新型便携式电容成像系统研究

鞠梓宸 丛雪明 韩玮 冯启蒙

摘 要：本文立足于设计便携式测量装置实现1 pF以下乃至几十f F级别的微小电容值的测量并设计相应检测探头对金属/非金属表面及隐藏缺陷实现电容成像。设计的系统主要由电容传感器模块，数据采集系统模块和上位机控制系统组成。以Labview软件平台为核心开发上位机控制软件，实现将电容传感器测量的电容值实时显示在上位机显示器上。本系统具有成本低，结构简单，上位机软件方便移植等优点。

关键词：微小电容;Pcap02;STM32;电容成像

1  引   言

当今电子测试领域，电容的测量已经在测量技术和产品研发中应用的十分广泛。共面边缘场电容成像（capacitive imaging）作为一种新型的非接触式的、非侵入式的无损检测方法，电场的特性使得该技术可以在不同性质的材料中得以应用。相较于传统的检测技术相比，本文所研究的共面边缘场电容成像检测技术的系统设备成本更低，无辐射危害，并可同时实现多种类型材料（绝缘/非绝缘）不同类型的缺陷的检测，且检测结果经处理可以以图像的形式直观呈现。故本文将传统微小测量系统进行优化并与电容成像技术进行结合实现电容成像系统地便携化，小型化，模块化。[1]

2   电容式传感器测量原理

电容式传感器基于平板电容原理。电容的两极分别是传感器的两个测量极板，通过使用Pcap02AE电容测量芯片，能对传感器的两块测量极板进行不断地充放电，进而实现测量极板与周围环境耦合的电容值。电容传感器是一种非接触电容式原理的精密测量仪器，具有一般非接触式仪器所共有的无磨擦、无损磨特点外，还具有信噪比大，灵敏度高，零漂小，频响宽，非线性小，精度稳定性好，抗电磁干扰能力强和使用操作方便等优点。测量系统对于测量范围内的电介质变化非常敏感。电容测量系统主要测量平板电阻的阻抗值，阻抗值与探头到被测物体之间的距离成正比。高精度测量，电容式测量原理是几种精度最高的测量原理之一。如果有很小的漏电流或寄生电流流过探头到控制器的电路，也会影响测量结果的准确性。因此，探头到控制器之间的电缆需要特殊的双屏蔽电缆。这种特殊的，全封闭的RF电缆保证了高信号质量。双屏蔽电缆与接地磁屏蔽技术的使用，使高精度测量成为可能。由于环境温度的改变，导致的被测物体导电性变化，对测量结果没有影响。电容式测量原理使传感器甚至可以在波动的温度环境下使用。

3  总体设计

检测系统总体可分为两大部分：硬件部分和软件部分

1）硬件部分 STM32F030F4与PCAP02芯片通过SPI通信，包含外围扩展电路。电容数字转换芯片可以处理电容传感器的输出信号，并将传感器信号转换成数字信号通过SPI串行接口发送给微控制器。微控制器会对传感器的测量进程进行控制，并读取测量数据，对不同的数据作出相应的校准和计算分析处理，再交由通讯信号转换模块，将串行数字信号转换成可用于USB总线传输的电信号，最终发送给上位机并有上位机软件进行后处理。同时，上位机也能够通过USB总线与测量仪建立通讯。

2）软件部分

单片机的下位机C程序，包括通信协议，对芯片内部RAM和寄存器进行配置操作，完成数据测量和处理，显示结果到上位机LABVIEW软件上等。

4  系统硬件设计

系统硬件设计主要包括微小电容测量部分和数据传输部分，其中测量部分使用了PCAP02AE芯片。

4.1   PCap02 AE模块

PCap02芯片是一种新型电容数字转换芯片，主要包含了电容数字转换单元CDC、电阻数字转换单元RDC、时间数字转换单元TDC和数字信号处理器DSP四个部分。芯片利用待测电容或参考电容与内部电阻共同构成了一个RC网络，通过限流电阻对电容进行充放电以此实现测量。依次测量参考电容、内外部寄生电容以及并联电阻。经多次测量后，时间数字单元TDC会将多次测量结果传送给数字信号处理器DSP，DSP会按照固件的计算方法对数据进行内外寄生电容和并联电阻补偿，求出待测电容和参考电容之比的平均值，将所得数据放入结果寄存器中以方便读取。PCap02芯片的特点为所测结果以待测电容和参考电容之比的形式给出，误差小，减少了温度的影响。PCap02AE芯片与控制芯片通过外部串行接口SPI进行通讯，控制芯片会将固件、配置参数和测量命令发送给电容数字转换芯片，完成测量后转换。芯片会把测量结果返回给控制芯片作进一步处理。

4.2微控制器模块

控制芯片选用32位STM32F030f4p6微控制器，内部带有闪存程序存储器、模数转换器和各种通信接口，具有高速、高性能、低功耗的特点。微控制器模块是在微控制器STM32F030f4p6最小系统的基础上使用了SPI和USART通信接口。该模块主要是通过SPI接口控制转换芯片的测量过程，对获取的测量数据进行软件处理，并通过通讯模块与上位机进行数据交换。

5  系统软件设计

系统软件设计主要是下位机C语言程序设计。下位机程序由C语言编程，主要包括STM32单片机的初始化、测量芯片PCAP02AE的初始化、通信、测量与数据传输等功能。芯片PCAP02AE初始化需要通信测试并向SRAM下载固件，此固件由芯片厂商提供，最后按照设计要求配置寄存器。完成谁他妈2和芯片的初始化后，发送开始测量命令，采集数据并传输。[2]

6  初步电容成像实验结果

本传感器通过I/O接口可选择工作在上传电容模式或上传距离模式。由于Pcap02的测量结果是相对参考电容比值，测量的电容需利用下式转换计算

其中，C为转换后电容的测量结果，Cdet为Pcap02的测量结果，Cref为参考电容。[3]

实验一：面扫描玻璃钢材质通孔两枚

7   结论

本文通过使用电容数字转换芯片PCAP02AE，优化设计了传统的CDC测量电容电路并与电容成像缺陷检测系统进行了结合，实现了对金属与非金属表面缺陷的成像。本系统电路设计结构简单，并可同时检测多路电容，检测效率高。实验结果表明，系统精度高、误差小、稳定性好，适合检测微小电容量。配合不同的檢测探头，可应用于多种场合，比如测量微小距离，测量木材含水率，湿度等。

参考文献：

[1]蒋家云， 富宝龙. 电容式传感器电容检测电路的研究[J]. 传感器世界， 2008， 14（3）：46-49.

[2]李振，殷晓康，李晨，王克凡.基于COMSOL的电容成像传感器仿真研究[J].电子测量技术，2017，40（09）：1-5.

[3]殷晓康， 李晨， 李振，等. 电容成像无损检测实验平台的开发[J]. 实验技术与管理， 2017， 34（3）：90-96.