào)1 之間進(jìn)行切換選擇輸出，然后將電壓信號(hào)送入MCU。MCU 對(duì)DAC 和比較器進(jìn)行選擇配置，然后輸出經(jīng)過檢測處理后的電壓信號(hào)。

3.4 IO-LINK控制電路

IO-LINK 作為智能傳感器的關(guān)鍵技術(shù)，其是一種新型的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的串行數(shù)字通訊協(xié)議，可在傳感器和控制器（PLC）間完成數(shù)據(jù)交換。使用IO-Link 通訊接口的傳感器可更加快捷的修改傳感器的參數(shù)設(shè)置。針對(duì)IOLINK 芯片設(shè)計(jì)了專門的驅(qū)動(dòng)電路，如圖8 所示。

IO-LINK 可工作在SIO 或IO-LINK 通信模式，OUT1 和OUT2 連接在一起并通過電阻R27 與I/Q 連接，通過MCU 對(duì)IN1、IN2、EN/DIAG、I/Q 引腳的控制，IO-LINK可工作在高邊測/ 低邊側(cè)/ 推挽模式下。IO-LINK 外部引腳接線如圖9 所示。

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)中選用的MCU 型號(hào)為STM32C8T6，系統(tǒng)初始化階段包括使能芯片中斷，開啟定時(shí)器中斷，開啟ADC 轉(zhuǎn)換，核心的算法執(zhí)行放在定時(shí)器中斷中執(zhí)行，包括讀取電容傳感器的輸出，輸入Adaboost算法進(jìn)行數(shù)據(jù)殘差補(bǔ)償，補(bǔ)償后的結(jié)果取連續(xù)的5 個(gè)輸出結(jié)果作為一次判斷的循環(huán)，采用投票算法少數(shù)服從多數(shù)原則決定最終的輸出信號(hào)。智能電容傳感器軟件算法流程如圖10 所示。

4.1 集成算法

Adaboost（Adaptive Boosting）是一種集成學(xué)習(xí)算法，通過組合多個(gè)弱分類器來構(gòu)建一個(gè)強(qiáng)分類器。在電容傳感器溫度自適應(yīng)補(bǔ)償和距離殘差補(bǔ)償中，使用Adaboost 算法組合多個(gè)弱模型，以提高整體的數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度。這里以溫度自適應(yīng)補(bǔ)償算法為例，使用Adaboost，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：①通過搭建溫度檢測電路收集帶有傳感器溫度和對(duì)應(yīng)輸出值的數(shù)據(jù)，作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)。②選擇擬合度比較不錯(cuò)的且對(duì)溫度敏感度較低的弱模型，這里選擇的是簡單的線性回歸模型作為基分類器。模型訓(xùn)練階段通過反復(fù)迭代調(diào)整數(shù)據(jù)權(quán)重，訓(xùn)練多個(gè)弱模型。Adaboost 強(qiáng)大的地方在于每個(gè)弱模型都會(huì)關(guān)注之前被錯(cuò)誤分類的樣本。③最后的輸出是將多個(gè)弱模型組合成一個(gè)強(qiáng)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器輸出值的溫度自適應(yīng)補(bǔ)償。同理，距離殘差補(bǔ)償算法原理同上。這里需要提示Adaboost 算法是基于Python語言編寫， 最終部署到C 語言還需要使用m2cgen 庫進(jìn)行轉(zhuǎn)化。

4.2 投票算法

在Adaboost 補(bǔ)償算法的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步增加電容傳感器輸出的魯棒性，引入投票算法綜合多次測量結(jié)果，以獲得最終的物體距離估計(jì)。具體是選用5 次連續(xù)的物體進(jìn)行距離判斷，以應(yīng)對(duì)瞬時(shí)噪聲或干擾。如果5次輸出中80% 以上產(chǎn)生了動(dòng)作信號(hào)，最終輸出動(dòng)作信號(hào)1，反之如果5 次輸出中80% 以上產(chǎn)生了非動(dòng)作信號(hào)，最終輸出非動(dòng)作信號(hào)0。介于這兩者之間的維持上一次輸出2 不變。具體投票算法信號(hào)輸出規(guī)則轉(zhuǎn)化見表1。

5 試驗(yàn)結(jié)果

在試驗(yàn)室條件下，利用EFT 儀器、變頻器、高低溫溫度箱對(duì)設(shè)計(jì)的智能電容傳感器的性能進(jìn)行了全面評(píng)估，試驗(yàn)結(jié)果表明本方案設(shè)計(jì)的智能電容傳感器與傳統(tǒng)方案相比有了極大的改善。表2 和表3 分別展示了群脈沖、電機(jī)干擾的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，其中，“√”代表該項(xiàng)測試通過，反之“×”表示該項(xiàng)測試不通過。

當(dāng)配置IO-LINK 設(shè)備為SIO 模式時(shí)，電容傳感器通過按鍵一鍵進(jìn)行TEACH-IN 示教，設(shè)定電容傳感器的開通和關(guān)斷距離，如圖9 在SIO 模式IO-LINK接口作為數(shù)字量的I/O 口輸出使用，數(shù)據(jù)單向地從電容傳感器端傳遞至控制器端。

當(dāng)配置IO-LINK 設(shè)備為IO-LINK 通信模式時(shí)，輸出脈沖信號(hào)，IO-LINK 主頻按照預(yù)定的波特率與IO-LINK 傳感器建立通信，按照協(xié)議內(nèi)容與控制器進(jìn)行非周期性數(shù)據(jù)交換。LINK 芯片與電容傳感器MCU 之間通過串口RXD1、TXD1 進(jìn)行數(shù)據(jù)接收、發(fā)送。通過IO-LINK 智能端口雙向通訊的功能，在參數(shù)設(shè)置的過程中，電容傳感器能檢測本身到被檢測物體之間的距離，避免電容傳感器到被測物之間的距離過近造成損壞，能在第一時(shí)間對(duì)設(shè)備進(jìn)行停機(jī)設(shè)置和簡單的遠(yuǎn)程維護(hù)。同時(shí)IODD 包含了IO-LINK 設(shè)備的全部日志信息，像USB 一樣方便，通過鼠標(biāo)進(jìn)行遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置，如NO/NC 的切換，特別是對(duì)于安裝空間狹小，特殊應(yīng)用工位等，客戶可降低關(guān)閉維修時(shí)間，獲得較長的設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)間，極大地提高了調(diào)試便利性和生產(chǎn)效率，降低了綜合成本。

此外，當(dāng)電容傳感器應(yīng)用于光伏、半導(dǎo)體行業(yè)等，安裝環(huán)境普遍較高，傳統(tǒng)的電容傳感器一般應(yīng)用熱敏電阻組成補(bǔ)償電路進(jìn)行阻值補(bǔ)償，該方案一致性較差，文章采用MCU 自動(dòng)補(bǔ)償方案，通過不同溫度環(huán)境下的試驗(yàn)得到測量電路的輸出電壓隨溫度變化的規(guī)律，單片機(jī)進(jìn)行擬合計(jì)算進(jìn)行DAC 調(diào)整，使電容傳感器在高、低溫環(huán)境中的變化減小為原來的20%，確保工業(yè)現(xiàn)場的可靠運(yùn)行。

6 結(jié)束語

文章設(shè)計(jì)采用了新的振蕩方式生成穩(wěn)定可靠的供電電源，檢測電路設(shè)計(jì)了DAOC 抗干擾電路，應(yīng)用MCU+IO-LINK 的現(xiàn)代技術(shù)，最后在試驗(yàn)階段完成了±3 kV， 干擾頻率1 KHZ，5 KHZ，100 KHZ 的EFT干擾測試；通過按鍵實(shí)現(xiàn)了TEACH-IN 自動(dòng)示教；而且通過IO-LINK 通信實(shí)現(xiàn)了控制器與傳感器設(shè)備之間的信息交互，實(shí)現(xiàn)了電容傳感器在溫度補(bǔ)償、開關(guān)頻率、距離設(shè)定、設(shè)備啟停、簡單維護(hù)的遠(yuǎn)程智能設(shè)置，為客戶提供了高性能、低成本、良品率高的解決方案。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉英會(huì)，岳偉利，張宗彩. 傳感器技術(shù)在制造業(yè)自動(dòng)化中的應(yīng)用[J]. 機(jī)械工程與自動(dòng)化，2023（4）：162-164.

[2] 王慧. 基于電容傳感器的高精度液位檢測裝置設(shè)計(jì)[J]. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2023，36（10）：49-51.

[3] 張開放，劉蔓，陳歡群，等. 基于電容式傳感器的焊縫特征檢測技術(shù) [J]. 自動(dòng)化與儀表，2023，38（ 6）：81-84，90.

[4] 趙戊寅. 介電常數(shù)測量儀中電容傳感器和測量系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D]. 太原：山西大學(xué)，2023.

[5] 劉鑫，汪龍祺，于濤，等. 變壓器參數(shù)對(duì)電容式位移傳感器影響的研究 [J]. 傳感器與微系統(tǒng)，2023，42（ 5）：49-52.

[6] 馬婷. 電容式玻璃管液位計(jì)的研究與設(shè)計(jì)[D]. 蘭州：西北師范大學(xué)，2023.

[7] 陶加楊，徐龍祥. 磁懸浮軸承電容傳感器[J]. 傳感器與微系統(tǒng)，2023，42（ 1）：94-97.

[8] 李俊杰，劉澤，趙思澤，等. 機(jī)油品質(zhì)的可計(jì)算電容測量方法研究 [J]. 傳感器與微系統(tǒng)，2022，41（ 12）：29-32，37.

[9] 謝元成，駱雪匯. 傳感器在自動(dòng)控制中的應(yīng)用 [J]. 科技風(fēng)，2022（29）：65-67.

[10] 劉凡凡，張超杰，郭文勇，等. 電容式液位傳感器偏心特性研究[J]. 工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2022（5）：127-132.

[11] 楊三序，李曉偉，王業(yè)正. 電容傳感器測量電路的溫度補(bǔ)償[J]. 傳感器與微系統(tǒng)，2007（7）：64-66.

[12] 徐晟堯. 全線升級(jí)IO-LINK ifm 增幅智能傳感[J]. 現(xiàn)代制造，2022（3）：6.