CN107703549A - 消除电容接近传感器低频噪声干扰的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种消除电容接近传感器低频噪声干扰的方法，适用于电容接近传感器领域。所述方法通过增加一个感应电极用于检测出所述电容接近传感器上存在的低频噪声并消除其影响，即本发明的电容接近传感器具有两个感应电极，通过对两个感应电极的电容分时进行测量并做差值运算，来消除所述电容接近传感器上的低频噪声干扰。

Description

消除电容接近传感器低频噪声干扰的方法

技术领域

本发明涉及电容接近传感器领域。

背景技术

传感器在工业自动化领域扮演着重要角色，为物理世界和控制系统提供信息连接。在工业控制过程中，需要采集的信息正在不断增加，生产过程要求大量的各类传感器，如压力传感器、热敏传感器、光敏传感器、气体传感器、接近传感器和磁敏传感器等，把各种非电量的物理参数转化成电信号控制信息，以满足各个工业过程中的自动化和智能化的发展需求。其中，电容接近传感器是一种可以感知物体接近的传感器，它检测接近的物体对传感器电容变化的影响来识别物体的接近，无需接触被检测的物体。由于电容接近传感器可以检测包含金属、非金属在内的几乎所有材质的目标物，因此在各种不同的行业中得到了广泛应用，例如食品工业、汽车装配以及仓储和传送等场合。

电容接近传感器一般来说包括一个感应电极和检测电路，检测电路通过检测感应电极电容的变化情况来判断是否有物体接近。一般来说感应电极的基本电容和电容变化都比较小，一般为pF级别，因此容易接收到外界或内部的噪声或干扰信号。在工业应用领域电容接近传感器多采用交流供电或交流电经过整流后供电，电源上的噪声会通过电源线耦合到电容接近传感器中，这些噪声会使得在没有物体接近时检测电极的电容也发生变化，导致检测电路做出错误的判断；另一方面，环境的温度、湿度的累积变化也会对电容接近传感器的检测有影响，会导致感应电极的电容大小在没有物体接近时逐渐增加或减少直到触发电容接近传感器做出错误的判断。图1为一种已知电容接近传感器的示意图，包括感应电极91、检测电路93和连接感应电极91和检测电路93的连接线92。当有物体接近所述感应电极91时所述感应电极91的电容大小会发生变化，所述检测电路93通过检测该电容的变化情况来判断是否有物体接近。在实际应用中，由于噪声的干扰会出现即使没有物体接近，感应电极1的电容也发生变化的情况，从而导致检测电路1根据感应电极1电容的变化情况做出错误的判断。

发明内容

本发明提供一种消除工业用电容接近传感器低频噪声干扰的方法，所述低频噪声频率一般不超过100hz，本发明的方法通过增加一个感应电极用于检测出所述电容接近传感器上存在的低频噪声并消除其影响，即本发明的电容接近传感器具有两个感应电极，通过对两个感应电极的电容分时进行测量并做差值运算，来消除寄生在两个感应电极上共同的低频噪声。为了感应到尽量相同的低频噪声，两个感应电极需要大小相等、形状相同，同轴而且平行放置，两个感应电极的距离也要在一定范围内，优选地，不超过20mm。同时，分时对两个感应电极检测的时间间隔也要尽量小，优选地，不超过1ms。

本发明中提到的系统地，均指电容接近传感器的系统地，同时本发明中提到的所有单位均为公制计量单位，比如mm是指毫米，ms是指毫秒。

附图说明

图1示出了已知的工业电容接近传感器的示意图；

图2示出了采用本发明方法的电容接近传感器一个实施例的示意图；

图3A示出了本发明一个实施例的感应电极的示意图；

图3B示出了根据图3A的实施例的感应电极的剖面示意图；

图4示出了本发明一个实施例的电容接近传感器的电路示意图；

图5示出了本发明一个实施例的控制流程图；

图6、图7示出了一个实施例采用图5所示的控制流程图得到的数据波形。

具体实施例

为了使本发明的目的、技术方案更加清楚明白，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用以解释本发明，是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例，并不用于限制本发明。

为了便于理解，图2示出了采用本发明方法的电容接近传感器一个实施例的示意图。如图2所示，包括检测电极1、参考电极2、检测控制板60、连接所述检测电极1和所述检测控制板60的导线3、连接所述参考电极2和所述检测控制板60的导线4和外壳5。其中，所述检测电极1和所述参考电极2是用来感应当物体在接近所述电容接近传感器时电容的变化，检测电极1位于外侧，参考电极2位于所述电容接近传感器外壳5的内部。检测控制板60用来分时检测所述检测电极1和所述参考电极2的电容大小，分别表示为C1和C2，根据C1与C2的差值来判断是否有物体接近所述电容接近传感器。由于做了差值运算，可以消除所述检测电极1和所述参考电极2上由低频噪声带来的共同的干扰。为了尽可能感应到相同的干扰噪声，所述检测电极1和参考电极2应当大小相等、形状相同、平行、同轴放置，且所述两个电极之间的垂直距离d尽量小，不超过20mm。

图3A示出了一个实施例中检测电极1和参考电极2的一种实施方式，其中所述检测电极1是一个PCB(printed circuit board，印刷电路板)上的圆形铜板100，四周是一个铜环101，与检测电极1对应的参考电极2是另一个圆形铜板200，四周是一个铜环201。为了保证所述检测电极1和所述参考电极2尽可能感应到相同的干扰噪声，所述检测电极1和所述参考电极2是同轴、大小相同的两个圆形铜板，在本实施例中所述圆形铜板100和所述圆形铜板200大小相同、同轴地布置在同一个PCB 30的正、反两面，所述铜环101和所述铜环201是同轴、大小相同、位于PCB正反两面的两个铜环，且需要与系统地连接。一般来讲，PCB基板的厚度为1.2mm、1.6mm或者2mm，所以本实施例中检测电极1和参考电极2之间的垂直距离d可以为1.2mm、1.6mm或者2mm。图3B示出了图3A所示方式的剖面示意图。

需要指出的是，所述检测电极1和参考电极2还可以是其它形状，比如正方形、长方形、椭圆形等，只要保证两个电极形状相同、大小相等，且平行、同轴。比如，检测电极1和参考电极2分别位于平行、同轴的两个PCB上。当然垂直距离不能过大，不要超过20mm，否则检测电极1和参考电极2感应到的低频干扰噪声差异过大。

图4示出了图2实施例中电容接近传感器的检测控制板60的电路示意图。由于本发明中需要分时对检测电极1和参考电极2进行电容检测，因此在对其中一个电极进行电容检测时，需要设置另外一个电极连接系统地以避免另外一个电极在悬空状态带来的干扰。所述检测控制板60用于与检测电极1和参考电极2连接，检测所述检测电极1和所述参考电极2的电容大小，并做差值运算，进而判断是否有物体接近。具体来说，所述检测控制板60包括接地选择器301、接地选择器302、AMUX 303(Analog Multiplexer，多路选择器)、AFE304(Analog Front End，模拟前端)、ADC 305(Analog Digital Converter，模拟数字转换器)和控制单元300。其中接地选择器301与所述检测电极1相连接，所述控制单元300通过控制信号ctrl_2控制所述接地选择器301是否将所述检测电极1与系统地连接；所述接地选择器302与所述参考电极2相连接，所述控制单元300通过控制信号ctrl_1控制所述接地选择器302是否将所述参考电极2与系统地相连接；所述接地选择器301和所述接地选择器302与AMUX 303连接，所述控制单元300通过控制信号ctrl_0控制所述AMUX 303选择要进行测量的电极；所述AFE 304与所述AMUX 303相连接，用于自动将与其连接的进行测量的电极的电容信号转换成成比例的电压信号；所述ADC 305用于将所述成比例的电压信号转换成数字信号，并将该数字信号传输到所述控制单元300，控制单元300对该数字信号进行处理并根据处理结果判断是否有物体接近所述电容接近传感器。

需要指出的是由于本发明是分时对检测电极1和参考电极2进行测量，因此图4中只需要一个AFE即可(AFE 304)，且ADC 305使用单端输入的ADC即可，不需多路输入方式，比如差分输入等。这样电路实现更简单，成本也更低。

图5示出了图4实施例中控制单元300的控制流程图。由于本发明并不是同时对检测电极1和参考电极2进行检测，所以在对其中一个电极进行电容检测时需要设置另外一个电极连接系统地，以避免另外一个电极在悬空状态给检测的电极带来的干扰。由于在对参考电极2进行检测时，设置接近外侧的检测电极1与系统地连接，所以物体的接近不会引起检测电极1电容的变化；而在对检测电极1进行检测时，设置参考电极2与系统地连接，由于检测电极1位于外侧，物体的接近会引起检测电极1电容的变化，所以在整个检测过程中物体的接近会引起检测电极1电容的较大变化，而参考电极2的电容变化很微弱，但是参考电极2会和参考电极1感应到基本相同的噪声。需要指出的是在此流程前，即步骤6001前需要先获得初始电容差值ΔD_I。初始电容差值ΔD_I是指在第一次对图4实施例中的检测控制板60上电且没有物体接近图2实施例中的电容接近传感器时，检测电极1和参考电极2的电容大小的数字值的差值。具体步骤如下，在没有物体接近所述电容接近传感器时，控制接地选择器302使得参考电极2与系统地连接，此时检测电极1不与系统地连接，控制AMUX303选择检测电极1作为待测试的电极，通过AFE 304将待测电极(检测电极1)的电容转换成等比例的电压信号，经过ADC 305将该电压信号转换成数字值D1_I；然后，控制接地选择器301使得检测电极1与系统地连接，此时参考电极2不与系统地连接，控制AMUX 303选择参考电极2作为待测试的电极，通过AFE 304将待测电极(参考电极2)的电容转换成等比例的电压信号，经过ADC 305将该电压信号转换成数字值D2_I；计算D1_I与D2_I的差值即为初始电容差值ΔD_I。

在步骤6000中设定阈值TH大小，阈值TH用于后续判断是否有物体接近。在步骤6001中，控制接地选择器302使得参考电极2与系统地连接，此时检测电极1不与系统地连接。在步骤6002中，控制AMUX 303选择检测电极1作为待检测的电极。在步骤6003中，读取ADC 305转换得到的数字值D1，由于在步骤6001中参考电极2与系统地连接，在步骤6002中选择了检测电极1作为待检测的电极，因此在此步骤6003中获得的数字值D1是检测电极1的电容的数字值。在步骤6004中，控制接地选择器301使得检测电极1与系统地连接。在步骤6005中，AMUX 303选择参考电极2作为待检测的电极，此时参考电极2不与系统地连接。在步骤6006中读取ADC 305转换得到的数字值D2，由于在步骤6004中检测电极1与系统地连接，在步骤6005中选择了参考电极2作为待检测的电极，因此在步骤6006中获得的数字值D2是参考电极2的电容的数字值。在步骤6007中，计算动态电容差值ΔD即D1与D2的差值。需要尽量保证检测电极1和参考电极2感应到相同的干扰噪声，这样在计算动态电容差值ΔD时，可以消除两个电极共同的干扰噪声，因此检测电极1和参考电极2需要形状相同、大小相等、同轴、平行放置，且所述两个电极之间的垂直距离d一般来说尽量小，一般不超过20mm。在步骤6008中，比较动态电容差值ΔD与初始电容差值ΔD_I判断是否有物体接近，如果动态电容差值ΔD与初始电容差值ΔD_I的差值大于阈值TH则判断有物体接近电容接近传感器，否则则判断没有物体接近。

需要注意的是，为了使所述检测电极1和所述参考电极2尽可能感应到相同的干扰噪声，所述检测控制板60分时检测所述检测电极1和所述参考电极2的电容大小的时间间隔也应尽量小，不超过噪声周期的十分之一即1ms。

图6示出了一个实施例根据图5所示的流程图获得的检测电极1的电容数字值D1和参考电极2的电容数字值D2的波形图，图7是对应的动态电容差值ΔD的波形图。在第一次对图4中的检测控制板60上电且没有物体接近时，获得初始电容差值ΔD_I为40并设定阈值TH为10。通过图6所示的波形可以看出在没有物体接近时，由于噪声的存在检测电极1的电容数字值D1和参考电极2的电容数字值D2波形由于噪声的干扰并不稳定，数值逐渐增加，但是检测电极1的电容数字值D1和参考电极2的电容数字值D2的差值即动态电容差值ΔD比较稳定，基本维持在40左右。在t1时，动态电容差值ΔD增加到了64，动态电容差值ΔD与初始电容差值ΔD_I的差值为24大于阈值TH(10)，可以判断t1时有物体接近，且在随后的一段时间内(t1到t2时间内)动态电容差值ΔD均保持在65左右，与初始电容差值ΔD_I的差值大于阈值TH(10)，因此可以判断在t1到t2时间内有物体接近。在t2时，动态电容差值ΔD降落到42，动态电容差值ΔD与初始电容差值ΔD_I的差值为2小于阈值TH(10)，故判断没有物体接近。

综上所述，本发明在传统的工业电容接近传感器的一个感应电极的基础上增加了一个感应电极，共用一个模拟前端(AFE)，对两个感应电极的信号分时做检测并做差值运算，可以去除两个电极上共有的低频噪声带来的干扰；另一方面，由于本发明是分时对两个电极进行电容测量，电路结构更简单，成本更低。

Claims (5)

1.一种消除电容接近传感器低频噪声干扰的方法，其特征在于所述电容接近传感器具有两个电极，分别是检测电极和参考电极，包括如下步骤：

A.在没有物体接近所述电容接近传感器时，确定初始电容差值：

a)设置所述参考电极连接到所述电容接近传感器的系统地，设置所述检测电极作为测量电极，测量所述检测电极的电容并将其转换成第一初始数字值；

b)设置所述检测电极连接到所述电容接近传感器的系统地；设置所述参考电极作为测量电极，测量所述参考电极的电容并将其转换成第二初始数字值；

c)计算所述第一初始数字值与所述第二初始数字值的差值为所述初始电容差值；

B.设置所述参考电极连接到所述电容接近传感器的系统地，设置所述检测电极作为测量电极，测量所述检测电极的电容并将其转换为第一数字值；

C.设置所述检测电极连接到所述电容接近传感器的系统地，设置所述参考电极作为测量电极，测量所述参考电极的电容并将其转换成第二数字值；

D.计算所述第一数字值与所述第二数字值的差值为动态电容差值；

E.根据所述动态电容差值与所述初始电容差值的差值来确定是否有物体接近所述电容接近传感器。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述检测电极和所述参考电极是形状相同、大小相等、同轴而且平行放置的电极。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述检测电极和所述参考电极的垂直距离不超过20毫米。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤B和所述步骤C的时间间隔不超过1毫秒。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤a)和所述步骤b)的时间间隔不超过1毫秒。