电容式传感器篇(1)

关键词：电容式传感器；非线性误差；位移

引言

电容传感器是将被测量的变化转换成电容量变化的传感器，具有结构简单，动态响应好，灵敏度高，能测量微小变化等优点。广泛应用于位移、速度、加速度等机械量精密测量。在实现运料车辆寻轨运行至指定位置，进行货料称重并完成卸载储存的智能化仓储管理系统中，利用电容式位移传感器实现位移检测，保障小车能够准确停靠，其调理电路的设计至关重要，本文对此进行了研究。

1智能仓储管理系统原理

智能化仓储管理系统采用单片机控制，结合应变片传感器、电容传感器、A/D转换模块、H桥PWM输出模块、放大电路等，构成运料小车，其原理框图如图1所示。图1中，应变片传感器完成称重功能，电容传感器检测位移，确定小车停靠位置。

2电容传感器信号调理电路设计

在本电容传感器信号调理电路设计中采用差动式电容传感器，调理电路设计中采用二极管不平衡环形电路，差动输出的电容量在调理电路中分别是Cx1和Cx2，其调理电路如图2所示。电容式传感器调理电路由与非门组成的多谐振荡器、LM324构成的放大电路以及二极管不平衡环形电路构成。图2中，U1A和U1B两个与非门之间经电容C1和C2耦合形成正反馈回路。合理选择反馈电阻R2和R3，可使U1A和U1B工作在电压传输特性的转折区，这时，两个反相器都工作在放大区。由于电路完全对称，电容器的充放电时间常数相同，可产生对称的方波。改变R和C的值，可以改变输出振荡频率。方波经过LM324运放放大后，送给二极管不平衡环形电路。二极管不平衡环形电路中的Cx1和Cx2为电容传感器的两个差动输出的电容量，位移变化时，电容量发生变化。电容量的变化使得输出端电压含有直流分量，直流分量经过低通滤波后在输出端得到不同极性的直流电压。在系统中该直流电压大小对应位移的变化，从而实现位移的检测。二极管不平衡环形电路的设计如图3所示。图3中，Cx1和Cx2为差动式电容传感器的两个电容量，D4~D7为特性相同的4个二极管。与非门组成的多谐振荡器输出的方波经过放大后再经C4，L1隔离直流和低频干扰信号，在MO端的电压uMO为正、负半周对称的方波。在uMO正半周时，一路经D4对Cx1充电，另一路经D5对Cx2充电。在uMO负半周时，一路经D6对Cx2充电，另一路经D7对Cx1充电。若初始状态下Cx1=Cx2时，C5两端的电压uC5是对称的方波，因此uNO（uNO=uMO-uC5）也是对称的矩形波，没有直流分量。当Cx1≠Cx2时，C5两端的uC5为正负半周不对称的波形，使得uNO存在直流分量，直流分量经过L2和C6低通滤波后，在输出端得到不同极性的直流电压Uo。

3电容式传感器测位移实验

搭建电容式位移传感器调理电路的测试平台，随着位移的变化电容传感器电容量发生变化，从而调理电路输出电压UO发生变化，经过多次实验得到位移—输出电压的几组数据，如表1所示；对得到的数据计算平均值，结果如表2所示。采用端点直线法，以传感器校准曲线两端点间的连线作为拟合直线，两端误差为零，中间大。取端点（x1，y1）=（0.2，65）和（x6，y6）=（1.2，613）.

4结论

针对电容式位移传感器设计的调理电路进行试验平台搭建和数据分析，采用端点直线法进行拟合计算出非线性误差仅为±0.27%，非线性误差很小，设计的调理电路在实际应用中有很大的实用价值，能够准确的测量微小变化的位移。

参考文献：

[1]孙立宁，晏祖根.电容式微位移传感器设计及其应用研究[J].传感器技术，2005，24（10）：13-15.

[2]海静，卢文科.基于最小二乘法的差动变面积式电容传感器非线性拟合[J].仪表技术，2014（2）：11-13.

[3]李岩，刘迪，张树团.一种基于电容应变式传感器的信号调节电路.自动化与仪器仪表，2014（1）：64-65.

[4]朱凌俊，王盛，任亚琳，等.基于电容传感器的孔径测量装置[J].机械，2015（10）：34-39.

[5]宋美杰.基于电容传感器的薄膜厚度测量系统设计[J].教育教学论坛，2016（19）：173-174

[6]张德福，葛川，李显凌，等.电容传感器线性度标定平台[J].光学精密工程，2016（1）：143-151.

电容式传感器篇(2)

关键词：FPC1011C；指纹识别模块； DSP；电容式传感器

一、引言

生物识别技术是一种通过人体特征来确认身份的认证技术，它能立刻强化安全，并且将用户从密码地狱中解放出来。生物识别可用在很多地方，比如：视网膜识别、面部识别、签名识别、声音识别技术、指纹识别技术等。在所有的生物识别技术中指纹识别技术是目前最为成熟，也被应用最广的生物识别技术。它是用人体的指纹特征对个体身份进行区分和鉴定，具有唯一性、稳定性、难于伪造的特点，而且识别的准确率较高。使它在身份识别和认证领域以及安全性能要求较高的行业中得到广泛应用。指纹识别技术即将迎来一个跳跃性发展的黄金时期，巨大市场前景，将对国际、国内安防产业产生巨大的影响。

二、FPC1011C传感器的总体特征

FPC1011C的工作原理和性能特点

FPC1011C电容式指纹传感器是瑞典FingerPrint Card公司推出的目前最先进的电容式指纹传感器，该电容式指纹传感器利用了该公司拥有专利的反射式探测技术（以往的电容式指纹传感器采用的一般是直接式探测技术），使指纹传感器的表面保护层厚度可以达到普通电容式指纹传感器的100倍左右，因此使指纹传感器具有更高的对干湿手指的适用性和更长的使用寿命。

主要特征和性能如下：

① 指纹图像大小：152*200

② 图像分辨率：363 DPI

③ 传感器图像面积：10.64*14.00mm

④ 采集原理：电容式，反射式探测法

⑤ 探测位置：真皮层

⑥ 高速的SPI接口

⑦ 3.3V或2.5V的工作电压

⑧ 抗静电达15kV以上

⑨ 使用寿命达100万次以上

⑩ 使用温度：-20℃~60℃

  2 模块的硬件设计

该系统是由DSP、FPC1011C指纹传感器、SDRAM和FLASH、RS232接口等硬件组成。

① 工作原理

用户通过PC端软件发命令给指纹识别模块，FPC1011C电容式指纹传感器采集用户的指纹，DSP通过SPI接口读取从传感器过来的指纹图像，将指纹图像存储到SDRAM中，DSP运用指纹识别核心算法对图像进行运算，将运算出来的特征点和存储在Flash的特征点进行比对，再通过指纹识别模块将比对结果输出给PC端显示比对结果。系统的原理框图如图1所示。

  图1 模块的硬件设计框图

 

② 指纹传感器部分的硬件设计

DSP通过SPI口读取FPC1011C的指纹图像，并通过PF口来控制片选控制信号，FPC1011C指纹图像传感器通过SPI(串行外设接口)口和外部进行通信，通信时，需要把传感器设置成从机模式，DSP设置成主机模式，同时要把从机CPOL和CPHA 设置为 0的数据传输模式，指纹图像的最大传输速度可达4M/s(=32MHz)。

传感器部分的硬件电路示意图如图2所示。

图2 传感器部分的硬件电路接口图

3 传感器的驱动软件设计

采用ADI公司的VisualDSP++ 4.5集成开发环境软件进行C语言编程。按时序把指纹图像放在SDRAM的固定地址中，通过仿真器进行调试，并读出所采集的指纹图像，观察指纹图像质量，进而调整指纹传感器的参数，使采集到的图像效果达到最佳。

FPC1011C的指令概要：

指令指令代码描述rd_sensor11 H开始采集指纹图像（数据采用FIFO方式）rd_spidata20 H采用FIFO方式读（仅在SPI接口时有效）rd_spistat21 H通过SPI接口读取内部状态寄存器（仅在SPI接口时有效）rd_regs50 H读取内部状态寄存器（所以寄存器在一次操作中读出，寄存器的内容通过FIFO方式存放）wr_drivc75 H写DRIVC寄存器，设置传感器的电压振幅wr_adcref76 H写ADCREF寄存器，设置ADC灵敏度wr_sensem77 H写SENSEMODE寄存器,设置自测试模式wr_fifo_th7C H写FIFO_TH寄存器,通过FIFO方式设置数据有效信号wr_xsense7F H移位数据到XSENSE寄存器wr_ysense81 H移位数据到YSENSE寄存器wr_xshift82 H写XSHIFT寄存器，设置X方向的移位数据wr_yshift83 H写YSHIFT寄存器，设置Y方向的移位数据wr_xreads84 H写XREADS寄存器，在移位YSENSE寄存器之前设置同一行的读取数目

① 传感器初始化程序设计

/****************************************************/

/*init SPI          */

/*CPOL and CPHA must be set 0      */

/****************************************************/

void segment (""L1_code"") Init_SPI(void)

{

  *pSPI_CTL &= (~SPE); //disable SPI

  *pSPI_BAUD = 0x23;  //SPI Master Baud Rate = SCLK / (2 × SPI_BAUD)

  *pSPI_STAT = TXCOL RBSY MODF TXE; //Master Mode;Active high SCK;8 bit;

*pSPI_CTL = MSTR TIMOD_RAW_TX GM  WOM SZ;

}

/*******************************************************

/The default parameter setting for FPC1011C(3A or 3B)

/DrivC  = 0x7F

/ADCRef = 0x02

/ Adaptive Gain Control FPC1011C；

*******************************************************/

void  segment (""L1_code"") Init_FPC1011C(void)

{

  // default setting DriveC=127, ADCRef=2

  SPI_SendByte(WRITE_DRIVC);

  SPI_SendByte(DriveC);

  SPI_SendByte(WRITE_ADC_REF);

  SPI_SendByte(ADCRef);

}

② 采集指纹图像程序设计

/*******************************************************

/Read Image

*******************************************************/

void  segment (""L1_code"") Read_FPC1011C_Img(void)

{

unsigned char val,i1,j1;

unsigned short j;

unsigned short cnt=0;

Start_SPI();

Init_FPC1011C();

SPI_SendByte(READ_SENSOR);

SPI_SendByte(0x00);

for(j=0;j

{

    SPI_SendByte(READ_SPI_STATUS);

    SPI_SendByte(0x00);

    val = SPI_RecByte();

}

SPI_SendByte(READ_SPI_DATA);

SPI_SendByte(0x00);

for(i1=0;i1

{

    for(j1=0;j1

电容式传感器篇(3)

关键词：加速度　差容式　力平衡　传感器

加速度传感器是用来将加速度这一物理信号转变成便于测量的电信号的测试仪器。它是工业、国防等许多领域中进行冲击、振动测量常用的测试仪器。

1、加速度传感器原理概述

加速度传感器是用来将加速度这一物理信号转变成便于测量的电信号的测试仪器。差容式力平衡加速度传感器则把被测的加速度转换为电容器的电容量变化。实现这种功能的方法有变间隙，变面积，变介电常量三种，差容式力平衡加速度传感器利用变间隙，且用差动式的结构，它优点是结构简单，动态响应好，能实现无接触式测量，灵敏度好，分辨率强，能测量0.01um甚至更微小的位移，但是由于本身的电容量一般很小，仅几pF至几百pF，其容抗可高达几MΩ至几百MΩ，所以对绝缘电阻的要求较高，并且寄生电容（引线电容及仪器中各元器件与极板间电容等）不可忽视。近年来由于广泛应用集成电路，使电子线路紧靠传感器的极板，使寄生电容，非线性等缺点不断得到克服。

差容式力平衡加速度传感器的机械部分紧靠电路板，把加速度的变化转变为电容中间极的位移变化，后续电路通过对位移的检测，输出一个对应的电压值，由此即可以求得加速度值。为保证传感器的正常工作.，加在电容两个极板的偏置电压必须由过零比较器的输出方波电压来提供。

2、变间隙电容的基本工作原理

如式2－1所示是以空气为介质，两个平行金属板组成的平行板电容器，当不考虑边缘电场影响时，它的电容量可用下式表示：

由式（2－1）可知，平板电容器的电容量是 、A、 的函数，如果将上极板固定，下极板与被测运动物体相连，当被测运动物体作上、下位移（即 变化）或左右位移（即A变化）时，将引起电容量的变化，通过测量电路将这种电容变化转换为电压、电流、频率等电信号输出根据输出信号的大小，即可测定物体位移的大小，若把这种变化应用到电容式差容式力平衡传感器中，当有加速度信号时，就会引起电容变化 C，然后转换成电压信号输出，根据此电压信号即可计算出加速度的大小。

由式（2－2）可知，极板间电容C与极板间距离 是成反比的双曲线关系。由于这种传感器特性的非线性，所以工作时，一般动极片不能在整个间隙，范围内变化，而是限制在一个较小的  范围内，以使  与 C的关系近似于线性。

它说明单位输入位移能引起输出电容相对变化的大小，所以要提高灵敏度S应减少起始间隙 ,但这受电容器击穿电压的限制，而且增加装配加工的困难。

由式（2－5）可以看出，非线性将随相对位移增加面增加。因此，为了保证一定的线性，应限制极板的相对位移量，若增大起始间隙，又影响传感器的灵敏度，因此在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性，大都采用差动式结构，在差动式电容传感器中，其中一个电容器C1的电容随位移 增加时，另一个电容器C2的电容则减少，它们的特性方程分别为：

可见，电容式传感器做成差动式之后，非线性大大降低了，灵敏度提高一倍，与此同时，差动电容传感器还能减小静电引力测量带来的影响，并有效地改善由于温度等环境影响所造成的误差。

3、电容式差容式力平衡传感器器的工作原理与结构

3.1工作原理

如图1所示，差容式力平衡加速度传感器原理框图

电路中除了所必须的电容，电阻外，主要由正负电压调节器，四运放放大器LT1058，双运放op270放大器组成。

3.2差容式力平衡传感器机械结构原理

由于差动式电容，在变间隙应用中的灵敏度和线性度得到很大改善，所以得到广泛应用。如图2所示为一种差容式力平衡电容差容式力平衡传感器原理简图。主要由上、下磁钢，电磁铁，磁感应线圈，弹簧片，作电容中间极的质量块，覆铜的上下极板等部分组成。传感器上、下磁钢通过螺钉及弹簧相连，作为传感器的固定部分，上，下极板分别固定在上、下磁钢上。极板之间有一个用弹簧片支撑的质量块，并在此质量块上、下两侧面沉积有金属（铜）电极，形成电容的活动极板。这样，上顶板与质量块的上侧面形成电容C1，下底板与质量块下侧面形成电容C2，弹簧片一端与磁钢相连，另一端与电容中间极相连，以控制其在一个有效的范围内振动。由相应芯片输出的方波信号，经过零比较后输出方波，此方波经电容滤除其中的直流电压，形成对称的方波，该对称的方波加到电容的一个极板上，同时经一次反向后的对称波形加到另一个极板上。

当没有加速度信号时，中间极板处于上、下极板的中间位置C1＝C2，C＝0后续电路没有输出；当有加速度信号时，中间极板（质量块）将偏离中间位置，产生微小位移，传感器的固定部分也将有微小的位移，设加速度为正时，质量块与上顶板距离减小，与下底板距离增大，于是C1＞C2，因此会产生一个电容的变化量C，C由放大电路部分放大，同时，将放大电路的输出电流引入到反馈网络。由于OP270的脚1和16分别与线圈两端相连，当有电流流过线圈时，将产生感应磁场，就会有电磁力产生。因为上、下磁钢之间有弹簧，所以在电磁力的作用下将使磁钢回到没有加速度时的位置，即此时的电容变化完全有加速度的变化引起，同时由于线圈与活动极板通过中心轴线相连，所以在电磁力的作用下，使中间极向产生加速度时的位移的相反的方向运动，即相当于在C的放大电路中引入了负反馈，这样，使传感器的测量范围大大提高。因此，对于任何加速度值，只要检测到合成电容变化量C，便能使活动极板在两固定极板之间对应一个合适的位置，此时后续电路便输出一个与加速度成正比的电压，由此电压值就可以计算出加速度的大小。

4、力平衡传感器实际应用

哈尔滨北奥振动技术是专门从事振动信号测量的专业公司，它们应用这种差容式力平衡原理开发出的力平衡加速度传感器实现的主要性能指标如下：

测量范围：±2.0g，±0.125g，±0.055g

灵敏度：BA-02a:±2.5V/g、±40.0V/g

BA-02b1:±40.0V/g（差动输出）

BA-02b2:±90.0V/g（特定要求，高灵敏度）

频响范围：DC-50Hz（±1dB）

绝对精度：±3％FS

交叉干扰：小于0.3%

线性度：优于1%

噪声：小于10μV

动态范围：大于120dB

温漂：小于0.01%g/g

电源：±12V-±15V @30.0mA

电容式传感器篇(4)

无线传感网是由具有无线通信、数据采集和处理、协同合作等功能的无线传感器节点组成的网络。它是当今技术发展的一个热点，尤其在军事领域。无线传感网对所使用的传感器有一些严格的限制条件。首先，传感器的功耗要低；其次是精度要高，A／D转换的分辨率为16位；最后是传感器的体积要小。一般而言，无线传感网总是优先使用微型传感器，只是在其功能不能满足要求的条件下才考虑传统的机械式传感器。

无线传感网常用的振动加速度传感器有以下几种：MEMS振动加速度传感器，机械式振动加速度传感器，压电、光纤式振动加速度传感器。其中，MEMs振动加速度传感器又分为压阻式和电容式两种，而光纤式振动加速度传感器虽然精度高，但体积大、电路复杂，不适合现场应用。

MEMS压阻式振动加速度传感器电路设计

1无线传感网用振动加速度传感器技术指标

供电电压：+3．3V单电源。

输出信号：1．65V为基准，上下差分模拟信号。

灵敏度：1000mV／g／3．3V。

模块功耗：额定电流≤1．5mA；功耗≤1．5×3．3mw(约5mw)。

分辨率：一75dB。

带宽：300Hz。

2开环电路结构

压阻式振动加速度传感器是由四个可变电阻连接成惠斯通桥而成的无源传感器。它的激励电源直接取自无线传感网系统电源，采用稳压源是因稳压源的结构较恒流源简单。前置级采用差分输入仪表放大器，目的是去除无用的共模信号，只放大反映振动加速度大小的差模信号。缓冲调整用于前置级和放大级的阻抗匹配，是为信号滤波做准备的。滤波电路的目标是将有用信号和无用信号分开，在本设计中，采用多路反馈电压控制二阶有源低通滤波器。该低通滤波器有通频带平坦、线性度好等优点。为满足计算机接口的要求，系统加了满刻度调整电路和中心电压调整电路。本电路系统选用的器件基本上都是低功耗，微功耗器件。

3开环电路图

在本电路中，RSl、RS2、RS3和RS4是光刻在MEMS悬臂梁上的四可变电阻；R+是零位调整电阻；仪表放大器AD620和C2组成前置级交流放大器，放大原始信号；AD708是高精度双运放芯片，IC2／A和R2、R3组成反相比例放大器，目的是调准中间级放大倍数；IC／2B和R4、R5、C4、C5组成多路反馈、压控、二节低通有源滤波器，滤除高频干扰波；IC／3A和R7、R8组成反相比例放大器，调整整个电路的输出，也称满足刻输出。因为该套电路要和计算机接口，需要设计中心电压，本设计的中心电压为1．65V，IC3／B和R9、R10组成跟随电压稳压电路，使IC3／B运放输出电路接口电位为1．65V，从而保持整个电路的中心电压为1．65V。

压阻式和动圈式振动加速度传感器幅频特性和相频特性

1压阻式和动圈式振动加速度传感器幅频特性对比

从图3、图4上可明显的看出二者的差别。压阻式振动加速度传感器在300Hz内的通频带内平坦、线信度好，能真实地反应振动信号的大小；而动圈式振动加速度传感器的带宽不足300Hz，且通频带极不平坦，线信度不好，放大后，反映的是畸变的振动信号。动圈式振动加速度传感器已无法采集100Hz以上的振动信号，后面的幅频特性图对比更能说明这一点。

2压阻式和动圈式振动加速度传感器信号采集特性和幅频特性对比

图5和图6为两种传感器的信号采集特性曲线，横轴单位为s，纵轴单位为10mV。此曲线是两传感器在灵敏度相同的情况下，测量同一个人的步行振动信号所得。

从图中可明显看出，压阻式传感器采集到的振动信号比动圈式采集到的振动信号内容丰富，后者有明显的信号丢失，而前者的信号幅度在环境等同条件下明显增强。虽然作为无源传感器的机械动圈式传感器具有低噪声的特点，但压阻式的信噪比要比动圈式大的多，达6dBv，后面的幅频特性对比曲线将说到这一点。

图7、图8是两传感器在灵敏度相同的情况下，即每1g输出1V时的幅频特性曲线图。此时两传感器所处外环境相同，测量的仍是同一个人的步行振动信号。压阻式传感器线性度好，信号在250Hz时才开始下降，而后者的信号在1 50Hz时就开始下降，信号基本淹没于噪声中。

从图中还可以看出，动圈式传感器噪声在80dB以下，压阻式传感器噪声在80dB附近，略高于动圈式。在信噪比方面，压阻式比动圈式高约6dBv，即相差约一倍。

使用MEMS电容式振动加速度传感器

电容式振动加速度传感器因分辨率高，在MEMS传感器家族中占有重要的地位。从结构上看，其输出阻抗特别大，相当于开路，如当作无源传感器使用，需经外部激励和电荷转移，才能将振动加速度信号精确地转化为电信号。因电容传感器内阻相当开路，故只能采用交流激励。但这样增加了电路的复杂度，也增大了功耗。

如想将该传感器应用到无线传感网上，只能将其当有源传感器使用。即不用外激励电路，将电容量的变化通过电荷转移为电压变化，用电压变化信号来反映振动加速度大小。从专业角度来看，这是一个非常难处理的信号，不仅信号幅度小，且传感器输出阻抗特别大，需经前置放大电路阻抗匹配后，信号才能作为有效信号。

MEMS电容式振动加速度传感器前置放大电路的设计是其能否应用到无线传感器网的关键。图9是精心设计的MEMS电容式振动加速度传感器前置放大电路。

该电路总体上说是一个自给偏压式射极输出器。T1、T2采用了3sDJO绝缘栅场效应管，目的是降低功耗。T2为射极输出器，T1为T2集电极负载，选用同型管 是为了使静态电路对称，中心输出点电压为V1／2。R2、R3为分压电阻，保证T．工作在饱和状态。C2为反馈电容，稳定输出信号，扩展通频带。R．和后续电路组成自给分压电路，确保T2工作在放大区。

图10为MEMS电容式振动加速度传感器幅频特性图，因为其和压电式振动加速度传感器原理基本一致，幅频特性也基本一致。从图10中可以看出，中频段线性度良好，缺点是20Hz下低频段衰减强烈，失真度高。

电容式传感器篇(5)

关键词： 硬币鉴别； ARM； 传感器； AD9480

中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）18?0114?03

Design of coin identification system based on ARM

WANG Juan， WU Hao， FU Cheng?wei， JING Ya

（School of Physics， Jilin University， Changchun 130012， China）

Abstract： In order to reduce the false coin circulation， a design of coin identification system based on ARM is presented in this paper. This is a composite testing system， in which capacitive sensor， electromagnetic sensor， eddy current sensor and optical sensor are used， to detect the material， thickness and diameter of coins. The signal acquisition circuit system is based on AD9480 to realize high?speed and efficient acquisition and processing of coin features. The processed feature data of coins is sent to STM32 to compare the data with true coin values to identify the detected coins. This system has a great market prospect.

Keywords： coin identification； ARM； sensor； AD9480

0 引 言

人民币硬币是由多种金属材料合成而成，以一元硬币为例，其中含铁、碳、镍等不同金属，其中各种材料的比例多少是国家的机密。由于造假者并不了解真币的各种材质比例及制造工艺，只是在材质、尺寸、质量、图案上进行模仿，目前，对假硬币进行的鉴别方法主要有图像对比法、称质量法和涡流传感器检测法。图像法硬件成本高，不易做到实时性，称重法片面，涡流传感器对一些特定硬币检测的限制性等等。所以，设计出一种对国内外多种硬币材质有效鉴别的系统，以电磁感应原理，电容器原理及电子技术为硬件技术支持，以STM32单片机为核心的系统。文中介绍了系统具体设计和实现。

1 系统总体设计

本系统是基于ARM 的硬币鉴别系统，单片机采用ST公司的STM32F103VE型号，其负责系统控制和对数据的采集和处理，并且提供报警等服务。由线性CCD组成的光学传感器，硬币经过时，可以检测其直径。由两个极板构成的电容极板，硬币的厚度会影响两极板上的电容，进而影响电压的变化，电压信号在经过滤波和放大，通过AD9480采集到表征硬币厚度的电压值。电磁传感器和涡流传感器，因金属材质的不同会对传感器的电感量大小产生影响，然后分别经过频率计和电压比较器后，单片机采集其表征金属材质的频率值。将AD9480和单片机采集所得到的4组值与存储在单片机内的真硬币的特征值相比较，即可确定硬币真假和种类。系统框图如图1所示。

2 硬件检测原理及方法

本文设计的硬币鉴别系统有硬币真伪鉴别、假币报警、学习功能。以下将对此系统的工作原理，总体结构进行阐述。

2.1 电磁传感器

电磁传感器结构图如图2所示。

将线圈（图2中红色部分）接入谐振电路，当硬币（图1中灰色部分）从线圈中间通过时，由于电磁感应，影响线圈是Q值和L，公式如下：

[f=12πLC] （1）

[Q=ωLR] （2）

根据式（1）、式（2）可知，电感系数改变会改变自身的[Q]值和[L]值，由此得出频率[f]，通过用单片机采集频率，计算，对比即可通过材质辨别硬币的真假。电磁感应原理如图3所示。

图1 系统框架

图2 电磁传感器结构图

图3 电磁感应原理图

2.2 涡流传感器测

使用两侧线圈产生特定高频率电磁波，硬币经过时会产生涡流效应，可以检测包络覆盖以及内外圈不同金属的硬币。两侧线圈（图4中两端黑色部分）产生特定频率的电磁波，硬币经过时会产生涡流效应，进而影响线圈的的质量因子，电感，阻抗等。原理如上，然后根据频率的变化，经过单片机采集，计算，对比即可通过材质经行真假硬币和币种的辨别。

2.3 电容传感器测量厚度

利用平行板电容原理检测硬币厚度。图5中硬币两侧红色部分为平行板金属电极。

当硬币通过硬币口进人平行电容传感器时（如图5所示）会引起传感器电容[Δd]的变化，由式（3）、式（4）可得相应电容C1与C2的变化（C1为硬币与上电容板的电容，C2为硬币与下电容板的电容，d为间距），通过电容传感器配用的交流电桥将电容的变化转换成电压信号。

[C1=εAd-Δd=C011-Δdd] （3）

[C2=εAd+Δd=C011+Δdd] （4）

[图4 涡流传感器结构图 图5 电容传感器结构图]

其中变间隙式平行电容传感器通过检验硬币的尺寸、厚度来辨别真伪，硬币经过电容传感器会引起电容的变化，经交流电桥转换成电压信号见图6。经过信号放大，可用单片机的A/D来采集，经单片机的处理，在单片机中进行真假币判断。

图6 平行电容传感器

2.4 光学传感器

用光学传感器测量直径，直径测量使用线阵CCD，使用高速AD9480采集数据。根据相关文献基本可以实现0.1 mm精度测量，测量速度50 ms左右。

图7中左侧黑色部分为线阵CCD传感器，右侧为线性光源。

图7 光学传感器结构图

3 控制部分及数据分析

3.1 控制部分

单片机在初始化之后，系统选择运行模式（如图8所示），若为学习模式，则进入学习模式子程序（见图9）。首先要判断是否有硬币进入通道，如若没有，继续等待，若有真币，则通过A/D采集传感器转换过来的数值，经过单片机处理后，将真币特征值存入E2PROM，作为硬币鉴别的标准特征值。

图8 系统总体模式

图9 单片机学习模式

若是工作模式，则进入工作模式子程序，把经过传感器转换，A/D采集，单片机处理后的待测硬币特征值与E2PROM中的标准特征值进行比较，来判定硬币的真伪。如果待测硬币特征值的差值在预设的误差范围内，则可认定待测硬币为真，真币数量加1。若待测硬币特征值在预设的误差范围之外，继续与E2PROM中的其他真币特征值相比较，若果得到的特征值差值都在范围外，则可断定该币为假币，发出声音报警，剔除假币，等待新的硬币检测。如图10所示。

3.2 检测数据及分析

不同面值的硬币和同一面值得真假币直径、厚度、材质等都有很大差别。利用本文所述的的硬币鉴别系统对真币进行检测，然后把表征硬币特征的值存入E2PROM，应用本系统进行鉴别真假币时，只需把待测硬币的特征值与E2PROM中的真币特征值比较即可。实验测试值如表1所示。

图10 单片机工作模式

表1 几种硬币的检测范围及分析表

4 结 论

本文是以电磁传感器和涡流传感器为基础，对硬币进行材质检测，两种传感器可保证能够对假币的材质如包络，覆盖等的形式进行有效鉴别。本文应用光学传感器和电容传感器有效检测硬币的直径和厚度，可以进一步鉴别硬币和区分币种。本文基于ARM的硬币鉴别系统实现了快速采集数据、数据处理、控制等功能，通过测试，运行良好，有很大的市场应用前景。

注：本文通讯作者为付成伟。

参考文献

[1] 黄祥龙，李中会.一种基于solidworks的新型硬币鉴伪分拣机设计[J].中国新技术新产品，2010（11）：60?63.

[2] 刘艺柱，郭素娜.基于电涡流传感器的硬币识别系统的设计[J].河南理工大学学报，2010（4）：29?30.

[3] 赵凯华，陈熙谋.电磁学[M].北京：高等教育出版社，2011.

[4] 吕冰，叶婷婷，赵剑锋.基于电磁检测技术的硬币检伪装置[J].仪表技术与传感器，2010（12）：80?82.

电容式传感器篇(6)

【关键词】接近测量;单片机;电感传感器;上位机

1.绪论

1.1 课题背景及目的

运用接触式测量传感器测量金属表面水平平整度是检验精密金属样品的主流方法，但是接触式测量传感器与样品接触时会产生接触电阻，接触电阻阻值影响实际测量的精确性，采用非接触式测量传感器就可以减少这个误差。非接触式测量传感器主要有：电涡流式传感器、电感传感器、超声波传感器和辐射式传感器等。

利用电涡流效应制成的传感器叫电涡流传感器，根据涡流在导体贯穿情况，分高频反射式和低频透射式两大类[1]。电感传感器分自感式电感传感器和差动变压式电感传感器[2]。超声波传感器是产生超声波和接收超声波的装置，具有正、逆双向传感器。常见的超声波传感器有压电式探头，此外还有磁致伸缩式、电磁式等[3]。辐射式传感器主要包括红外辐射式传感器、核辐射式传感器以及激光探测器[4]。以上所述的非接触式测量传感器，高精度电涡流式传感器制作难度较大，市场上价格一般较高，超声波与辐射式传感器在毫米级变化的距离差值测量上误差较大，故本次设计装置选择电感传感器进行测量。

1.2 重点与难点

电感式传感器的线圈并非是纯电感，该电感由有功分量和无功分量两部分组成。有功分量包括：线圈线绕电阻和涡流损耗电阻及磁滞损耗电阻，这些都可折合成为有功电阻，其总电阻可用R来表示;无功分量包含：线圈的自感L，绕线间分布电容，为简便起见可视为集中参数，用C来表示[5]。等效线圈阻抗为：

（1-1）

有理化上式可得：

（1-2）

由于并联电容的存在，导致有效串联损耗电阻及有效电感增加，而有效Q值减小，在有效阻抗不大的情况下，它会使灵敏度有所提高，从而引起传感器性能的变化。即电感传感器要考虑并联一个大小合适的电容，这样对测量性能有不少提高。

2.硬件电路设计

2.1 系统框图

图1 系统框图

图1中，电感传感器LDC1000收集传感器附近磁场强度变化的数据，MSP430单片机接收数据，然后进行数据处理，之后将数据通过USB口传输到上位机。

2.2 功能模块设计

2.2.1 电感传感器电路

电路中主要由一个电感传感器和多个滤波电容组成。为了电感传感器测量时的稳定性并联了多个电容。传感器在使用时可以保证其性能的稳定性。

2.2.2 MSP430原理图

电路原理图中，MSP430晶振为24MHz，通过DP、DM两个I/O口连接USB与上位机进行通信。

2.2.3 USB通信电路

芯片TPD4E保护附加在通信线路上的敏感电子元件。每个通道包含一对将ESD电流脉冲引导至VCC或者GND的二极管。此器件每通道有一个1.5pF IO电容值，使得它非常适合用在高速数据IO接口中。

2.2.4 装置实物

通过实物装置右侧的线圈组成电感传感器，当金属接近线圈时，磁场发生改变，MSP430接收变化的数据，传输到上位机进行显示。

3.上位机软件

上位机功能：

上位机中当装置正常与上位机进行通信时，上位机中LED为ON状态，同时装置上绿色LED为常亮状态。

正常通信后，点击上位机按钮start，装置开始进行工作，数据将以图表的形式显示出来。如图2所示。

图2 测量数据

通过图中数据可以知道，当前的电感传感器状态，同时将其值可以转换为金属材料与电感传感器之间的距离，从而达到测量目的。

4.成果

工作中主要成绩和收获：做了一系列项目相关的实验，对测量方面的传感器知识有了部分了解，在实验中培养细心，科学和严谨的实验态度，在测量实验里学会从数据中发现规律，知道哪些是干扰因素导致的异常数据，同时对自身和团队能力有了清晰的认识，工作中磨合了同学之间的感情，动手方面的实际操作加强了不少。收获最大的就是要保持不断学习进取的精神，努力做好自己分配的工作，相互配合完成整项工作。当然测量过程中有很多不完善的地方，但是从实验装置得到的数据还是具有一定的真实和可靠性。本次项目最大的特色就是选用的传感器，TI公司的LDC1000传感器在很多方面有着很不错的优势，而且PCB板上线圈可以自行设计，可以将装置自带的线圈换成高精度的线圈，同时可以修改电容值和电感值，以及测试时可以选用不同的时钟震荡频率。实验测量装置输出的数据波形较好，波形波动比较稳定。不过装置想实际应用到工业测量当中去还需很多的改进，修改电路参数，不断提高装置的精确度，才有可能真正应用到实际生活生产中。

参考文献

[1]宋雪臣，单振清，郭永欣.传感器与检测技术[M].邮电大学出版社，2011.

[2]童敏明，戴新联.现代传感器技术[J].中国矿业大学出版社，2006.

[3]王俊杰，曹丽，等.传感器与检测技术[J].清华大学出版社，2011.

电容式传感器篇(7)

【关键词】称重传感器；粮食干燥；应用

0.概述

随着近年来电子技术、检测技术和自动控制技术等科学技术的飞速发展，传感器技术已作为现代信息技术中最为重要的基础技术之一，被广泛的应用于各领域之中。作为传感器技术中发展较早、技术较为成熟的称重传感器技术更是早已被应用于各行各业中，且已做出了巨大的贡献。小到市场里的计费电子秤、实验室里的电子天平，大到汽车检测线百吨以上称重装置等都是以称重传感器为核心制造的设备。

1.称重传感器的种类

称重传感器是传感器众多种类中的最为常见的一种，它是将被测物体的重量这一物理量转换为电信号的一种器件或装置。这种由非电量装换为电量的装置是电子称重仪器中的核心组成部分。称重传感器的种类有很多，按原理可以分为电阻应变片式、电容式、压磁式和振弦式称重传感器等[1]。

1.1电阻应变片式称重传感器

电阻应变片式称重传感器的原理是在外力的作用下将形变转换为电信号。具体的操作方法是在弹性元件表面粘贴应变片，弹性元件在受力之后会发生一定的微小形变，从而引起应变片也随之发生相应的形变，应变片的形变会使它的阻值增大或减小。此时，通过对电路进行测量就会将此形变转换为电信号[2]。电阻应变片式称重传感器以其结构简单、工艺成熟和测量精度高等优点，被广泛应用于市场上的称重产品中，其占据着称重传感器高于九成的市场占有率。因此，电阻应变片式称重传感器具有较广泛的市场前景。

1.2电容式称重传感器

电容式称重传感器的原理是将外力作用转换为电容量变换。它是以具有可变参数的电容作为转换元件，把被测物的重量转换成因极板间距变化而引起的电容变化。其最常用的形式是由两个平行电极组成、极间以空气为介质的电容器。电容式称重传感器的优点是结构简单、动态响应快、较高的信噪比和较好的系统稳定性。其缺点是负载能力差、输出特性非线性、寄生电容影响大。

1.3压磁式称重传感器

压磁式称重传感器的原理是利用某些铁磁材料的压磁效应来实现由重量到电的变换。当铁磁材料在受到外部拉力或压力作用而在内部产生应力时，其导磁率会随应力的大小和方向而变化：受拉力时，沿力作用方向的导磁率增大，而在垂直于作用力的方向上导磁率略有减小；受压力作用时则导磁率的变化正好相反。这种物理现象就是铁磁材料的压磁效应。压磁式称重传感器的量程较大、抗过载能力强，但频率响应较小，测量精度较低（一般在1%左右）。

1.4振弦式称重传感器

振弦式称重传感器是以张紧的钢弦作为敏感元件，根据钢弦的固有振动频率与其张力有关，在对一个给定长度的钢弦施加一定外力时，钢弦的松紧程度出现变化，固有的振动频率也随之改变，即振弦的振动频率反映了被测力的大小。

2.称重传感器在干燥机中的应用

2.1称重法测粮食含水率的原理

目前，称重传感器在各行各业中都发挥了其重要的作用，尤其是在农业生产中。一种将称重传感器与循环式干燥机相结合，用来测量干燥机内部粮食的实时含水率的方法正在逐渐完善。这种以称重法测量粮食含水率的原理是：在已知初始含水率的粮食装入循环式干燥机中后，我们可以通过在干燥机上安装的称重传感器测量出粮食的初始重量（总重去掉干燥机的重量即为粮食的初始重量）。当循环式干燥机开始工作后，随着烘干时间的增长，称重传感器所测得的重量逐渐减小。由于粮食本身的干物质重量是不变的，那么，这逐渐减小的重量就是干燥机通过加热烘干使内部粮食减少的水分重量。所以，我们可以通过下列公式来计算出循环式干燥机中粮食的实时含水率。

依据上述原理，在已知待烘干粮食的初始水分的情况下，我们可以利用上述关系和称重传感器测量的粮食实时重量，计算出粮食的实时含水率，我们把这一可以实时检测粮食含水率的方法称为总重法。

2.2称重传感器的电路设计

一般情况下，应用于干燥机设备中的称重传感器都是以电阻应变片式的传感器为主的。其称重电路主要有信号发生电路（电阻应变片桥式电路）、信号采集电路、信号放大电路、检波滤波电路、模数转换电路和单片机系统等几部分组成。

2.3称重传感器的安装

3.小结

称重传感器在粮食干燥领域中的作用巨大，依据总重法为原理制作而成的水分仪，不仅可以克服电阻式或电容式等水

分仪测量结果影响因素过多等问题，还具有结构简单、安装方便、精度高、可实现快速在线检测等众多优点。在与循环式干燥机配合使用过程中，还可以根据所测得的粮食实时含水率，来及时调整干燥机中的各模型参数。合理控制干燥机热风温度、粮食流速以及干燥时间，提高了干燥机的工作效率。

【参考文献】