基于雙叉指電容和ZIGBEE的無(wú)線位移傳感器*

范 霖，陳向東，黃 林

(西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610031)

0 引言

微位移測(cè)量技術(shù)不僅在樓宇、橋梁等建筑的微位移監(jiān)控中重要，還能為泥石流，山體滑坡等地質(zhì)災(zāi)害提供參數(shù)，方便工作人員進(jìn)行預(yù)警工作［1］。隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，ZIGBEE技術(shù)在無(wú)線傳感網(wǎng)中的應(yīng)用更加頻繁，是一種可靠性很高的短距離無(wú)線通信［2－3］。

傳統(tǒng)的位移傳感器主要有電位器式、光柵式、電阻應(yīng)變片式、電容器式。電位器式位移傳感器［4］的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)試范圍為1～300 mm，但其分辨率只有1 mm，無(wú)法應(yīng)用于更小分辨率(微米或亞微米)的測(cè)量。光柵式位移傳感器［5－6］的測(cè)試范圍為1～10 000 μm，分辨率為1 μm，具有量程大，分辨率高的特點(diǎn)。但其檢測(cè)設(shè)備復(fù)雜，不易攜帶，并且采集的光學(xué)信號(hào)，無(wú)法像電學(xué)信號(hào)一樣易儲(chǔ)存和進(jìn)行后端處理，不利于實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量的系統(tǒng)化。電阻應(yīng)變片式位移傳感器［7］的最小分辨率為 0.1 μm，測(cè)量范圍為0.1～100 μm。顯然，其過(guò)小的量程限制了應(yīng)用范圍。傳統(tǒng)電容式位移傳感器［8］檢測(cè)分辨率為μm級(jí)別，檢測(cè)范圍為10～10 000 μm。并且具有響應(yīng)速度快、低成本、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。但傳統(tǒng)的電容式傳感器探頭多為雙極板型，探頭電容的一個(gè)極板需安裝在測(cè)量物體表面，限制了檢測(cè)探頭的使用范圍，無(wú)法實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量。文中提出的電容式微位移傳感器采用平面雙叉指電極作為位移檢測(cè)探頭，其分辨率為10 μm，測(cè)量范圍為10～6 000 μm。對(duì)比上述4種傳感器，文中提出的電容式位移傳感器性能參數(shù)類似于光柵式位移傳感器，不僅具有高分辨率與大量程的特點(diǎn)，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)了非接觸式檢測(cè)。此外，傳感器應(yīng)用ZIGBEE無(wú)線通信節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)，解決了傳統(tǒng)位移傳感器安裝時(shí)布線復(fù)雜的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備在可通信范圍內(nèi)的無(wú)線監(jiān)控。既能滿足微測(cè)量技術(shù)的傳統(tǒng)要求，還能完成動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)采樣和自動(dòng)化工作。

1 電容式位移傳感器原理

1.1 電容式位移傳感器

電容式位移傳感器以理想平板電容為基礎(chǔ)，將電容探頭和被測(cè)物的一個(gè)面作為兩個(gè)極板，基于調(diào)制器連續(xù)采樣一個(gè)周期電容器電荷量的原理，當(dāng)恒定頻率的激勵(lì)信號(hào)通過(guò)探頭電容時(shí)，探頭所探測(cè)的電容大小只受極板間距的影響［9］。基于雙叉指電容和ZIGBEE的無(wú)線位移傳感器是一個(gè)完整的系統(tǒng)，包含了位移－電容轉(zhuǎn)換模塊、電容采集和發(fā)送電路、電容接收電路、上位機(jī)軟件。

1.2 平面雙叉指電容傳感器

平面雙叉指電容傳感器(如圖1所示)將電容器的兩個(gè)電極設(shè)計(jì)在一個(gè)有限平面內(nèi)，并且自身形成平板電容的一個(gè)極板，被測(cè)物則是另一個(gè)極板［10］。由上文所述，被測(cè)物與雙叉指電極的位移變化會(huì)影響兩者之間的電場(chǎng)線分布，進(jìn)而會(huì)帶來(lái)電容值的變化。這種電容傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于安裝，既能滿足微測(cè)量技術(shù)的傳統(tǒng)要求，還能完成動(dòng)態(tài)采樣和自動(dòng)化工作，在現(xiàn)代工業(yè)測(cè)量中有廣泛的應(yīng)用前景［11］。

1.3 電容檢測(cè)電路

電容檢測(cè)電路由AD7745芯片和其外圍電路組成。AD7745是美國(guó)ADI公司推出的I2C串行接口總線電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器，是一款高性能的CDC芯片。AD7745檢測(cè)電容值的工作原理(如圖2所示)是:傳感器探頭的一個(gè)電極連接到激勵(lì)源輸出端(EXCA或EXCB)，另一個(gè)電極連接到∑－△調(diào)制器的輸入端(CIN(+))，在一個(gè)電容檢測(cè)周期內(nèi)，激勵(lì)源的方波輸出并經(jīng)過(guò)探頭與被測(cè)物形成的電容器，∑－△調(diào)制器連續(xù)檢測(cè)通過(guò)電容器的電荷，輸出經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波器處理后再進(jìn)行校正，最后保存在電容值寄存器中，CC2530通過(guò) I2C總線接口讀取數(shù)據(jù)［12］。AD7745有單端和差分工作模式，根據(jù)需要設(shè)計(jì)采用了單端模式。AD7745的外圍電路就是根據(jù)電容參數(shù)設(shè)計(jì)的兩個(gè)RC濾波器，濾波器分別接入EXCA、CIN(+)引腳用以濾除電路的部分噪聲，工作時(shí)將雙叉指電容的兩個(gè)電極連接到檢測(cè)電路的輸入端，檢測(cè)電路可測(cè)量的電容范圍是0～14.096 pF。

圖2 AD7745內(nèi)部原理［12］Fig.2 Internal principle of AD7745［12］

2 傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳感器系統(tǒng)(如圖3所示)包括:傳感器探頭、電源管理、電容檢測(cè)電路、液晶顯示、ZIGBEE采集節(jié)點(diǎn)、ZIGBEE接收節(jié)點(diǎn)、上位機(jī)7個(gè)部分。其工作原理是:傳感器探頭接入電路，AD7745電容檢測(cè)電路轉(zhuǎn)換電容值。采集節(jié)點(diǎn)的CC2530模塊模擬I2C通信讀取數(shù)據(jù)并無(wú)線傳送給接收端，接收節(jié)點(diǎn)的CC2530模塊接收數(shù)據(jù)并通過(guò)串口通信傳到PC。上位機(jī)把電容數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成實(shí)際位移量并顯示在一維坐標(biāo)軸上。

圖3 傳感器系統(tǒng)Fig.3 System of sensor

2.2 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)傳感器系統(tǒng)將硬件電路分為電容數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、電容數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)兩個(gè)模塊。

采集節(jié)點(diǎn)電路包括電源管理、傳感器探頭、電容檢測(cè)電路、CC2530模塊。電源管理設(shè)計(jì)為電池和5 V電源均可供電，既降低了設(shè)備安裝時(shí)布線的復(fù)雜性，還增強(qiáng)了節(jié)點(diǎn)的便攜性，使節(jié)點(diǎn)不受電源線的約束。探頭的電極經(jīng)RC濾波電路接入EXCA和CIN(+)，引腳P04_RDY的低電平表示一次電容值轉(zhuǎn)換結(jié)束可以讀取數(shù)據(jù)。CC2530通過(guò)用I/O口P06、P07模擬 I2C通信的時(shí)鐘線(SCL)、數(shù)據(jù)線(SDA)來(lái)讀取電容值。具體電路實(shí)現(xiàn)如圖4所示。

圖4 采集節(jié)點(diǎn)電路Fig.4 Circuit of acquisition node

接收節(jié)點(diǎn)電路包括電源管理、USB轉(zhuǎn)串口電路、液晶顯示、CC2530模塊。接收節(jié)點(diǎn)的5 V電源由USB直接提供。為了數(shù)據(jù)傳送的方便設(shè)計(jì)了USB轉(zhuǎn)串口電路，I/O口P02、P03用來(lái)和PC進(jìn)行串口通信。為了節(jié)省 CC2530的 I/O口資源，用74HC595將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)讓液晶顯示。具體實(shí)現(xiàn)電路如圖5所示。

圖5 接收節(jié)點(diǎn)電路Fig.5 Circuit of receiving node

2.3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件分為下位機(jī)、上位機(jī)兩部分，其中下位機(jī)是采集節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)的軟件開(kāi)發(fā)。采集節(jié)點(diǎn)部分節(jié)點(diǎn)讀取AD7745的電容數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。讀取數(shù)據(jù)時(shí)，微處理器通過(guò)I/O口模擬I2C時(shí)序控制AD7745的讀寫(xiě)［6］。接收節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)經(jīng)串口傳到PC，同時(shí)在節(jié)點(diǎn)完成液晶顯示。下位機(jī)是基于TI的Basic RF(無(wú)線點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸協(xié)議)開(kāi)發(fā)的，節(jié)點(diǎn)之間的通信也利用了協(xié)議中的數(shù)據(jù)無(wú)線發(fā)送、接收功能。

上位機(jī)軟件由VC++6.0中MFC工具開(kāi)發(fā)，主要是串口控件編程和繪制一維坐標(biāo)。VC++提供了串口控件和繪圖函數(shù)，只需進(jìn)行串口初始化和對(duì)串口事件中數(shù)據(jù)的處理、調(diào)用繪圖函數(shù)。上位機(jī)界面如圖6所示:界面能顯示一維坐標(biāo)，位移范圍－3～3 mm，相鄰刻度間隔0.1 mm，當(dāng)有被測(cè)物體時(shí)，光標(biāo)會(huì)指向當(dāng)前的位移值。此外，有兩個(gè)靜態(tài)文本框分別顯示當(dāng)前電容值、當(dāng)前位移，有串口的開(kāi)關(guān)選擇框(藍(lán)色光標(biāo)顯示了當(dāng)前測(cè)得的位移值)。

圖6 上位機(jī)界面Fig.6 PC interface

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖7所示，金屬板被固定在位移臺(tái)上，轉(zhuǎn)動(dòng)位移臺(tái)的控制柄使金屬板移動(dòng)，進(jìn)而改變金屬板與傳感器探頭的距離。位移臺(tái)是賽凡光電的7STM01225平移臺(tái)，最大量程是25 mm，最小分辨率是10 μm。數(shù)據(jù)采集是實(shí)驗(yàn)的重要部分，實(shí)驗(yàn)采集并分析了25 mm范圍的多組電容值數(shù)據(jù)后，選取其中靈敏度較高的0～6 mm范圍數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，每間隔0.05 mm測(cè)量一組數(shù)據(jù)，共有60組數(shù)據(jù)。探頭與被測(cè)物在0～6 mm位移內(nèi)，系統(tǒng)采集的電容值如圖8所示(選取3 mm處作為x軸的原點(diǎn))。為了得到系統(tǒng)的通信距離，實(shí)驗(yàn)時(shí)將采集節(jié)點(diǎn)和接受節(jié)點(diǎn)分別放在距離1 m、20 m、40 m、50 m、60 m、70 m處進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)表明，節(jié)點(diǎn)距離在小于50 m時(shí)，電容數(shù)據(jù)能準(zhǔn)確快速的發(fā)送到上位機(jī)，節(jié)點(diǎn)距離大于50 m時(shí)會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象。因此，本系統(tǒng)的通信距離為50 m。

圖7 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.7 Experiment platform

圖8 位移－電容值Fig.8 Displacement－capacitance

分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，電容值在－3.0 ～－2.8 mm，－2.8 ～－1.1 mm，－1.1 ～－0.1 mm，－0.1 ～3.0 mm 4個(gè)區(qū)間的靈敏度不同，因此分別將4個(gè)區(qū)間的電容值進(jìn)行函數(shù)擬合，再將函數(shù)添加到上位機(jī)程序中，在位移測(cè)量實(shí)驗(yàn)時(shí)就能顯示被測(cè)金屬板與傳感器探頭的位移值。利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)－3～3mm的范圍進(jìn)行了位移測(cè)量。圖9是實(shí)際位移(位移臺(tái)控制柄顯示值)和測(cè)量位移(上位機(jī)界面顯示值)之間的波動(dòng)圖，由圖可知兩者的誤差值最大約為0.05 mm。

圖9 系統(tǒng)誤差Fig.9 Error of system

2.5 誤差分析

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的主要誤差是由電容值不穩(wěn)定造成。因?yàn)殡娫催m配器的紋波大，而電容傳感器探頭的電容值是pF級(jí)，極易受到紋波的影響而不穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)采用電池供電后發(fā)現(xiàn)電容值比用電源適配器供電時(shí)穩(wěn)定，誤差明顯減小。此外，傳感器探頭，上位機(jī)數(shù)據(jù)處理，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)等也會(huì)帶入誤差。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了基于雙叉指平面電容的無(wú)線位移傳感器方案的可行性，系統(tǒng)具備6 mm的測(cè)量范圍，10 um的分辨率，50 m的通信距離。系統(tǒng)的靈敏度隨著被測(cè)金屬板與電容傳感器探頭的距離增大而減小，在距離為零時(shí)電容值達(dá)到滿量程。

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