一種新型智能電容傳感器設計

［摘 要］文章旨在改進傳統電容式接近傳感器抗干擾能力差，誤觸發頻繁的問題。在充分調研國內外傳感器的發展現狀及應用市場基礎上，新型智能電容傳感器的硬件重新設計了振蕩電路、單片機控制電路和IO-LINK 驅動電路，軟件使用了自適應的投票算法和自動示教功能。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，可實現簡單快速對傳感器的過程數據進行擴展診斷，提升現階段電容傳感器的智能化水平，同時為同類新型產品的研發提供有效的解決方案。

［關鍵詞］智能電容傳感器； 自動示教；抗干擾；溫度檢測；IOLINK ；振蕩電路

［中圖分類號］TH744 ［文獻標志碼］A ［文章編號］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系數大于2 的材料之間的電容變化來反映當前物體是否存在。這種變化通過影響傳感器的局部電場進而被控制電路轉換為相應的模擬信號，輸入到MCU 中進行模數轉換來參與運算。電容接近傳感器這種非接觸式的特性可被大量應用在工業自動化控制系統中，例如，傳送帶、機械臂動作信號的反饋、高腐蝕高危場景下的液位檢測。傳統的電容式接近傳感器主要利用RC振蕩電路，通過產生固定周期的方波脈沖來驅動電容板，從而產生脈沖電壓信號。這種方法通過純硬件電路生成脈沖信號，利用電阻和電容參與振蕩工作用以維持穩定的振蕩頻率。然而，傳統的電容式傳感器易受溫度、電磁干擾以及電機變頻器的影響，導致信號誤觸發頻繁，嚴重限制了使用場景。

近年來，電容接近傳感器為了滿足工業現場嚴苛的環境，其需要更加穩定的MCU 增強傳感器抗干擾的等級，同時傳感器需要具備自主監測功能，提前對過程數據、診斷數據和設備信息進行管理和分析，以便及時通知維護人員進行更換。IO-LINK 作為一種全新的工業自動化領域的數字通信協議，其可被用于連接傳感器和執行器與工業自動化系統中的控制器，實現設備之間的數據交換。文章結合MCU+IO-LINK 設計，硬件電路實現了傳統的RC 振蕩電路，通過專用電路主動產生激勵，同時增加RC 濾波，提高電路的抗電磁干擾能力。MCU 實現了對包括環境在內的各類輸入信號進行檢測、處理與邏輯判斷，以達到溫度自動補償、距離自適應調節的功能。IO-LINK 驅動電路實現了遠程對電容傳感器的參數進行靈活配置，可更快地發現和定位設備故障，提高工業自動化系統的可靠性和可維護性。

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。當被測物靠近傳感器時，被測物與傳感器之間的電容會發生變化。電容的變化通過放大電路進行放大，再傳遞給電壓比較器，當變化量超過設定的閾值，比較器的輸出狀態轉換并被MCU 檢測到。具體的公式如下所示：

式中，Q為電容器累計的電荷量，εr為電容器中的兩個極板之間的相對介電常數，S為對應的極板重疊的面積，UA－UB為電容器兩個極板間的電壓差，k為物體學中的靜電力常量，d為兩個電極相隔的距離。

電容式接近傳感器主要通過以下步驟實現：感應電容用于在傳感器的探測端產生一個電場，當物體接近時，物體與電場之間形成電容。具體電容值與物體的距離有關。MCU 的外圍檢測電路負責放大并將這種電容的變化轉換為電信號，通常是電壓或電流信號。MCU 通過設定的閾值確定物體是否足夠接近。當電容變化超過設定的閾值時，傳感器的輸出端口輸出相應的信號。真實的工業場景下，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穩定的狀態。而且被檢測物體與電容傳感器之間的介電常數會隨著物體的移動產生變化，導致電容值和實際距離值之間是一種非線性關系。如果要實現電容傳感器的穩定檢測，必須著力解決抗干擾和距離殘差補償算法。

2 方案設定

整個智能電容傳感器的硬件電路設計方案包括電源轉換電路、驅動電源電路、信號檢測電路、信號處理電路、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。對應的軟件設計方案包括溫度自適應補償算法、距離殘差補償算法及投票算法。智能電容傳感器系統框如圖1 所示。

3 硬件設計

3.1 驅動電源電路

一個穩定可靠的電源是確保產品正常工作的關鍵。其不僅是為電路各部分提供能量的來源，更是確保整個系統可靠運行的基礎。圖2 為改進的驅動電源電路，其中VCC_1 代表外部電源轉換提供的基準電源。CPU1 則是由微控制器單元（MCU）控制內部時鐘頻率生成的方波脈沖信號源。這個方波信號經過三極管推挽電路，可形成一個穩定可靠的電壓VCC 信號。相比于直接使用外部電源供電，新的電路設計方案考慮了電壓的穩定性和波動，可確保輸出的電壓在預期范圍內，不會受到外部干擾或內部變化的影響。當然，這種電路設計方案不局限于電容傳感器，其他同類型產品也可以借鑒使用。

3.2 DAOC抗干擾設計

在電容傳感器設計中，電磁干擾一直是一大難題，為了解決這一問題，在新產品中提出了DAOC 抗干擾理念，這個設計的關鍵點主要分為兩個部分。

（1）圖2 中利用電容C7 的隔直流通交流特性，傳感器的負向輸入端Senor- 和GND 之間既能夠保證有效隔離，又相互聯系。這樣不僅可保證數值上Sensor- 等于Sensor+，同時在頻率和幅值上也能夠保持一致。Sensor- 和GND 通過C3進行連接，而D1 的加入可將Sensor- 的電壓限制在0.7 V 的范圍內。通過接入示波器進行觀察，得到不同參考點下的電壓變化波形。GND 參考點 AGND 波形如圖3 所示，GND 參考點 VCC 波形如圖4 所示，AGND 參考點 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，信號處理電路、檢測電路和驅動電路選擇Sensor- 作為參考點。這個設計的優勢在于避免了Sensor- 可能帶來的負面影響，保證了電容傳感器供電電源信號的同步。這樣一來，即使外部信號有波動或有電磁干擾產生的交流信號作用在Sensor- 上，信號也能夠同時被改變，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，具體感應信號檢測電路如圖6 所示，傳感器與被測物體之間的電壓信號經過前級電路后通過D2 送到選通芯片輸入端1，控制端通過R3 與傳感器的負向輸入端相連，此外其還和電容C5 組成RC 濾波器，對硬件電路中的高頻噪聲進行了一定的濾除。軟件方面，濾波算法主要通過控制CPU 內部時鐘頻率從而實現調節輸出端脈沖信號的時間窗口作用。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 與被測物體的感應信號1 之間進行切換選擇輸出，然后將電壓信號送入MCU。MCU 對DAC 和比較器進行選擇配置，然后輸出經過檢測處理后的電壓信號。

3.4 IO-LINK控制電路

IO-LINK 作為智能傳感器的關鍵技術，其是一種新型的點對點的串行數字通訊協議，可在傳感器和控制器（PLC）間完成數據交換。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設置。針對IOLINK 芯片設計了專門的驅動電路，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IN1、IN2、EN/DIAG、I/Q 引腳的控制，IO-LINK可工作在高邊測/ 低邊側/ 推挽模式下。IO-LINK 外部引腳接線如圖9 所示。

4 軟件設計

軟件設計中選用的MCU 型號為STM32C8T6，系統初始化階段包括使能芯片中斷，開啟定時器中斷，開啟ADC 轉換，核心的算法執行放在定時器中斷中執行，包括讀取電容傳感器的輸出，輸入Adaboost算法進行數據殘差補償，補償后的結果取連續的5 個輸出結果作為一次判斷的循環，采用投票算法少數服從多數原則決定最終的輸出信號。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）是一種集成學習算法，通過組合多個弱分類器來構建一個強分類器。在電容傳感器溫度自適應補償和距離殘差補償中，使用Adaboost 算法組合多個弱模型，以提高整體的數據精準度。這里以溫度自適應補償算法為例，使用Adaboost，具體實現步驟如下：①通過搭建溫度檢測電路收集帶有傳感器溫度和對應輸出值的數據，作為訓練數據。②選擇擬合度比較不錯的且對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。模型訓練階段通過反復迭代調整數據權重，訓練多個弱模型。Adaboost 強大的地方在于每個弱模型都會關注之前被錯誤分類的樣本。③最后的輸出是將多個弱模型組合成一個強模型，實現對傳感器輸出值的溫度自適應補償。同理，距離殘差補償算法原理同上。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 庫進行轉化。

4.2 投票算法

在Adaboost 補償算法的基礎上，為了進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果，以獲得最終的物體距離估計。具體是選用5 次連續的物體進行距離判斷，以應對瞬時噪聲或干擾。如果5次輸出中80% 以上產生了動作信號，最終輸出動作信號1，反之如果5 次輸出中80% 以上產生了非動作信號，最終輸出非動作信號0。介于這兩者之間的維持上一次輸出2 不變。具體投票算法信號輸出規則轉化見表1。

5 試驗結果

在試驗室條件下，利用EFT 儀器、變頻器、高低溫溫度箱對設計的智能電容傳感器的性能進行了全面評估，試驗結果表明本方案設計的智能電容傳感器與傳統方案相比有了極大的改善。表2 和表3 分別展示了群脈沖、電機干擾的試驗數據，其中，“√”代表該項測試通過，反之“×”表示該項測試不通過。

當配置IO-LINK 設備為SIO 模式時，電容傳感器通過按鍵一鍵進行TEACH-IN 示教，設定電容傳感器的開通和關斷距離，如圖9 在SIO 模式IO-LINK接口作為數字量的I/O 口輸出使用，數據單向地從電容傳感器端傳遞至控制器端。

當配置IO-LINK 設備為IO-LINK 通信模式時，輸出脈沖信號，IO-LINK 主頻按照預定的波特率與IO-LINK 傳感器建立通信，按照協議內容與控制器進行非周期性數據交換。LINK 芯片與電容傳感器MCU 之間通過串口RXD1、TXD1 進行數據接收、發送。通過IO-LINK 智能端口雙向通訊的功能，在參數設置的過程中，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，能在第一時間對設備進行停機設置和簡單的遠程維護。同時IODD 包含了IO-LINK 設備的全部日志信息，像USB 一樣方便，通過鼠標進行遠程參數設置，如NO/NC 的切換，特別是對于安裝空間狹小，特殊應用工位等，客戶可降低關閉維修時間，獲得較長的設備正常運行時間，極大地提高了調試便利性和生產效率，降低了綜合成本。

此外，當電容傳感器應用于光伏、半導體行業等，安裝環境普遍較高，傳統的電容傳感器一般應用熱敏電阻組成補償電路進行阻值補償，該方案一致性較差，文章采用MCU 自動補償方案，通過不同溫度環境下的試驗得到測量電路的輸出電壓隨溫度變化的規律，單片機進行擬合計算進行DAC 調整，使電容傳感器在高、低溫環境中的變化減小為原來的20%，確保工業現場的可靠運行。

6 結束語

文章設計采用了新的振蕩方式生成穩定可靠的供電電源，檢測電路設計了DAOC 抗干擾電路，應用MCU+IO-LINK 的現代技術，最后在試驗階段完成了±3 kV， 干擾頻率1 KHZ，5 KHZ，100 KHZ 的EFT干擾測試；通過按鍵實現了TEACH-IN 自動示教；而且通過IO-LINK 通信實現了控制器與傳感器設備之間的信息交互，實現了電容傳感器在溫度補償、開關頻率、距離設定、設備啟停、簡單維護的遠程智能設置，為客戶提供了高性能、低成本、良品率高的解決方案。

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