電容式傳感器原理以及在電子設(shè)計(jì)中的各類應(yīng)用分析
好像在突然之間，電容式傳感器就無(wú)處不在了。它被安裝在汽車座位里以控制氣囊配置和安全帶預(yù)緊裝置，在洗碗機(jī)和干燥機(jī)中以校正旋轉(zhuǎn)桶的狀態(tài)，甚至冰箱也使用其來(lái)控制自動(dòng)去冰過(guò)程。但是直到現(xiàn)在，它最大的潛在應(yīng)用領(lǐng)域還是觸摸開(kāi)關(guān)，觸摸開(kāi)關(guān)已越來(lái)越多地出現(xiàn)在消費(fèi)電子產(chǎn)品中。
因?yàn)榛旌闲盘?hào)I C工藝得到廣泛的采用，電磁流量計(jì)這種技術(shù)允許芯片設(shè)計(jì)師優(yōu)化芯片的模擬和數(shù)字子系統(tǒng)，以構(gòu)建具有前所未有的靈敏度和耐用性的電容式傳感器，而且成本是機(jī)械式開(kāi)關(guān)所不能比擬的。
一、電容傳感器簡(jiǎn)介
電容傳感器，英文名稱為capacitive type transducer，是一種將其他量的變換以電容的變化體現(xiàn)出來(lái)的儀器。電容式傳感器將被測(cè)非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，分辨率高，具有平均效應(yīng)，測(cè)量精度高，可實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，并能在高溫、輻射和強(qiáng)烈振動(dòng)等惡劣條件下工作，廣泛應(yīng)用于壓力、差壓、液位、振動(dòng)、位移、加速度、成分含量等方面的測(cè)量。
電容傳感器主要由上下兩電極、絕緣體、襯底構(gòu)成，在壓力作用下，薄膜產(chǎn)生一定的形變，上下級(jí)間距離發(fā)生變化，導(dǎo)致電容變化，但電容并不隨極間距離的變化而線性變化，其還需測(cè)量電路對(duì)輸出電容進(jìn)行一定的非線性補(bǔ)償。
二、電容傳感器分類
電容式傳感器一般由兩個(gè)平行電極構(gòu)成，在其兩個(gè)電極之間以空氣作為介質(zhì)，在不考慮邊緣效應(yīng)的前提下，其電容可表示為C=εS/d，
式中，ε為電容極板間介質(zhì)的介質(zhì)參數(shù)，ε=ε0εr,其中ε0真空介電參數(shù)，εr為極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；S為兩平板所覆蓋的面積；d為兩平行板之間的距離。
由式中可見(jiàn)，當(dāng)S,d,和ε中任一參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，電容量C也隨之發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量電路就可以轉(zhuǎn)換為電量輸出。因此，電容式傳感器可分為變極距型、變面積型和變介電常數(shù)型3種。
三、電容傳感器原理
電容傳感器也稱為電容物位計(jì)，其電容檢測(cè)元件基于圓筒形電容器原理進(jìn)行工作，圓筒形電容器主要由兩個(gè)相互絕緣的同軸圓柱極板構(gòu)成，在兩個(gè)極板之間填充介質(zhì)，則該電容器的容量即為C=εS/d，其中，ε表示兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，L表示兩極板之間相互重合的長(zhǎng)度，D表示外面的圓柱形極板的直徑，d表示里面的圓柱形極板的直徑，由于在固定情況下進(jìn)行測(cè)量時(shí)，其D、d、e三個(gè)參量是不會(huì)變的，因此可根據(jù)測(cè)量的電容量得知其液位高度。
四、電容傳感器優(yōu)缺點(diǎn)
電容式傳感器較電阻式傳感器、電感式傳感器而言具有一定的優(yōu)勢(shì)，但其也并不是完美無(wú)缺的，其也有缺點(diǎn)存在，下面我們就對(duì)電容式傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行整合：
優(yōu)點(diǎn)：價(jià)格便宜、實(shí)惠；靈敏度高、準(zhǔn)確性好；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；惡劣環(huán)境下也可適用；溫度穩(wěn)定性好；具有平均效應(yīng)；動(dòng)態(tài)響應(yīng)性好；過(guò)載能力強(qiáng)。
缺點(diǎn)：輸出非線性；寄生電容、分布電容的靈敏度、測(cè)量精確度易受影響，不穩(wěn)定；連接電路較復(fù)雜。
五、電容傳感器如何工作
電容式傳感器基本上可以分成三類：電場(chǎng)傳感器、基于弛張振蕩器的傳感器以及電荷轉(zhuǎn)移(QT)器件。電場(chǎng)傳感器通常會(huì)產(chǎn)生數(shù)百kHz的正弦波，然后將這個(gè)信號(hào)加在電容一個(gè)極板的導(dǎo)電盤上，并檢測(cè)另外一個(gè)導(dǎo)電盤上的信號(hào)電平。當(dāng)用戶的手機(jī)或另外的導(dǎo)體對(duì)象接觸到兩個(gè)盤的時(shí)候，接收器上的信號(hào)電平將改變。通過(guò)解調(diào)和濾波極板上的信號(hào)，可能獲得一個(gè)直流電壓，這個(gè)電壓隨電容的改變而變化；將這個(gè)電壓施加在閾值檢測(cè)器上，即可以產(chǎn)生觸摸/無(wú)觸摸的信號(hào)。
弛張振蕩器使用了一個(gè)電極盤，其上的電極電容構(gòu)成了鋸齒波振蕩器中的可變定時(shí)單元。通過(guò)將恒定電流饋入到電極線，電極上的電壓隨時(shí)間線性增加。該電壓提供給比較器一個(gè)輸入，而比較器的輸出連接到一個(gè)與電極電容并行連接的接地開(kāi)關(guān)上。當(dāng)電極電容充電到一個(gè)預(yù)先確定的閾值電壓時(shí)，比較器改變狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)動(dòng)作對(duì)定時(shí)電容放電，打開(kāi)開(kāi)關(guān)，這個(gè)動(dòng)作將周期性的重復(fù)下去。其結(jié)果是，比較器的輸出是脈沖串，其頻率取決于總的定時(shí)電容的值。電磁流量計(jì)傳感器根據(jù)不同的頻率改變來(lái)報(bào)告觸摸/無(wú)觸摸狀態(tài)。
QT器件利用了一種稱為電荷保持的物理原理。舉例來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)在一個(gè)短時(shí)間內(nèi)施加一個(gè)電壓到感應(yīng)電極上對(duì)其充電，之后開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，第二個(gè)開(kāi)關(guān)再將電極上的電荷釋放到更大的一個(gè)采樣電容中。人手指的觸摸增大了電極的電容，導(dǎo)致傳輸?shù)讲蓸与娙萆系碾姾稍黾樱蓸与娙菀虼烁淖儯瑩?jù)此就能得出檢測(cè)結(jié)果。
QT器件在突發(fā)模式采樣之后即進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，這種方法能提供比競(jìng)爭(zhēng)方案更高的動(dòng)態(tài)范圍和更低的功耗，而自動(dòng)校準(zhǔn)例程可以補(bǔ)償因?yàn)榄h(huán)境條件改變帶來(lái)的漂移。更重要的是，這種方法足夠靈敏，在電流透過(guò)厚的面板時(shí)不需要一個(gè)參考地連接，因此適合電池供電的設(shè)備。一般可用多輸入通道實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)按鍵或旋轉(zhuǎn)按鍵，而專用的QT系列芯片只用三個(gè)分辨率為7位（128點(diǎn)）的通道就能實(shí)現(xiàn)高分辨率線性滑動(dòng)或旋轉(zhuǎn)界面。
六、電容傳感器其他應(yīng)用可能性
很多設(shè)計(jì)師都利用QT芯片來(lái)替代電阻式觸摸屏。因?yàn)樵摲椒ㄖ恍枰獙瓮该鲗愉佋O(shè)在屏幕上用于感測(cè)，與多層電阻式技術(shù)相比，對(duì)光線的吸收大大降低。OEM廠家還使用多通道傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)可編程的不透明觸摸表面，面板的配置由軟件來(lái)調(diào)配，這能幫助降低材料成本。同樣的辦法還為用戶依據(jù)個(gè)人喜好配置觸摸屏提供了可能，用戶可從網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器下載規(guī)格，或者自己運(yùn)行一個(gè)配置程序。
這種技術(shù)打開(kāi)了很多應(yīng)用之門，例如電磁流量計(jì)使用了平面位置檢測(cè)QT器件，終端用戶在移動(dòng)電話的數(shù)字鍵盤上移動(dòng)就可以輸入中文或其他復(fù)雜字符。但是這種技術(shù)的最大應(yīng)用是平面坐標(biāo)觸摸屏，在這種應(yīng)用中，下表面感測(cè)薄膜可以替代電阻式屏，而單層薄膜獲得高透明度和低成本，不需要在前面板中開(kāi)孔。
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