基于PCAP04的电容式折射率测量仪

史水娥， 张迎港， 胥帅帅

(1.河南师范大学电子与电气工程学院，河南 新乡 453007；2.河南省电磁波工程院士工作站，河南 新乡 453007)

0 引言

大气波导可使电磁波的传播特性发生改变，因而得到学术界极大关注[1]。作为电波环境的重要类别，大气波导是在大气边界层形成的使电磁波实现超视距传播的层状结构， 能够实现超短波、微波频段的超视距探测和通信等应用[2]。 大气波导主要包括蒸发波导、表面波导、悬空波导等类型，是海上频繁出现的一种异常的大气层结并且能够将电磁波陷获在波导层内，使得电磁波传播到视距以外几百甚至上千公里的地方[3]。早在20世纪30年代人们就开始了对大气波导的研究，最开始的测量系统是由澳大利亚发明的TREPS预测系统[4]，该系统主要对气压温度和湿度等气象信息资料进行收集后，进行理论预测，该方法无法准确地预测大气波导的出现且精确性较差。美国随后在此基础上又研发了新型的预报系统AERPS[5]，该系统虽然比前期的精确程度高，但仍然存在着相同的问题。现在我国对大气参数的测量主要是利用气象探空仪，比如“59”型气象探空仪，对所处的气体环境中的湿度和温度进行测量，再利用公式和算法得到所处环境的参数[6]。该方法无法得到大气折射率的精确结构，因此只适用于测量波导厚度较大或强度较高的蒸发波导，适用面较窄。20世纪90年代，由于军事科技的发展需要，国内研发出了一种新型微波大气折射率测量仪，这种测量仪反应速度快、精度高，但存在体积较大、制作成本较高、电路设计复杂等缺点[7]。本文针对上述问题，设计了一种基于PCAP04的电容式折射率测量仪。

1 电容式折射率测量仪

1.1 电容式传感器

电容传感器是一种将物理量变化转换为电容值变化的传感器，由于其具有分辨率高，可以非接触式测量，抗干扰能力强等优点被广泛应用于各种集成电路中[8]。

电容传感器为同轴圆筒，由两个同心圆柱体组成，如图1所示，高度为l，内外半径分别为R1和R2。若高度l远大于极板的厚度，此时可以将电容传感器的边缘效应忽视掉。在电容传感器工作过程中，当流通空气经过电容传感器两个极板之间的介质空腔，因为空气湿度发生了变化，从而引起电容传感器的相对介电常数发生改变，在此基础上引起了一定电容值的改变。

图1 电容传感器Fig.1 Capacitance sensor

1.2 PCAP04电容数字转换器

PCAP04是一种内部带有集成数字信号处理器、电容数字转换器的芯片。该芯片适用于任何电容产生变化的传感器件，非常适合与其他传感元件搭配使用，如测量压力、力量、位置、倾斜、湿度、重量、水平及其他传感参数。它的前端基于AMS PICOCAP原理，这种转换原理在功耗、分辨率和速度方面非常出色。PCAP04芯片具有1 pF～100 nF的宽电容输入范围，因此可以轻松地配置不同的电容测量任务，同时具有接地、浮动、差分和差动等多种连接方式，基础电容为10 pF时有效分辨率可达到21位。在PCAP04芯片中，电容的测量是通过测量RC网络的放电次数来完成的。此外PCAP04的输出还可以将原始测量电容值以PWM或PDM展示，该器件还具备DSP，帮助处理传感器测量值，并通过I2C或SPI接口将其转换成数字值，可以简单有效地实现电容值的精确测量。PCAP04引脚功能如图2所示。

图2 PCAP04引脚图Fig.2 PCAP04 pin

1.3 电容折射率测量仪基本原理

大气折射率的测量分为接触式探测与非接触式探测，接触式探测可分为直接探测与间接探测。直接探测就是利用对应气象仪测量大气的压强、湿度、温度和折射率，判断是否存在大气波导； 间接探测利用气象水文仪探测一定高度下大气的压强、湿度、温度、风速、风向和海温等参数，代入相应模型，根据结果判断大气波导是否存在。本文采用接触式直接测量的方法，对流通大气的电容值[9]进行精确测量从而得出大气介电常数和折射率。

空气介质的折射率n的定义为：

(1)

式(1)中，V0表示真空中光速数值，Vφ表示在空气中传播的电波相速，εr表示相对介电常数，μr为相对磁导率或相对导磁系数[10]。相对导磁系数表示测量介质的磁导率与真空磁导率μ0的比值为：

(2)

式(2)中，真空磁导率μ0是一个物理常量，指的是在真空条件下的磁导率，经实验测得，真空磁导率为一个不变的数值。又由于当μr值发生变化的时候，n值受此影响发生的变化比较小，在对流层大气的范围以内不大于0.5×10-6，在工程应用中取μr=1[11]。对于空气介质的折射率，可以化简为：

(3)

通常情况下用N来表示折射指数[12]。折射指数N可以用折射率n来表示，大气折射率指数N的定义为：

N=(n-1)×106。

(4)

通过空气折射率的公式可以发现，在相对磁导率的值为1的时候，空气折射率满足如下公式：

(5)

式(5)中，C为电容处在大气中的容值，C0为电容处在真空时的容值。可以看出，通过对电容值的测量，间接得到所处气体环境的大气参数测试率的数值，因为当ε0的值发生变化的时候，空气电容器的电容值C也会受到影响发生改变，利用PCAP04芯片对电容传感器容值捕捉，得到高精度的容值数据。

2 电容式折射率测量仪

电容式折射率测量仪主要由电容传感器、PCAP04芯片、STM32F103ZET6单片机芯片、上位机等单元组成，电路功能图如图3所示。

图3 电容式折射率测量仪功能结构框图Fig.3 Functional structure block diagram

不同介电常数的气体通过圆筒形电容传感器时，使得传感器产生对应的容值，PCAP04芯片准确提取该数据，单片机STM32F103ZET6驱动主控芯片使测量数据同时被保存在内部寄存器中，最后在单片机中进行适当处理后把容值、介电常数、时间等信息通过RS232的方式传送到上位机界面上显示。

2.1 硬件电路

2.1.1电容传感器

对于同轴圆筒形电容器，在忽略其边缘效应的条件下，在空气中，电容器容量值可表示为[13]：

(6)

式(6)中，ε0为真空中介电常数，εr相对电容率，l为所设计的圆柱导体的高度，内外圆柱的半径为R1和R2。电容传感器如图4所示。

图4 电容传感器模型Fig.4 Capacitance sensor model

2.1.2PCAP04电容检测电路

本系统的核心电路是电容检测电路，其数据的准确输出对系统产生很大的影响。本文选用高精度电容-时间转换芯片PCAP04，其低功耗、处理速度快、高灵敏度等优点使电容式折射率测量仪的精确测量和快速传输得到了保证。通过SPI接口方式与单片机进行数据互传，芯片的PC0、PC1连接电容传感器的两级，具体电路如图5所示，实物电路板如图6所示。

图5 电容检测电路Fig.5 Capacitance detection circuit

图6 PCB板Fig.6 PCB

2.2 通信模块

1) 有线传输，采用常用的RS232通讯标准来实现单片机的数据采集和电脑的通讯功能。RS232串口是工业中比较常用，也是最易遇到的一种总线协议，目前大多数的下位机、仪器等都还是使用串口通信[14]。

2) 无线传输，采用AS30-TTL-100无线传输模块，AS30-TTL-100具有定点传输、空中唤醒、透明传输的功能，并且可以高效地循环交织纠错编码，接收的传输距离能够达到2 000 m左右，休眠时电流只有1.5 μA。其高稳定性、TTL输出、自由切换多种工作状态、耗电量极低的特征保证了电容式折射率测量仪数据的平稳传输。

2.3 单片机最小系统

本文选用32位的微控制器-ARM Cortex-M3，其工作频率最高可达72 MHz，Flash为512 KB、SRAM为64 KB。在本系统中，STM32F103ZET6单片机通过SPI接口的方式接收来自主控芯片数据[15]，通过内部数据处理得到对应的容值，最后把处理的数据发送到上位机显示。具体电路如图7所示。

图7 STM32最小系统Fig.7 STM32 minimum system

上位机程序面板如图8所示，软件采用C++开发而成，C++具有强大的软件开发能力，在设计用户端界面上具有很大的优势，设计起来也更加方便快捷且可移植性较强。

界面上主要有温度数显模块、湿度数显模块、高度数显模块、计时及时间-折射率散点图、设置和存储删除等功能，可以轻松实现数据的采集和处理。

图8 上位机界面图Fig.8 Position machine

3 实验测试与数据分析

经测量得到的电容传感器容值，经过数据处理后可以直接显示出来。例如，实际测量容值为C0，可以通过式(7)计算得到折射率值：

(7)

表1列举了12组用高精度微波折射率仪、电容式探空仪和电容式折射率测量仪在大连某海面上空大气折射率测量结果。

表1 不同仪器测量结果Tab.1 Different instrument measurement results

从表1可知，电容式折射率测量仪精度优于电容式探空仪。在测试过程中，与高精度微波折射率仪对比，电容式探空仪最大差值为0.981，平均差值为0.855，电容式折射率测量仪最大差值为0.758，平均差值为0.288，由此可知，电容式折射率测量仪精度、稳定性高于电容式探空仪，相对于微波型折射率测量仪精度较差，但制作成本低且电路设计简单，可以达到一般工程测量的需要。

4 结论

本文提出基于PCAP04的电容式折射率测量仪。该系统以电容传感器和PCAP04芯片为核心，有效提高了测量仪的测量精度和稳定性，同时电路设计又较为简单，大大降低了测量仪的制作成本。实验测试与数据分析结果表明，该测量仪可以替代高精度微波折射率仪和电容式大气折射率测量仪。电容式折射率测量仪无论对大气参数的测量，还是成本、原理和稳定性都对今后在实际应用时有着很大的影响，具有广阔的应用前景。在未来的研究中将进一步优化电容传感器的结构，减小极板厚度，降低边缘效应的影响，再次提高测量精度。