一种高灵敏度的电容传感阵列检测电路及信号处理方法与流程

本发明涉及一种高灵敏度的电容传感阵列检测电路及信号处理方法，属于电容传感器信号检测技术领域。

背景技术：

电容传感器可以从一对电极层之间的电容变化检测出测量对象的凹凸形状，并且可以被用于表面压力分布传感器以及诸如应变计之类的传感器。一般地，用以下公式来表示电容传感器中的电容：C＝ε0εrS/d…，在以上公式中，C表示电容，ε0表示自由空间中的电容率，εr表示电介质层的相对电容率，S表示电极层的面积，并且d表示电极之间的距离。

但是传统的电容隔直虽然方便，但存在信号延时，且只适用于单路信号独立工作，不宜用于多通道信号切换的信号处理，容易引起切换信号的串扰。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种高灵敏度的电容传感阵列检测电路及信号处理方法，其通过控制器将传感器的测量信号与初始状态信号相减得到传感器的敏感变化值，起到信号隔直效果，这样可以更有利于有用信号的放大等处理，得到更高的检测灵敏度。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为一种高灵敏度的电容传感阵列检测电路，包括驱动电路、电容传感器阵列、模拟开关电路、C/V转换电路、整流与滤波电路、减法电路、DAC电路、放大滤波电路及MCU处理器，所述驱动电路经模拟开关电路与电容传感器阵列的输入端相连接，所述电容传感器阵列的输出端经模拟开关电路与C/V转换电路的信号输入端相连接，所述C/V转换电路的信号输出端经整流与滤波电路与减法电路相连接，所述减法电路的信号输出端连接有放大滤波电路，所述模拟开关电路的信号输入端与MCU处理器，所述MCU处理器经DAC电路与减法电路相连接。

优选的，所述驱动电路包括有源振荡器和低通滤波电路，所述有源振荡器用于提供1MHz的交流信号，经过低通滤波电路滤波处理后，得到1MHz、1V的正弦电压。

优选的，所述模拟开关电路采用ADG1212，其供电为±15V，二通道。

优选的，所述DAC电路采用AD5761R，输出电压为0-20v。

一种高灵敏度的电容传感阵列检测电路信号处理方法，按照以下步骤进行，

a、C/V转换电路将传感器的敏感端接收的交流激励电流转换为交流电压信号，设激励的初始电压为Vi(t)，电路的反馈电阻为R1，且不低于33kΩ，C/V转换后输出电压V1(t)为：

b、述整流与滤波电路主要实现对交流电压信号整流为直流信号，通过二极管进行半波整流，得到正半周期的交流信号，然后经过二阶的正反馈有源滤波器得到直流信号，整流与滤波电路的输出电压V2为：

其中，Vi，V1为激励信号与C/V转换电路的输出信号的幅值，η为半波整流信号的整流效率；

c、所述减法电路与DAC电路主要实现对直流信号的隔直，先通过对电容传感器阵列的各初始电容传感的检测信号的整流与滤波电路的输出值V3进行测量，将测量的电压值转换为相应的DAC的数字值，然后当模拟开关切换至相应的通道时，DAC同时输出相应通道的初始电压值，经过减法电路进行相减，得到电容传感器的敏感信号的变化值，其输出电压V4为：

设传感器的初始电容值为Cx0，则上式为：

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：本发明对近程电容传感器阵列的信号处理而设计的检测电路，将电容传感器的敏感接收端接收的交流信号整流为直流信号可更方便进行处理。并且，该电路通过控制器将传感器的测量信号与初始状态信号相减得到传感器的敏感变化值，起到信号隔直效果，这样可以更有利于有用信号的放大等处理，得到更高的检测的灵敏度。此外，传统的电容隔直虽然方便，但存在信号延时，且只适用于单路信号独立工作，不宜用于多通道信号切换的信号处理，容易引起切换信号的串扰。该发明可以很高好的规避传统电容隔直的这些缺点，而且可以对电容传感器的瞬态与静态都可以测试，更适用于电容传感器阵列信号的检测。

附图说明

图1为本发明中电容传感器阵列检测电路框图。

图2为本发明中C/V转换电路、整流滤波电路及减法电路的电路图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1和图2所示，一种高灵敏度的电容传感阵列检测电路，包括驱动电路1、电容传感器阵列2、模拟开关电路3、C/V转换电路4、整流与滤波电路5、减法电路6、DAC电路7、放大滤波电路8及MCU处理器9，驱动电路2经模拟开关电路3与电容传感器阵列2的输入端相连接，电容传感器阵列2的输出端经模拟开关电路与C/V转换电路4的信号输入端相连接，C/V转换电路4的信号输出端经整流与滤波电路5与减法电路6相连接，减法电路6的信号输出端连接有放大滤波电路8，模拟开关电路3的信号输入端与MCU处理器9，MCU处理器9经DAC电路7与减法电路6相连接。

其中，驱动电路1包括有源振荡器和低通滤波电路，有源振荡器用于提供1MHz的交流信号，经过低通滤波电路滤波处理后，得到1MHz、1V的正弦电压，提高敏感空间的场能。模拟开关电路3采用ADG1212，其供电为±15V，二通道，其导通电容较小，为1pF，对后续电容传感器影响较小，通过控制通道切换可以满足不同的驱动与敏感电极分时复用工作。DAC电路7采用AD5761R，输出电压为0-20v，该芯片转换速度快，建立时间仅为10us左右。此外，DAC精度高(16位)，直接输出电压可达20V，无需其他辅助电路，设计简单。因DAC可保持初始电压的值的持续输出，不同于电容隔直电路是瞬态的信号处理。因此本发明的检测电路都可对传感器的瞬态与静态状态进行测量。

一种高灵敏度的电容传感阵列检测电路信号处理方法，按照以下步骤进行，

a、C/V转换电路将传感器的敏感端接收的交流激励电流转换为交流电压信号，设激励的初始电压为Vi(t)，电路的反馈电阻为R1，且不低于33kΩ，C/V转换后输出电压V1(t)为：

b、述整流与滤波电路主要实现对交流电压信号整流为直流信号，通过二极管进行半波整流，得到正半周期的交流信号，然后经过二阶的正反馈有源滤波器得到直流信号，整流与滤波电路的输出电压V2为：

其中，Vi，V1为激励信号与C/V转换电路的输出信号的幅值，η为半波整流信号的整流效率，与二极管参数与信号频率相关，通常整流效率＝45％～98％；

c、减法电路与DAC电路主要实现对直流信号的隔直，先通过对电容传感器阵列的各初始电容传感的检测信号的整流与滤波电路的输出值V3进行测量，将测量的电压值转换为相应的DAC的数字值，然后当模拟开关切换至相应的通道时，DAC同时输出相应通道的初始电压值，经过减法电路进行相减，得到电容传感器的敏感信号的变化值，其输出电压V4为：

设传感器的初始电容值为Cx0，则上式为：

从上式可以看出，检测电路是对传感器的电容变化值进行检测。后续的放大滤波电路可直接对信号变化值进行放大，这样可避免直接对信号放大容易饱和的状况发生，得到更高检测灵敏度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包在本发明范围内。