Scientific Journal of Control Engineering April 2015, Volume 5, Issue 2, PP.31-36
The Key-part Design of an Automatic Control System for Liquid Detection on Isolated Surface Ying Han 1, Nan Li 2# 1. The twentieth Research Institute of China Electronic Technology Group Corporation, Xi’an 710071, China 2. Beijing University of Technology, Beijing 100124, China #
Email: nan.li@hotmail.co.uk
Abstract An automatic control system for liquid detection on isolated surface is presented. The data acquisition part and data conversion part are discussed. Three types of sensors are designed based on principle of capacitance fringe effect; the parameters of the sensor design are discussed and determined. COMSOL and MATLAB are used to evaluate the performance of designed sensors. An impedance analyzer is used to measure the capacitance between each electrodes pair. The system noise occurred in measurement is discussed and the solutions are provided at the last. The experimental results indicate the validity and importance of the capacitance based sensing technique which can be used in automatic control system for liquid detection on isolated surface. Keywords: Proximity Capacitance Sensor; Capacitance Fringe Effect; Capacitance-Voltage-Digital Converter; Impedance Analysis
绝缘表面液体探测的自动控制系统的关键设计* 韩颖 1，李楠 2 1. 中国电子科技集团公司第二十研究所，陕西 西安 710071 2. 北京工业大学机电学院，北京 100124 摘 要：提出了一种绝缘表面液体探测的自动控制系统的设计方案，并对数据采集和数据转换的系统关键部分进行讨论。 设计了三种相邻电容传感器，讨论分析并确定了关键的设计参数。给出了测量数据转换与传输部分的设计思想，实验部 分通过计算机软件 COMSOL 以及 MATLAB 模拟了设计电容传感器的性能，采用阻抗分析仪测得多组数据进行分析、比 对，最终确定最优传感器设计，并对测量噪声在传感器检测中的影响进行了分析。实验结果表明，电容探测传感技术能 够取代光电传感等高端技术应用于绝缘物体表面液体探测的自动控制系统中，电容传感器的设计以及数据转换部分影响 着系统测量灵敏度和误差。 关键词：相邻电容传感器；电容边缘效应；电容-模电-数电转换电路；阻抗分析
引言 19 世纪后期出现了压电探测传感技术，20 世纪出现了声波，超声波探测传感技术，直到今天图像探测传 感技术，如光电传感技术，红外温度探测传感技术的流行，随着传感器技术的迅速发展以及广泛的市场需 求，传感器探测技术引起了国内外研究和工业机构的注意，传感器探测技术也逐渐成为了实现探测或监测系 统自动化重要的组成部分之一。传感器通常应用范围具有较强的针对性，例如，压电技术通常应用于震动探 测方面，而声波与超声波技术应用于特殊环境的测距领域，光电传感技术与红外温度探测传感技术则由于成 本的原因，多数只能应用于高端探测技术领域[1-2]。1969 年，Noltingk 第一次将电容边缘效应应用于高精度测 *
基金资助：受国家自然科学基金（51475013，51105008）支持资助 - 31 http://www.sj-ce.org
量试验中[3]，在随后的几十年中相继出现了许多以边缘效应为原理的传感器设计与应用，对电容传感技术的 研究也成为了热点。工业生产中由于环境温度，湿度变化或者设备老化，部分高精密仪器表面出现凝水，或 液体泄漏现象，容易导致仪器测量误差，造成工业事故等重大损失，因此需要一种传感器检测系统，对重要 区域进行检测和监控。通常情况考虑到检测精度和传感器灵敏度，系统选用光电传感器作为数据采集单元， 但成本过高。应用电容传感技术则能够大幅降低系统设计成本，同时电容传感器响应速度快，且能够获得与 光电、红外传感器不相上下的灵敏度。除此之外，电容传感器非侵入，非物理接触的测量方式也能使传感器 在不破坏待测量环境或系统的同时对感兴趣区域进行自动检测，监控[4-7]。应用电容传感器技术能够监控探测 非电导物质（如玻璃，橡胶，塑料等）表面的液体分布和形成状况，及时进行警告或报警，然后通过自动控 制系统对液体进行后续处理。 通常一个探测处理物体表面液体的自动控制系统由四部分构成：数据采集部分——传感器部分；数据转 换传输部分——基于 CDC (capacitance-to-digital converter)的电容传感器接口电路；系统控制部分——控制 （微控器）芯片；液体处理的报警部分或执行部分——LED 指示灯或烘干系统。其中数据采集部分与数据转 换传输部分，能够决定系统测量精度与准确程度，是系统成功与否的关键部分，因此对于传感器部分以及数 据转换传输部分的设计有着重要的意义。
1
系统关键部分设计
1.1 电容传感器关键参数设计 系统使用的电容传感器以相邻多电极极板结构为基础，激励电极与接收电极间通过边缘效应形成稳定 电场，当物体表面存在液体时由于极板间介电常数的变化，导致极间电容产生的变化，通过电容变化进而 判断液体的存在以及液体特性，工作原理如图 1 所示。
图 1 电容传感器工作原理
通常情况下的平行板电容，电容值与极间液体电容值分布的关系如式(1)：
C
Q 1 ( s) ( s)d V V
(1)
ε(s)表示电容传感器探测区域中的电容率分布；V 表示相邻极板间电势差；Φ(s)表示电势分布；Γ 表示电 极板表面。然而，对于相邻电容传感器，由于电容值变化的非线性和复杂程度，针对不同相邻电容传感器 结构，并没有简单统一的数学模型和公式方程，对于不同结构的相邻电容值的计算也只有近似值，如典型 的两极板构成的环形相邻电容传感器[8]，电容值的近似值计算如式(2)：
I1 (n1 ) (2) {I1 (n2 ) K1[n( 1 S ) I1[n( 1 S )] K1 (n2 )} n 1 I1 (n 2 ) Ri R1 S 其中， 1 ， 2 和 s 。 d d d R1，Ri 和 S 分别表示环形电容传感器的内环激励电极半径，外环接收电极半径和内外环形电极间绝缘隔
CF 4 Ri 0 r ( 1 s )
离层厚度；d 表示传感器到探测物之间的距离（即待测物体表面厚度），I1 和 K1 分别表示一阶第一类和第二 - 32 http://www.sj-ce.org
类修正贝塞尔函数。由上式可以看出，传感器电容值的大小与传感器极板面积，极板间距，以及传感器与 待测物体间的距离，待测物表面液体的电容率（介电常数）都有着很大的关系。电场线穿透深度是衡量相 邻电容传感器的关键参数之一，它决定着电场线能够穿透多厚的待测物体表面，从而测量物体表面的液体 分布和液体层厚度。关于计算电容传感器的穿透性的公式复杂而且并不统一。实验与仿真结果表明，电场 线穿透性近似正比于传感器激励电极与接收电极间的距离，距离越大，电场线穿透越深。而在实现中，极 板间距是有限的，传感器测量范围也需要考虑，而决定传感器测量范围的另一个参数是极板面积。极板面 积越大，相应的测量范围越大。通过实验可得，通常情况下，极板间距最大不超过传感器长宽或直径的 40%为宜。在给定传感器尺寸，规定测量区域的情况下，传感器有效电极板长度也是影响相邻电容传感器灵 敏度的一个重要参数 [10]，实验表明，电极板有效长度与传感器灵敏度成正比。设计三种传感器形式结合以 上参数设计进行性能比较，如图 2，测试性能结果在文章实验部分给出。
(a) 圆阵电容传感器
(b) 多环形电容传感器
(c) 花型电容传感器
图 2 三种实验传感器设计
1.2 数据转换与传输电路 多种测量技术可以运用于电容传感测量系统中，测量所得电容值变化经过处理可以转换为相应的频 率，相位或者电压的变化，进而转化为数字信号进行分析和处理 [4,9,10]。系统数据采集部分中的相邻电容传 感器极板间电容值通常小于 1pF 级，采用电容-电压电荷放大器原理将测量电容值转换为电压值，通过模电数电转换电路将模拟电压信号转换为数字信号。电路设计以 AC 作为激励源，如图 3 虚线框内所示，放大电 路输出电压值为式(3)：
Vo
jCx R f jC f R f 1
Vref
(3)
其中 Cx 为传感器电极对电容值，Vref 为激励电压，Vo 为与测量电容值相对应的转换输出电压，Rf 和 Cf 分别为参考电阻和参考电容，用来调节放大器增益，Cs1 和 Cs2 为寄生的电容。放大器为反向放大器，有两 种工作模式，电容反馈模式和电阻反馈模式，分别由式(4)，式(5)所示： C 1 Vo x Vref ，当 R f Cf C f
Vo jCx R f Vref ，当 R f
1 有 C f
(4)
(5)
电荷放大器的时常数可表达为式(6)：
C f Rf
(6)
由式(4)可知，电容反馈模式与 AC 激励源提供的信号频率无关，只与参考电容的大小以及传感器测量 电容大小有关，该工作模式瞬变过程较长，即时常数 τ>>1/ω；由式(5)可知，电阻反馈模式需要 AC 激励源 为相邻电容传感器提供稳定的信号频率，相反，该工作模式瞬变过程较短，时常数 τ<<1/ω。设计的系统电 路使用电容反馈模式，对测量得到的电容变化进行电容-电压转换，通过可编程运算放大器将转换后的模拟 - 33 http://www.sj-ce.org
电压信号选择性放大，再通过模电-数电转换电路处理，将数字信号传输到相应的控制处理芯片中，进行判 断并做出正确的响应。图 3 给出系统工作原理。通常情况下，相邻电容传感器极板数 N≥3，在本系统中，相 邻电容传感器极板数为 4，极板数量的增加能够有效地提高传感器探测精度和准确度。
图 3 系统工作框图
2
实验与测试结果
2.1 传感器性能测试 通过 COMSOL 对给定参数，同测量环境下的三组相邻电容传感器进行电场分布仿真，并使用阻抗分析 仪进行设计传感器敏感度的同步实际测试。三种电容传感器电场分布仿真如图 4 所示。圆阵电容传感器以四 个圆形电极作为接收电极，而激励电极环绕四个接收电极。由于激励电极面积远大于接收电极，因此激励 电极与接收电极间的电势差微小(<<1pF)，传感器灵敏度多数无法达到实际应用要求；多环形电容传感器以 中心电极为激励电极，四个环形接收电极等相邻间隔由近及远式分布，从仿真结果可以看到激励电极与首 接收电极间的电势差是最明显，但远离激励电极的最外围接收电极几乎不受影响，显然电场分布已经达不 到最外层极板，因此传感器检测范围较小，传感器电容检测平均值不高。通过调节多环形电容传感器的极 板间距离或激励极板与接收极板的面积，能够改进多环形传感器的性能；花型电容传感器结合圆阵电容传 感器与多环形电容传感器的结构优点，在相同尺寸和激励电压下，增大了激励电极的面积，并增大了激励 电极与接收电极的有效公共边缘，从而增加了边缘电容，提高了传感器灵敏度。此外花型电容传感器的四 个接收电极与激励电极间距相同，便于比较各电极对的电容变化差异，能够有效的降低系统控制单元的误 判情况。
(a) 圆阵电容传感器
(b) 多环形电容传感器
(c) 花型电容传感器
图 4 COMSOL 对三种两种相邻电容传感器的电场分布仿真
应用阻抗分析仪对基于 PCB 板的三组相邻电容传感器进行实际性能测试，与 COMSOL 仿真结果吻合， 在相同测量环境与测量方式下，以水作为实验待测液体，对传感器表面水膜厚度由薄到厚进行 30 次测试， 抽取 10 次实验结果进行比较分析。圆阵电容传感器对于水膜厚度增加的电容响应微弱，电极对的电容值平 均变化约为 0.0115pF；多环形电容传感器的首电极，对水膜厚度增加时的电容响应强烈，电容值变化最 大，但其余电极对的电容响应由于距离变化迅速下降，最外层接收电极基本没有电容响应，传感器电容平 - 34 http://www.sj-ce.org
均值变化为 0.0749pF；花型电容传感器对水膜厚度的增加变化明显，电容值平均变化约为 0.1250pF，显然 花型电容传感器比其他两种电容传感器更灵敏，因此选择花型电容传感器作为系统传感器单元。由于多环 形电容传感器的接收电极与激励电极，构成的电极对不是等距离电极对，因此，为了比较三种电容传感器 的测量性能，取各电容传感器的电容变化均值进行比较，实验所得电容值均值分布如图 5 所示。
图 5 三种电容传感器测量电容值均值分布
2.2 传感器噪声分析 由于相邻电容传感器测量值常<1pF，因此，对于传感器噪声分析和抑制也是必要的。通常噪声主要来 源于两方面，传感器自身的噪声和环境噪声。通常传感器屏蔽用来降低传感器自身噪声，屏蔽面积越大， 噪声影响越小, 在 PCB 设计中可以降低噪声影响。需要注意的是，在系统设计的时候，传感器屏蔽应该与数 据传输、转换电路共用屏蔽，此外，连接相邻传感器与数据转换传输电路的传输线也应该尽可能的短，用 以降低传输噪声，增加测量精度；环境噪声包括灰尘，潮湿空气等的影响，其中温度是最主要的环境噪 声。不同的温度通常能导致不同液体的电容率 εr 发生变化，以水为例，在 0oC 的时候水的电容率 εr 为 87.9，而在常温 25oC 左右的时候，电容率变为 78.4[11]。在实验测试中，由于使用人工水膜添加器控制水膜 厚度，因此还存在人为误差。通过式(11)对测量电容进行归一化，能够明显的看出噪声在测量结果中的影 响。
Ns
M s Smin Smax Smin
(11)
其中，Ns 是归一化结果，Ms 为在不同液体覆盖条件下的实际测量电容值；Smin 表示电容传感器无液体覆 盖时的测量电容值；Smax 表示电容传感器覆盖液体膜最厚时的测量电容值。以花型电容传感器为例，测量电 容归一化后取 10 组数据，如图 6。
图 6 花型电容传感器测量电容值归一化
在第 8，9，10 组测试数据时出现了噪声，出现数据下降。通过实验结果分析，得出由于水膜覆盖的不 - 35 http://www.sj-ce.org
均匀，导致花型传感器接收电极电容值差异较大，但不影响传感器整体性能。其余噪声的影响可以通过传 感器自校正电路或者控制系统中的功能芯片片上电容自校正功能，降低对测量准确性和精确度的影响。
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结论 通过 COMSOL 和 MATLAB 的软件仿真以及阻抗分析仪实际的测试，证明了电容传感器能够取代光电
传感器作为系统数据测量采集部分不仅能够大幅度降低成本，还能够保证与光电传感器等高精度传感器相 近的测量精度。通过比较三种实验用电容传感器用于液体特性检测的性能优缺点，确定以花型电容传感器 作为系统传感器部分。由于系统传感器测量电容值变化微小，可以通过可编程运算放大器对转换后的电压 值进行放大处理，需要注意的是噪声部分需要进行多级处理，尽量减少噪声误差对测量的影响。后续工作 将针对系统的软件部分，包括系统初始化，数据采集和传输，报警以及警报级别控制进行。
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【作者简介】 1
韩颖（1988-），女，汉族，硕士，研
2
李楠（1983-），男，汉族，博士，研究方向：无损检测，传
究方向：电容传感器设计，雷达系统设
感器设计。学习经历 2004 年获西安电子科技大学机电工程学
计。分别于 2010，2013 年获西安电子
院工学学士学位，2008 年获英国曼彻斯特大学电气工程学院理
科技大学机电工程学院工学学士学位与
学硕士学位，2010 年获西安电子科技大学机电学院工学博士学
工学硕士学位。
位。Email: nan.li@hotmail.co.uk
Email: 812886870@qq.com
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