基于双叉指电容和ZIGBEE的无线位移传感器*

范 霖，陈向东，黄 林

(西南交通大学信息科学与技术学院，四川 成都 610031)

0 引言

微位移测量技术不仅在楼宇、桥梁等建筑的微位移监控中重要，还能为泥石流，山体滑坡等地质灾害提供参数，方便工作人员进行预警工作［1］。随着物联网的发展，ZIGBEE技术在无线传感网中的应用更加频繁，是一种可靠性很高的短距离无线通信［2－3］。

传统的位移传感器主要有电位器式、光栅式、电阻应变片式、电容器式。电位器式位移传感器［4］的结构简单，测试范围为1～300 mm，但其分辨率只有1 mm，无法应用于更小分辨率(微米或亚微米)的测量。光栅式位移传感器［5－6］的测试范围为1～10 000 μm，分辨率为1 μm，具有量程大，分辨率高的特点。但其检测设备复杂，不易携带，并且采集的光学信号，无法像电学信号一样易储存和进行后端处理，不利于实现位移测量的系统化。电阻应变片式位移传感器［7］的最小分辨率为 0.1 μm，测量范围为0.1～100 μm。显然，其过小的量程限制了应用范围。传统电容式位移传感器［8］检测分辨率为μm级别，检测范围为10～10 000 μm。并且具有响应速度快、低成本、低功耗等优点。但传统的电容式传感器探头多为双极板型，探头电容的一个极板需安装在测量物体表面，限制了检测探头的使用范围，无法实现非接触式测量。文中提出的电容式微位移传感器采用平面双叉指电极作为位移检测探头，其分辨率为10 μm，测量范围为10～6 000 μm。对比上述4种传感器，文中提出的电容式位移传感器性能参数类似于光栅式位移传感器，不仅具有高分辨率与大量程的特点，而且结构简单，实现了非接触式检测。此外，传感器应用ZIGBEE无线通信节点传输数据，解决了传统位移传感器安装时布线复杂的问题，实现了对设备在可通信范围内的无线监控。既能满足微测量技术的传统要求，还能完成动态实时采样和自动化工作。

1 电容式位移传感器原理

1.1 电容式位移传感器

电容式位移传感器以理想平板电容为基础，将电容探头和被测物的一个面作为两个极板，基于调制器连续采样一个周期电容器电荷量的原理，当恒定频率的激励信号通过探头电容时，探头所探测的电容大小只受极板间距的影响［9］。基于双叉指电容和ZIGBEE的无线位移传感器是一个完整的系统，包含了位移－电容转换模块、电容采集和发送电路、电容接收电路、上位机软件。

1.2 平面双叉指电容传感器

平面双叉指电容传感器(如图1所示)将电容器的两个电极设计在一个有限平面内，并且自身形成平板电容的一个极板，被测物则是另一个极板［10］。由上文所述，被测物与双叉指电极的位移变化会影响两者之间的电场线分布，进而会带来电容值的变化。这种电容传感器结构简单，易于安装，既能满足微测量技术的传统要求，还能完成动态采样和自动化工作，在现代工业测量中有广泛的应用前景［11］。

1.3 电容检测电路

电容检测电路由AD7745芯片和其外围电路组成。AD7745是美国ADI公司推出的I2C串行接口总线电容数字转换器，是一款高性能的CDC芯片。AD7745检测电容值的工作原理(如图2所示)是:传感器探头的一个电极连接到激励源输出端(EXCA或EXCB)，另一个电极连接到∑－△调制器的输入端(CIN(+))，在一个电容检测周期内，激励源的方波输出并经过探头与被测物形成的电容器，∑－△调制器连续检测通过电容器的电荷，输出经过数字滤波器处理后再进行校正，最后保存在电容值寄存器中，CC2530通过 I2C总线接口读取数据［12］。AD7745有单端和差分工作模式，根据需要设计采用了单端模式。AD7745的外围电路就是根据电容参数设计的两个RC滤波器，滤波器分别接入EXCA、CIN(+)引脚用以滤除电路的部分噪声，工作时将双叉指电容的两个电极连接到检测电路的输入端，检测电路可测量的电容范围是0～14.096 pF。

图2 AD7745内部原理［12］Fig.2 Internal principle of AD7745［12］

2 传感器系统的设计与实现

2.1 系统设计

传感器系统(如图3所示)包括:传感器探头、电源管理、电容检测电路、液晶显示、ZIGBEE采集节点、ZIGBEE接收节点、上位机7个部分。其工作原理是:传感器探头接入电路，AD7745电容检测电路转换电容值。采集节点的CC2530模块模拟I2C通信读取数据并无线传送给接收端，接收节点的CC2530模块接收数据并通过串口通信传到PC。上位机把电容数据转换成实际位移量并显示在一维坐标轴上。

图3 传感器系统Fig.3 System of sensor

2.2 硬件设计

根据传感器系统将硬件电路分为电容数据采集节点、电容数据接收节点两个模块。

采集节点电路包括电源管理、传感器探头、电容检测电路、CC2530模块。电源管理设计为电池和5 V电源均可供电，既降低了设备安装时布线的复杂性，还增强了节点的便携性，使节点不受电源线的约束。探头的电极经RC滤波电路接入EXCA和CIN(+)，引脚P04_RDY的低电平表示一次电容值转换结束可以读取数据。CC2530通过用I/O口P06、P07模拟 I2C通信的时钟线(SCL)、数据线(SDA)来读取电容值。具体电路实现如图4所示。

图4 采集节点电路Fig.4 Circuit of acquisition node

接收节点电路包括电源管理、USB转串口电路、液晶显示、CC2530模块。接收节点的5 V电源由USB直接提供。为了数据传送的方便设计了USB转串口电路，I/O口P02、P03用来和PC进行串口通信。为了节省 CC2530的 I/O口资源，用74HC595将并行数据转换成串行数据让液晶显示。具体实现电路如图5所示。

图5 接收节点电路Fig.5 Circuit of receiving node

2.3 软件设计

系统软件分为下位机、上位机两部分，其中下位机是采集节点和接收节点的软件开发。采集节点部分节点读取AD7745的电容数据后将数据发送出去。读取数据时，微处理器通过I/O口模拟I2C时序控制AD7745的读写［6］。接收节点收到数据后将数据经串口传到PC，同时在节点完成液晶显示。下位机是基于TI的Basic RF(无线点对点传输协议)开发的，节点之间的通信也利用了协议中的数据无线发送、接收功能。

上位机软件由VC++6.0中MFC工具开发，主要是串口控件编程和绘制一维坐标。VC++提供了串口控件和绘图函数，只需进行串口初始化和对串口事件中数据的处理、调用绘图函数。上位机界面如图6所示:界面能显示一维坐标，位移范围－3～3 mm，相邻刻度间隔0.1 mm，当有被测物体时，光标会指向当前的位移值。此外，有两个静态文本框分别显示当前电容值、当前位移，有串口的开关选择框(蓝色光标显示了当前测得的位移值)。

图6 上位机界面Fig.6 PC interface

2.4 实验结果

实验平台如图7所示，金属板被固定在位移台上，转动位移台的控制柄使金属板移动，进而改变金属板与传感器探头的距离。位移台是赛凡光电的7STM01225平移台，最大量程是25 mm，最小分辨率是10 μm。数据采集是实验的重要部分，实验采集并分析了25 mm范围的多组电容值数据后，选取其中灵敏度较高的0～6 mm范围数据进行处理，每间隔0.05 mm测量一组数据，共有60组数据。探头与被测物在0～6 mm位移内，系统采集的电容值如图8所示(选取3 mm处作为x轴的原点)。为了得到系统的通信距离，实验时将采集节点和接受节点分别放在距离1 m、20 m、40 m、50 m、60 m、70 m处进行测量。实验表明，节点距离在小于50 m时，电容数据能准确快速的发送到上位机，节点距离大于50 m时会出现数据丢失的现象。因此，本系统的通信距离为50 m。

图7 实验平台Fig.7 Experiment platform

图8 位移－电容值Fig.8 Displacement－capacitance

分析实验数据可知，电容值在－3.0 ～－2.8 mm，－2.8 ～－1.1 mm，－1.1 ～－0.1 mm，－0.1 ～3.0 mm 4个区间的灵敏度不同，因此分别将4个区间的电容值进行函数拟合，再将函数添加到上位机程序中，在位移测量实验时就能显示被测金属板与传感器探头的位移值。利用实验平台，对－3～3mm的范围进行了位移测量。图9是实际位移(位移台控制柄显示值)和测量位移(上位机界面显示值)之间的波动图，由图可知两者的误差值最大约为0.05 mm。

图9 系统误差Fig.9 Error of system

2.5 误差分析

实验发现，系统的主要误差是由电容值不稳定造成。因为电源适配器的纹波大，而电容传感器探头的电容值是pF级，极易受到纹波的影响而不稳定。实验采用电池供电后发现电容值比用电源适配器供电时稳定，误差明显减小。此外，传感器探头，上位机数据处理，实验平台等也会带入误差。

3 结语

通过实验证明了基于双叉指平面电容的无线位移传感器方案的可行性，系统具备6 mm的测量范围，10 um的分辨率，50 m的通信距离。系统的灵敏度随着被测金属板与电容传感器探头的距离增大而减小，在距离为零时电容值达到满量程。

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