基于PCAP04的電容式折射率測量儀

史水娥， 張迎港， 胥帥帥

(1.河南師范大學電子與電氣工程學院，河南 新鄉(xiāng) 453007；2.河南省電磁波工程院士工作站，河南 新鄉(xiāng) 453007)

0 引言

大氣波導(dǎo)可使電磁波的傳播特性發(fā)生改變，因而得到學術(shù)界極大關(guān)注[1]。作為電波環(huán)境的重要類別，大氣波導(dǎo)是在大氣邊界層形成的使電磁波實現(xiàn)超視距傳播的層狀結(jié)構(gòu)， 能夠?qū)崿F(xiàn)超短波、微波頻段的超視距探測和通信等應(yīng)用[2]。 大氣波導(dǎo)主要包括蒸發(fā)波導(dǎo)、表面波導(dǎo)、懸空波導(dǎo)等類型，是海上頻繁出現(xiàn)的一種異常的大氣層結(jié)并且能夠?qū)㈦姶挪ㄏ莴@在波導(dǎo)層內(nèi)，使得電磁波傳播到視距以外幾百甚至上千公里的地方[3]。早在20世紀30年代人們就開始了對大氣波導(dǎo)的研究，最開始的測量系統(tǒng)是由澳大利亞發(fā)明的TREPS預(yù)測系統(tǒng)[4]，該系統(tǒng)主要對氣壓溫度和濕度等氣象信息資料進行收集后，進行理論預(yù)測，該方法無法準確地預(yù)測大氣波導(dǎo)的出現(xiàn)且精確性較差。美國隨后在此基礎(chǔ)上又研發(fā)了新型的預(yù)報系統(tǒng)AERPS[5]，該系統(tǒng)雖然比前期的精確程度高，但仍然存在著相同的問題。現(xiàn)在我國對大氣參數(shù)的測量主要是利用氣象探空儀，比如“59”型氣象探空儀，對所處的氣體環(huán)境中的濕度和溫度進行測量，再利用公式和算法得到所處環(huán)境的參數(shù)[6]。該方法無法得到大氣折射率的精確結(jié)構(gòu)，因此只適用于測量波導(dǎo)厚度較大或強度較高的蒸發(fā)波導(dǎo)，適用面較窄。20世紀90年代，由于軍事科技的發(fā)展需要，國內(nèi)研發(fā)出了一種新型微波大氣折射率測量儀，這種測量儀反應(yīng)速度快、精度高，但存在體積較大、制作成本較高、電路設(shè)計復(fù)雜等缺點[7]。本文針對上述問題，設(shè)計了一種基于PCAP04的電容式折射率測量儀。

1 電容式折射率測量儀

1.1 電容式傳感器

電容傳感器是一種將物理量變化轉(zhuǎn)換為電容值變化的傳感器，由于其具有分辨率高，可以非接觸式測量，抗干擾能力強等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于各種集成電路中[8]。

電容傳感器為同軸圓筒，由兩個同心圓柱體組成，如圖1所示，高度為l，內(nèi)外半徑分別為R1和R2。若高度l遠大于極板的厚度，此時可以將電容傳感器的邊緣效應(yīng)忽視掉。在電容傳感器工作過程中，當流通空氣經(jīng)過電容傳感器兩個極板之間的介質(zhì)空腔，因為空氣濕度發(fā)生了變化，從而引起電容傳感器的相對介電常數(shù)發(fā)生改變，在此基礎(chǔ)上引起了一定電容值的改變。

圖1 電容傳感器Fig.1 Capacitance sensor

1.2 PCAP04電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器

PCAP04是一種內(nèi)部帶有集成數(shù)字信號處理器、電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器的芯片。該芯片適用于任何電容產(chǎn)生變化的傳感器件，非常適合與其他傳感元件搭配使用，如測量壓力、力量、位置、傾斜、濕度、重量、水平及其他傳感參數(shù)。它的前端基于AMS PICOCAP原理，這種轉(zhuǎn)換原理在功耗、分辨率和速度方面非常出色。PCAP04芯片具有1 pF～100 nF的寬電容輸入范圍，因此可以輕松地配置不同的電容測量任務(wù)，同時具有接地、浮動、差分和差動等多種連接方式，基礎(chǔ)電容為10 pF時有效分辨率可達到21位。在PCAP04芯片中，電容的測量是通過測量RC網(wǎng)絡(luò)的放電次數(shù)來完成的。此外PCAP04的輸出還可以將原始測量電容值以PWM或PDM展示，該器件還具備DSP，幫助處理傳感器測量值，并通過I2C或SPI接口將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字值，可以簡單有效地實現(xiàn)電容值的精確測量。PCAP04引腳功能如圖2所示。

圖2 PCAP04引腳圖Fig.2 PCAP04 pin

1.3 電容折射率測量儀基本原理

大氣折射率的測量分為接觸式探測與非接觸式探測，接觸式探測可分為直接探測與間接探測。直接探測就是利用對應(yīng)氣象儀測量大氣的壓強、濕度、溫度和折射率，判斷是否存在大氣波導(dǎo)； 間接探測利用氣象水文儀探測一定高度下大氣的壓強、濕度、溫度、風速、風向和海溫等參數(shù)，代入相應(yīng)模型，根據(jù)結(jié)果判斷大氣波導(dǎo)是否存在。本文采用接觸式直接測量的方法，對流通大氣的電容值[9]進行精確測量從而得出大氣介電常數(shù)和折射率。

空氣介質(zhì)的折射率n的定義為：

(1)

式(1)中，V0表示真空中光速數(shù)值，Vφ表示在空氣中傳播的電波相速，εr表示相對介電常數(shù)，μr為相對磁導(dǎo)率或相對導(dǎo)磁系數(shù)[10]。相對導(dǎo)磁系數(shù)表示測量介質(zhì)的磁導(dǎo)率與真空磁導(dǎo)率μ0的比值為：

(2)

式(2)中，真空磁導(dǎo)率μ0是一個物理常量，指的是在真空條件下的磁導(dǎo)率，經(jīng)實驗測得，真空磁導(dǎo)率為一個不變的數(shù)值。又由于當μr值發(fā)生變化的時候，n值受此影響發(fā)生的變化比較小，在對流層大氣的范圍以內(nèi)不大于0.5×10-6，在工程應(yīng)用中取μr=1[11]。對于空氣介質(zhì)的折射率，可以化簡為：

(3)

通常情況下用N來表示折射指數(shù)[12]。折射指數(shù)N可以用折射率n來表示，大氣折射率指數(shù)N的定義為：

N=(n-1)×106。

(4)

通過空氣折射率的公式可以發(fā)現(xiàn)，在相對磁導(dǎo)率的值為1的時候，空氣折射率滿足如下公式：

(5)

式(5)中，C為電容處在大氣中的容值，C0為電容處在真空時的容值。可以看出，通過對電容值的測量，間接得到所處氣體環(huán)境的大氣參數(shù)測試率的數(shù)值，因為當ε0的值發(fā)生變化的時候，空氣電容器的電容值C也會受到影響發(fā)生改變，利用PCAP04芯片對電容傳感器容值捕捉，得到高精度的容值數(shù)據(jù)。

2 電容式折射率測量儀

電容式折射率測量儀主要由電容傳感器、PCAP04芯片、STM32F103ZET6單片機芯片、上位機等單元組成，電路功能圖如圖3所示。

圖3 電容式折射率測量儀功能結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Functional structure block diagram

不同介電常數(shù)的氣體通過圓筒形電容傳感器時，使得傳感器產(chǎn)生對應(yīng)的容值，PCAP04芯片準確提取該數(shù)據(jù)，單片機STM32F103ZET6驅(qū)動主控芯片使測量數(shù)據(jù)同時被保存在內(nèi)部寄存器中，最后在單片機中進行適當處理后把容值、介電常數(shù)、時間等信息通過RS232的方式傳送到上位機界面上顯示。

2.1 硬件電路

2.1.1電容傳感器

對于同軸圓筒形電容器，在忽略其邊緣效應(yīng)的條件下，在空氣中，電容器容量值可表示為[13]：

(6)

式(6)中，ε0為真空中介電常數(shù)，εr相對電容率，l為所設(shè)計的圓柱導(dǎo)體的高度，內(nèi)外圓柱的半徑為R1和R2。電容傳感器如圖4所示。

圖4 電容傳感器模型Fig.4 Capacitance sensor model

2.1.2PCAP04電容檢測電路

本系統(tǒng)的核心電路是電容檢測電路，其數(shù)據(jù)的準確輸出對系統(tǒng)產(chǎn)生很大的影響。本文選用高精度電容-時間轉(zhuǎn)換芯片PCAP04，其低功耗、處理速度快、高靈敏度等優(yōu)點使電容式折射率測量儀的精確測量和快速傳輸?shù)玫搅吮ＷC。通過SPI接口方式與單片機進行數(shù)據(jù)互傳，芯片的PC0、PC1連接電容傳感器的兩級，具體電路如圖5所示，實物電路板如圖6所示。

圖5 電容檢測電路Fig.5 Capacitance detection circuit

圖6 PCB板Fig.6 PCB

2.2 通信模塊

1) 有線傳輸，采用常用的RS232通訊標準來實現(xiàn)單片機的數(shù)據(jù)采集和電腦的通訊功能。RS232串口是工業(yè)中比較常用，也是最易遇到的一種總線協(xié)議，目前大多數(shù)的下位機、儀器等都還是使用串口通信[14]。

2) 無線傳輸，采用AS30-TTL-100無線傳輸模塊，AS30-TTL-100具有定點傳輸、空中喚醒、透明傳輸?shù)墓δ埽⑶铱梢愿咝У匮h(huán)交織糾錯編碼，接收的傳輸距離能夠達到2 000 m左右，休眠時電流只有1.5 μA。其高穩(wěn)定性、TTL輸出、自由切換多種工作狀態(tài)、耗電量極低的特征保證了電容式折射率測量儀數(shù)據(jù)的平穩(wěn)傳輸。

2.3 單片機最小系統(tǒng)

本文選用32位的微控制器-ARM Cortex-M3，其工作頻率最高可達72 MHz，F(xiàn)lash為512 KB、SRAM為64 KB。在本系統(tǒng)中，STM32F103ZET6單片機通過SPI接口的方式接收來自主控芯片數(shù)據(jù)[15]，通過內(nèi)部數(shù)據(jù)處理得到對應(yīng)的容值，最后把處理的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機顯示。具體電路如圖7所示。

圖7 STM32最小系統(tǒng)Fig.7 STM32 minimum system

上位機程序面板如圖8所示，軟件采用C++開發(fā)而成，C++具有強大的軟件開發(fā)能力，在設(shè)計用戶端界面上具有很大的優(yōu)勢，設(shè)計起來也更加方便快捷且可移植性較強。

界面上主要有溫度數(shù)顯模塊、濕度數(shù)顯模塊、高度數(shù)顯模塊、計時及時間-折射率散點圖、設(shè)置和存儲刪除等功能，可以輕松實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和處理。

圖8 上位機界面圖Fig.8 Position machine

3 實驗測試與數(shù)據(jù)分析

經(jīng)測量得到的電容傳感器容值，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后可以直接顯示出來。例如，實際測量容值為C0，可以通過式(7)計算得到折射率值：

(7)

表1列舉了12組用高精度微波折射率儀、電容式探空儀和電容式折射率測量儀在大連某海面上空大氣折射率測量結(jié)果。

表1 不同儀器測量結(jié)果Tab.1 Different instrument measurement results

從表1可知，電容式折射率測量儀精度優(yōu)于電容式探空儀。在測試過程中，與高精度微波折射率儀對比，電容式探空儀最大差值為0.981，平均差值為0.855，電容式折射率測量儀最大差值為0.758，平均差值為0.288，由此可知，電容式折射率測量儀精度、穩(wěn)定性高于電容式探空儀，相對于微波型折射率測量儀精度較差，但制作成本低且電路設(shè)計簡單，可以達到一般工程測量的需要。

4 結(jié)論

本文提出基于PCAP04的電容式折射率測量儀。該系統(tǒng)以電容傳感器和PCAP04芯片為核心，有效提高了測量儀的測量精度和穩(wěn)定性，同時電路設(shè)計又較為簡單，大大降低了測量儀的制作成本。實驗測試與數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，該測量儀可以替代高精度微波折射率儀和電容式大氣折射率測量儀。電容式折射率測量儀無論對大氣參數(shù)的測量，還是成本、原理和穩(wěn)定性都對今后在實際應(yīng)用時有著很大的影響，具有廣闊的應(yīng)用前景。在未來的研究中將進一步優(yōu)化電容傳感器的結(jié)構(gòu)，減小極板厚度，降低邊緣效應(yīng)的影響，再次提高測量精度。