第4章電容式傳感器

1、第四章 電容式傳感器電容式傳感器是實(shí)現(xiàn)非電量到電容量轉(zhuǎn)化的一類傳感器。應(yīng)用于壓力、位移、厚度、加速度、液位、物位、濕度和成分含量等測(cè)量之中。由于電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、分辨率高，且可非接觸測(cè)量，因此很有應(yīng)用前景。4.1 工作原理和結(jié)構(gòu)由絕緣介質(zhì)分開的兩個(gè)平行金屬板組成的平板電容器，如果不考慮邊緣效應(yīng)，其電容量為： （式4-1）式中：A極板相對(duì)覆蓋面積 d極板間距離 r相對(duì)介電常數(shù)0真空介電常數(shù)，08.85pF/m；電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)d、A和r中的某一項(xiàng)或幾項(xiàng)有變化時(shí)，就改變了電容C。d或A的變化可以反映線位移或角位移的變化，也可以間接反映壓力、加速度等的變化；r的變化則可反映液面高

2、度、材料厚度等的變化。 結(jié)論：保持其中兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變其中一個(gè)參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，通過測(cè)量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。電容式傳感器可分為變間隙式（變極距型）、變面積式和變介電系數(shù)式三種類型。1. 變間隙式電容傳感器下圖為變極距型電容式傳感器的原理圖。當(dāng)傳感器的r和A為常數(shù)，初始極距為d時(shí)，其初始電容量。圖4-1變極距型電容傳感器原理圖若電容器活動(dòng)極板移動(dòng)距離為d0，兩極板間隙為（ =d- d0 ）,則電容量為： （式4-2）由此可看出：C與呈非線性關(guān)系，靈敏度為： （式4-3）靈敏度K與極距的平方成反比，極距越小，靈敏度越高。圖4-2 電容量與極距的關(guān)系在起始間隙d較

3、小時(shí)，對(duì)于同樣的變化所引起的C可以增大，從而使傳感器靈敏度提高。但d過小，容易引起電容器擊穿或短路。為防止擊穿或短路，極板間可采用高介電常數(shù)的材料（云母、塑料膜等）作介質(zhì)。云母片的相對(duì)介電常數(shù)是空氣的7倍，其擊穿電壓不小于1000 kV/mm，而空氣的僅為3kV/mm。因此有了云母片，極板間起始距離可大大減小。同時(shí)傳感器的輸出特性的線性度得到改善。一般變極距型電容式傳感器的起始電容在2030 pF之間，極板間距離在25200m的范圍內(nèi)，最大位移應(yīng)小于間距的1/10，故在微位移測(cè)量中應(yīng)用最廣。2變面積型電容式傳感器圖4-3是變面積型電容傳感器原理結(jié)構(gòu)示意圖。被測(cè)量通過動(dòng)極板移動(dòng)引起兩極板有效覆蓋

4、面積S改變，從而改變電容量。圖4-3 變面積型電容傳感器原理圖當(dāng)動(dòng)極板相對(duì)于定極板延長(zhǎng)度a方向平移x時(shí)，可得： （式4-4）式中為初始電容。電容相對(duì)變化量為： （式4-5）很明顯，這種形式的傳感器其電容量C與水平位移x是線性關(guān)系，因而其量程不受線性范圍的限制，適合于測(cè)量較大的直線位移和角位移。它的靈敏度為： （式4-6）下圖是電容式角位移傳感器原理圖。當(dāng)動(dòng)極板有一個(gè)角位移時(shí)，與定極板間的有效覆蓋面積就改變，從而改變了兩極板間的電容量。圖4-4 電容式角位移傳感器當(dāng)=0時(shí)，則： （式4-7）式中： r 介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)； d0 兩極板間距離； A0 兩極板間初始覆蓋面積。當(dāng)0時(shí)，則: （式4-8

5、）從上式可以看出，傳感器的電容量C與角位移呈線性關(guān)系。4. 變介質(zhì)型電容式傳感器下圖是一種變極板間介質(zhì)的電容式傳感器用于測(cè)量液位高低的結(jié)構(gòu)原理圖。圖4-5 電容式液位傳感器結(jié)構(gòu)原理圖設(shè)被測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)為1，液面高度為h，變換器總高度為H，內(nèi)筒外徑為d，外筒內(nèi)徑為D，則此時(shí)變換器電容值為： （式4-9）式中： 空氣介電常數(shù)；C0 由變換器的基本尺寸決定的初始電容值，即： （式4-10）可見此變換器的電容增量正比于被測(cè)液位高度h。變介質(zhì)型電容傳感器有較多的結(jié)構(gòu)型式，可以用來測(cè)量紙張，絕緣薄膜等的厚度，也可用來測(cè)量糧食、紡織品、木材或煤等非導(dǎo)電固體介質(zhì)的濕度。下圖是一種常用的結(jié)構(gòu)型式。圖中兩平行電

6、極固定不動(dòng)，極距為d0，相對(duì)介電常數(shù)為r2的電介質(zhì)以不同深度插入電容器中，從而改變兩種介質(zhì)的極板覆蓋面積。圖4-6 變介質(zhì)型電容式傳感器傳感器總電容量C為： （式4-11）式中：L0，b0極板長(zhǎng)度和寬度；L 第二種介質(zhì)進(jìn)入極板間的長(zhǎng)度。若電介質(zhì)，當(dāng)L=0時(shí)，傳感器初始電容： （式4-12） 當(dāng)介質(zhì)進(jìn)入極間L后，引起電容的相對(duì)變化為： （式4-13）可見電容的變化與電介質(zhì)的移動(dòng)量L呈線性關(guān)系。4.2 靈敏度及非線性由以上分析可知，除變極距型電容傳感器外，其它幾種形式傳感器的輸入量與輸出電容量之間的關(guān)系均為線性的，故這里只討論變極距型平板電容傳感器的靈敏度及非線性。由式C=C0+C0d/d0可知，

7、電容的相對(duì)變化量為: （式4-14）當(dāng)時(shí)，則上式可按級(jí)數(shù)展開，故得 （式4-15）由上式可見，輸出電容的相對(duì)變化量C/C與輸入位移d之間呈非線性關(guān)系。當(dāng) 時(shí)，可略去高次項(xiàng)，得到近似的線性： （式4-15）電容傳感器的靈敏度為： （式4-15）它說明了輸入位移所引起輸出電容相對(duì)變化的大小與d0呈反比關(guān)系。進(jìn)一步推導(dǎo)可得：要提高靈敏度，應(yīng)減小起始間隙d0，但非線性誤差卻隨著d0的減小而增大。在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高靈敏度，減小非線性誤差，大都采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。電容傳感器做成差動(dòng)式之后，靈敏度提高一倍，而且非線性誤差大大降低。4.3 特點(diǎn)及應(yīng)用中存在的問題1. 電容式傳感器的特點(diǎn)（1）優(yōu)點(diǎn)：溫度穩(wěn)定性好

8、 電容式傳感器的電容值一般與電極材料無關(guān)，有利于選擇溫度系數(shù)低的材料，又因本身發(fā)熱極小，影響穩(wěn)定性甚微。而電阻傳感器有電阻，供電后產(chǎn)生熱量；電感式傳感器有銅損、磁滯和渦流損耗等，易發(fā)熱產(chǎn)生零漂。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造，易于保證高的精度，可以做得非常小巧，以實(shí)現(xiàn)某些特殊的測(cè)量；能工作在高溫，強(qiáng)輻射及強(qiáng)磁場(chǎng)等惡劣的環(huán)境中，可以承受很大的溫度變化，承受高壓力，高沖擊，過載等；能測(cè)量超高溫和低壓差，也能對(duì)帶磁工作進(jìn)行測(cè)量。動(dòng)態(tài)響應(yīng)好 電容式傳感器帶電極板間的靜電引力很小(約幾個(gè)),需要的作用能量極小，又由于它的可動(dòng)部分可以做得很小很薄，即質(zhì)量很輕，因此其固有頻率很高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，

9、能在幾兆赫茲的頻率下工作，特別適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。又由于其介質(zhì)損耗小可以用較高頻率供電，因此系統(tǒng)工作頻率高。它可用于測(cè)量高速變化的參數(shù)?？梢詫?shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，具有平均效應(yīng) 例如非接觸測(cè)量回轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)或偏心率、小型滾珠軸承的徑向間隙等。當(dāng)采用非接觸測(cè)量時(shí)，電容式傳感器具有平均效應(yīng)，可以減小工件表面粗糙度等對(duì)測(cè)量的影響。其它 電容式傳感器因其帶電極板間的靜電引力很小，所需輸入力和輸入能量極小，因而可測(cè)極低的壓力、力和很小的加速度、位移等。可以做得很靈敏，分辨力高，能敏感0.01m 甚至更小的位移。由于其空氣等介質(zhì)損耗小，采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)并接成電橋式時(shí)產(chǎn)生的零殘極小，因此允許電路進(jìn)行高倍率放大，使儀器具有很高

10、的靈敏度。（2）缺點(diǎn)輸出阻抗高，負(fù)載能力差 電容式傳感器的容量受其電極的幾何尺寸等限制，一般只有幾個(gè)皮法到幾百皮法，使傳感器的輸出阻抗很高，尤其當(dāng)采用音頻范圍內(nèi)的交流電源時(shí)，輸出阻抗高達(dá)。因此傳感器的負(fù)載能力很差，易受外界干擾影響而產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)甚至無法工作。寄生電容影響大 電容式傳感器由于受結(jié)構(gòu)與尺寸的限制，其初始電容量都很小(幾pF到幾十pF)，而連接傳感器和電子線路的引線電纜電容(12m導(dǎo)線可達(dá)800pF)、電子線路的雜散電容以及傳感器內(nèi)極板與其周圍導(dǎo)體構(gòu)成的“寄生電容”卻較大，不僅降低了傳感器的靈敏度，而且這些電容（如電纜電容）常常是隨機(jī)變化的，將使儀器工作很不穩(wěn)定，影響測(cè)量精

11、度。2. 應(yīng)用中存在的問題（1）電容式傳感器的等效電路上節(jié)對(duì)各種電容傳感器的特性分析，都是在純電容的條件下進(jìn)行的。這在可忽略傳感器附加損耗的一般情況下也是可行的。若考慮電容傳感器在高溫、高濕及高頻激勵(lì)的條件下工作而不可忽視其附加損耗和電效應(yīng)影響時(shí)，其等效電路如下圖所示。圖4-7電容式傳感器的等效電路圖中L包括引線電纜電感和電容式傳感器本身的電感；C0為傳感器本身的電容；Cp為引線電纜、所接測(cè)量電路及極板與外界所形成的總寄生電容，克服其影響，是提高電容傳感器實(shí)用性能的關(guān)鍵之一；Rg為低頻損耗并聯(lián)電阻，它包含極板間漏電和介質(zhì)損耗；Rs為高濕、高溫、高頻激勵(lì)工作時(shí)的串聯(lián)損耗電組它包含導(dǎo)線、極板間和金

12、屬支座等損耗電阻。當(dāng)電容式傳感器的供電電源頻率較高時(shí)，傳感器的靈敏度k與傳感器的固有電感(包括電纜電感)有關(guān)，且隨變化而變化。在這種情況下，每當(dāng)改變激勵(lì)頻率或者更換傳輸電纜時(shí)都必須對(duì)測(cè)量系統(tǒng)重新進(jìn)行標(biāo)定。（2）邊緣效應(yīng)實(shí)際上當(dāng)極板厚度h與極距d之比相對(duì)較大時(shí)，邊緣效應(yīng)的影響就不能忽略。這時(shí)對(duì)極板半徑為r的變極距型電容傳感器，其電容值應(yīng)按下式計(jì)算： （式4-15）邊緣效應(yīng)不僅使電容傳感器的靈敏度降低，而且產(chǎn)生非線性。為了消除邊緣效應(yīng)的影響，可以采用帶有保護(hù)環(huán)的結(jié)構(gòu)，如下圖所示。保護(hù)環(huán)與定極板同心、電氣上絕緣且間隙越小越好，同時(shí)始終保持等電位，以保證中間工作區(qū)得到均勻的場(chǎng)強(qiáng)分布，從而克服邊緣效應(yīng)的

13、影響。為減小極板厚度，往往不用整塊金屬板做極板，而用石英或陶瓷等非金屬材料，蒸涂一薄層金屬作為極板。圖4-8帶有保護(hù)環(huán)的電容傳感器原理圖（3）靜電引力 電容式傳感器兩極板間存在靜電場(chǎng)，因而有靜電引力或力矩。靜電引力的大小與極板間的工作電壓、介電常數(shù)、極間距離有關(guān)。通常這種靜電引力很小，但在采用推動(dòng)力很小的彈性敏感元件情況下，須考慮因靜電引力造成的測(cè)量誤差。（4）溫度影響 環(huán)境溫度的變化將改變電容傳感器的輸出相對(duì)被測(cè)輸入量的單值函數(shù)關(guān)系，從而引入溫度干擾誤差。這種影響主要有兩個(gè)方面。溫度對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的影響 電容傳感器由于極間隙很小而對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的變化特別敏感。在傳感器各零件材料線脹系數(shù)不匹配的情況下

14、，溫度變化將導(dǎo)致極間隙較大的相對(duì)變化，從而產(chǎn)生很大的溫度誤差。在設(shè)計(jì)電容式傳感器時(shí)，適當(dāng)選擇材料及有關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以滿足溫度誤差補(bǔ)償要求。溫度對(duì)介質(zhì)的影響 溫度對(duì)介電常數(shù)的影響隨介質(zhì)不同而異，空氣及云母的介電常數(shù)溫度系數(shù)近似為零；而某些液體介質(zhì)，如硅油、煤油等，其介電常數(shù)的溫度系數(shù)較大。4.4 電容式傳感器的測(cè)量電路電容式傳感器中電容值以及電容變化值都十分微小，這樣微小的電容量還不能直接被目前的顯示儀表顯示，也很難被記錄儀接受，不便于傳輸。必須借助測(cè)量電路檢出這一微小電容增量，并將其轉(zhuǎn)換成與其成單值函數(shù)關(guān)系的電壓、電流或者頻率。電容轉(zhuǎn)換電路有調(diào)頻電路、運(yùn)算放大器式電路、二極管雙T型交流電橋、脈

15、沖寬度調(diào)制電路等。1. 調(diào)頻測(cè)量電路調(diào)頻測(cè)量電路把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分。當(dāng)輸入量導(dǎo)致電容量發(fā)生變化時(shí)，振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化。雖然可將頻率作為測(cè)量系統(tǒng)的輸出量，用以判斷被測(cè)非電量的大小，但此時(shí)系統(tǒng)是非線性的，不易校正，因此加入鑒頻器，用此鑒頻器可調(diào)整地非線性特性去補(bǔ)償其他部分的非線性，并將頻率的變化轉(zhuǎn)換為振幅的變化，經(jīng)過放大就可以用儀器指示或記錄儀記錄下來。調(diào)頻測(cè)量電路原理框圖如下圖所示，Cx為電容變換器。圖4-9調(diào)頻測(cè)量電路方框圖圖中調(diào)頻振蕩器的振蕩頻率為： （式4-16）式中：L0振蕩回路的電感；C 振蕩回路的總電容，。其中，C1為振蕩回路固有電容；C2為傳感器引線分

16、布電容；而為傳感器的電容。 當(dāng)被測(cè)信號(hào)為0時(shí)，C =0，則，所以振蕩器有一個(gè)固有頻率： （式4-17）當(dāng)被測(cè)信號(hào)不為0時(shí)，C0，振蕩器頻率有相應(yīng)變化，此時(shí)頻率為 （式4-18）調(diào)頻電容傳感器測(cè)量電路具有較高靈敏度，可以測(cè)至0.01 m級(jí)位移變化量。信號(hào)輸出易于用數(shù)字儀器測(cè)量和與計(jì)算機(jī)通訊，抗干擾能力強(qiáng)，可以發(fā)送、接收以實(shí)現(xiàn)遙測(cè)遙控。2. 運(yùn)算放大器式電路運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)K非常大，而且輸入阻抗Zi很高。運(yùn)算放大器的特點(diǎn)可以使其作為電容式傳感器的比較理想的測(cè)量電路。下圖是運(yùn)算放大器式電路原理圖。圖4-10運(yùn)算放大器電路原理圖圖中Cx為電容式傳感器，是交流電源電壓，是輸出信號(hào)電壓，是虛地點(diǎn)。由運(yùn)

17、算放大器工作原理可得： （式4-19）如果傳感器是一只平板電容，則Cx =A/d，代入上式有 （式4-20）上式說明運(yùn)算放大器的輸出電壓與極板間距離d線性關(guān)系。運(yùn)算放大器電路解決了單個(gè)變極板間距離式電容傳感器的非線性問題。3. 二極管雙T型交流電橋二極管雙T型交流電橋又稱為二極管T型網(wǎng)絡(luò)，如圖所示。e是高頻電源，它提供幅值為Ui的對(duì)稱方波，VD1、V為特性完全相同的兩個(gè)二極管，C1、C2為傳感器的兩個(gè)差動(dòng)電容。當(dāng)傳感器沒有輸入時(shí)，C1 = C2。圖4-11 二極管雙T型交流電橋電路工作原理如下：當(dāng)e為正半周時(shí)，二極管導(dǎo)通、截止，于是電容C1充電；在隨后負(fù)半周出現(xiàn)時(shí)，電容C1上的電荷通過電阻R1

18、、負(fù)載電阻RL放電，流過RL的電流為I1。在負(fù)半周內(nèi)，導(dǎo)通、截止，則電容C2充電；在隨后出現(xiàn)正半周時(shí)，C2通過電阻R2，負(fù)載電阻RL放電，流過RL的電流為I2。根據(jù)上面所給的條件，電流I1= I2，且方向相反，在一個(gè)周期內(nèi)流過RL的平均電流為零。若傳感器輸入不為0，則C1C2，那么I1I2，此時(shí)RL上必定有信號(hào)輸出，其輸出在一個(gè)周期內(nèi)的平均值為: （式4-21）式中f為電源頻率。當(dāng)RL已知，上式中（常數(shù)），則： （式4-22）輸出電壓U0不僅與電源電壓的幅值和頻率有關(guān)，而且與T型網(wǎng)絡(luò)中的電容C1和C2的差值有關(guān)。當(dāng)電源電壓確定后，輸出電壓U0是電容C1和C2的函數(shù)。電路的靈敏度與電源幅值和頻率

19、有關(guān)，故輸入電源要求穩(wěn)定。當(dāng)Ui幅值較高，使二極管工作在線性區(qū)域時(shí)，測(cè)量的非線性誤差很小。電路的輸出阻抗與電容C1、C2無關(guān)，而僅與R1、R2及RL有關(guān)，其值為1100k。輸出信號(hào)的上升沿時(shí)間取決于負(fù)載電阻。對(duì)于1k的負(fù)載電阻上升時(shí)間為 20s左右，故可用來測(cè)量高速的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。4. 脈沖寬度調(diào)制電路下圖是差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路。當(dāng)接通電源后，若觸發(fā)器Q端為高電平(U1)， 端為低電平(0)，則觸發(fā)器通過R1對(duì)C1充電；當(dāng)F點(diǎn)電位UF升到與參考電壓Ur相等時(shí)，比較器IC1產(chǎn)生一個(gè)脈沖使觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，從而使Q端為低電平， 端為高電平(U1)。圖4-12 差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路此時(shí)，電容C1通過二極管D1迅速

20、放電至零，而觸發(fā)器由端經(jīng)R2向C2充電；當(dāng)G點(diǎn)電位UG與參考電壓Ur相等時(shí)，比較器IC2輸出一個(gè)脈沖使觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，從而循環(huán)上述過程?？梢钥闯?，電路充放電的時(shí)間，即觸發(fā)器輸出方波脈沖的寬度受電容C1、C2調(diào)制。當(dāng)C1=C2時(shí)，各點(diǎn)的電壓波形如右圖 所示，Q和兩端電平的脈沖寬度相等，兩端間的平均電壓為零。圖4-13 差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路波形1當(dāng)C1C2時(shí)，各點(diǎn)的電壓波形如右圖所示，、兩端間的平均電壓（經(jīng)一個(gè)低通濾波器）為： （式4-23）上式中：T1和T2分別為端和 端輸出方波脈沖的寬度，亦即C1和C2的充電時(shí)間。圖4-14 差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路波形2根據(jù)電路知識(shí)可求出 （式4-24） （式4-25）將這

21、兩個(gè)式子代入上式，可得 （式4-26）當(dāng)該電路用于差動(dòng)式變極距型電容傳感器時(shí)，由上式有： （式4-27）這種電路只采用直流電源，無需振蕩器，要求直流電源的電壓穩(wěn)定度較高，但比高穩(wěn)定度的穩(wěn)頻穩(wěn)幅交流電源易于做到。用于差動(dòng)式變面積型電容傳感器時(shí)有： （式4-28）這種電路輸出信號(hào)只需要通過低通濾波器引出；直流信號(hào)的極性取決于C1和C2；對(duì)變極距和變面積的電容傳感器均可獲得線性輸出。5. 變壓器電橋如下圖所示，C1、C2為傳感器的兩個(gè)差動(dòng)電容。圖4-15 變壓器電橋電路電橋的空載輸出電壓為： （式4-29）對(duì)變極距型電容傳感器 ， ，代入上式得： （式4-30）可見，對(duì)變極距型差動(dòng)電容傳感器的變壓器

22、電橋，在負(fù)載阻抗極大時(shí)，其輸出特性呈線性。4.5 電容式加速度傳感器及應(yīng)用1. 應(yīng)用概述 加速度傳感器又稱為慣性傳感器，可以用于偵測(cè)傾斜、振動(dòng)及撞擊，因此可以用在汽車乘客安全、振動(dòng)監(jiān)控、 運(yùn)動(dòng)診斷、 防盜裝置、 電器平衡、 地震檢測(cè)、 傾角/傾斜儀及便攜式電子設(shè)備中。具體如下圖所示。圖4-16 加速度傳感器應(yīng)用示意圖2. 應(yīng)用原理加速傳感器可用來偵測(cè)X、Y、Z軸方向的加速度，以模擬電壓來表示所偵測(cè)的加速度的大小，在IC內(nèi)部主要由雙芯片構(gòu)成，即重力感測(cè)單元（負(fù)責(zé)加速度的偵測(cè)）與控制IC單元（負(fù)責(zé)信號(hào)處理）。雙芯片可以分開安置也可以疊放處理。X軸或Z軸的重力檢測(cè)單元將檢測(cè)到的加速度變化量信號(hào)送到電

23、荷積分器做積分運(yùn)算，而后進(jìn)行取樣、保持及信號(hào)放大處理，最后用低通濾波器濾除高頻噪音，在溫度補(bǔ)償處理后即可輸出加速度信息。此輸出的模擬電壓與偵測(cè)的加速度值會(huì)維持線性比例的特性，不會(huì)受到溫度的影響。圖4-17 加速度傳感器功能框圖（1） x軸向g測(cè)量 前已述及，電容的物理特性：電容值的大小與電極板的面積大小成正比，和電極板的間隔距離成反比g感測(cè)單元即利用電容的原理設(shè)計(jì)出來的。圖4-18 x軸向g單元結(jié)構(gòu)示意圖如上圖，在左上角的小區(qū)塊，深色的部分代表可移動(dòng)的電極板。在深色電極板的上方左偏置與下方右偏置板塊則是固定的電極板，當(dāng)深色電極板因加速度的影響而改變與左右偏置板的間隔，則使得電容值改變進(jìn)而促使電

24、容電壓值的改變，因此可借此特性計(jì)算出加速度的大小。（2） z軸向g測(cè)量Z 軸向垂直g感測(cè)單元的感測(cè)原理與X軸向g感測(cè)單元的感測(cè)原理相同，只是架構(gòu)有所差異。如下圖所示，當(dāng)中間的極板因?yàn)榧铀俣鹊挠绊懚淖兣c上下極板的間隔，則將產(chǎn)生電容值的改變。因此，可借此特性計(jì)算出此加速度的大小。有彈簧裝置，用來緩沖可移動(dòng)電極板的移動(dòng)。圖4-19 Z軸向g單元結(jié)構(gòu)示意圖3. 加速度傳感器的六種感應(yīng)功能加速傳感器的感應(yīng)功能：傾斜度偵測(cè)、運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、定位偵測(cè)、震動(dòng)偵測(cè)、振動(dòng)偵測(cè)和自由落下偵測(cè)（1） 傾斜度偵測(cè)傾斜度偵測(cè)電子羅盤，傾斜儀，文本滾動(dòng)瀏覽/用戶界面，圖像旋轉(zhuǎn)，LCD投影等。加速傳感器在靜止時(shí)，可用來檢測(cè)傾斜角

25、，傾斜角在 90 +90 之間變化時(shí)，加速傳感器輸出會(huì)在 1.0g+1.0g之間變化。輸出電壓對(duì)應(yīng)傾斜角的公式如下示： （式4-31）其中：加速度傳感器的輸出 ；：零加速度 ；：靈敏度；：地球重力 ：傾斜角（2） 運(yùn)動(dòng)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)可用于運(yùn)動(dòng)控制，計(jì)步器，基本運(yùn)動(dòng)檢測(cè)。在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)檢測(cè)時(shí)，需要考慮到幾個(gè)因素，包括：如何計(jì)算它的位移，g值的范圍選擇及使用量測(cè)軸。首先確定位移：計(jì)算位移要將加速度進(jìn)行二重積分，速度部分則是需進(jìn)行一次積分。根據(jù)對(duì)象的不同，g值的范圍在220g之間變化。跳躍運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電壓輸出變化示意，由圖4-20中可知，當(dāng)跳躍至最高點(diǎn)時(shí)處于無重力的狀態(tài)，當(dāng)落至地面時(shí)加速度出現(xiàn)近似脈沖的波形

26、，由曲線的變化即可判斷具體的運(yùn)動(dòng)情況。（3） 定位偵測(cè)定位偵測(cè)可用于汽車導(dǎo)航，防盜設(shè)備，地圖跟蹤。定位偵測(cè)需要考慮的因素包括：加速度的范圍是多少及加速傳感器如何安裝。對(duì)加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行二重積分即可得到位置數(shù)據(jù)。此外，由于加速度數(shù)據(jù)是不連續(xù)的，所以需要進(jìn)行近似積分。在進(jìn)行定位計(jì)算時(shí)，必須假設(shè)初始位置和速度為零，這樣對(duì)運(yùn)動(dòng)隨時(shí)間變化的等式進(jìn)行積分，就是將每個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)位置和速度的增量分別與前一個(gè)值相加即可代表積分的運(yùn)算。 （式4-32） （式4-33）圖4-20 跳躍運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電壓輸出波形(4) 震動(dòng)偵測(cè) 震動(dòng)偵測(cè)可用于下降記錄，黑盒子/故障記錄儀，HDD保護(hù)，運(yùn)輸和處理監(jiān)視器。震動(dòng)偵測(cè)只需考慮的因

27、素是選擇g值的范圍。一般按照被測(cè)量對(duì)象的減速度決定了震動(dòng)檢測(cè)所需的加速傳感器的規(guī)則選取。當(dāng)然，算法將隨每種設(shè)計(jì)的不同而不同，一般設(shè)為高于某個(gè)臨界值。通常情況下，重力的變化范圍為：自由落體檢測(cè)為 1.5g，而汽車撞擊為 250g。(5) 振動(dòng)偵測(cè) 振動(dòng)偵測(cè)可用于地震活動(dòng)監(jiān)視器，智能電機(jī)維護(hù)，家電平衡和監(jiān)測(cè)。振動(dòng)偵測(cè)需要考慮的因素包括：分析振動(dòng)頻率的多少，確定g值的范圍及最適當(dāng)?shù)募铀賯鞲衅靼惭b位置。借助于快速傅立葉變換對(duì)加速度資料的分析可得到振動(dòng)頻率的情況，快速傅立葉變換允許振動(dòng)信號(hào)被分解成它的諧波分量，而每個(gè)電機(jī)振動(dòng)都有它自己的諧波分量信號(hào)。通常，根據(jù)振動(dòng)的電機(jī)或?qū)ο蟮牟煌亓Φ淖兓秶鸀?

28、20g。當(dāng)加速傳感器安裝的離振源越近時(shí)，G的范圍就會(huì)越大。 在馬達(dá)控制器應(yīng)用中，通過加速傳感器可以將震動(dòng)量變化為數(shù)據(jù)，借此數(shù)據(jù)可判斷出震動(dòng)量的大小，可用作預(yù)防性維修、檢測(cè)振動(dòng)信號(hào)、檢測(cè)電機(jī)故障并節(jié)省成本。 (6) 自由落下偵測(cè) 自由落下偵測(cè)可用于自由落體保護(hù)，下降記錄，下降檢測(cè)，運(yùn)動(dòng)控制和認(rèn)知等。自由落下偵測(cè)可分為三種，分別為：線性落下、旋轉(zhuǎn)型落下和拋射落下。它需考慮的因素包括：線性落下g的范圍一般落在 1g間；由于拋射型落下，因此需考量橫軸加速度的多寡及自由落下時(shí)要求檢測(cè)的高度。在完整的自由落體中，線性自由落體需要一個(gè)3軸加速計(jì)來完成檢測(cè)。而旋轉(zhuǎn)和拋射自由落體需要一個(gè)復(fù)雜的算法來監(jiān)控自由落體

29、信號(hào)。 在HDD保護(hù)應(yīng)用中，自由落下偵測(cè)是最近出現(xiàn)在消費(fèi)性電子產(chǎn)品的一個(gè)新的應(yīng)用，利用此項(xiàng)功能可以保護(hù)HDD的資料安全。在HDD自由落下撞擊地面之前，從加速傳感器所得的資料分析出相應(yīng)的危機(jī)狀態(tài)，系統(tǒng)可立即令HDD讀寫頭做出反應(yīng)，以防止撞擊時(shí)讀寫頭將HDD資料刮壞。同樣適用于音樂播放器、電話、PDA和其他便攜式電子設(shè)備，包含下降記錄偵測(cè)與3軸向檢測(cè)功能。4. 加速度傳感器的專用芯片及應(yīng)用（1）MMA7260Q簡(jiǎn)介 MMA7260Q是飛思卡爾公司XYZ低g加速傳感器，其特性包括：l 單封裝3軸感應(yīng)l 低壓操作：2.23.6Vl 電流消耗低（典型值：500 A ）l 休眠模式下電流消耗低(3 A)l

30、 模擬輸出l 350Hz 帶寬l g選擇：1.5g, 2g, 4g, 和 6g l 快速的上電響應(yīng)時(shí)間（1ms）l QFN-16 封裝(6mm x 6 mmx 1.45mm)l 無鉛材料和綠色材料l 20+85的工作溫度l 具有低功耗特性，它包含一個(gè)休眠模式管腳。l 具有快速啟動(dòng)性能。它的休眠模式的喚醒時(shí)間很快，僅為0.5ms。通過將有源低電平休眠模式管腳設(shè)為高電平(Vdd) ，即可實(shí)現(xiàn)觸發(fā)，將X，Y，和Z的輸出從Vss狀態(tài)下恢復(fù)過來。其常規(guī)加電時(shí)間也很快，僅為1ms。圖4-21 MMA7260Q應(yīng)用示意圖通常g的范圍由MCU的I/O驅(qū)動(dòng)控制，在應(yīng)用時(shí)如何確保獲得最佳的靈敏度狀態(tài)，則可以設(shè)定如

31、果當(dāng)MCU在讀取感測(cè)器的時(shí)候，出現(xiàn)滿格的狀況并持續(xù)一段時(shí)間，則MCU必須設(shè)定更大的g值范圍來確定是否輸出還會(huì)飽和。在不同的應(yīng)用時(shí)，也可以透過設(shè)定不同的g值范圍來獲得最佳的靈敏度狀態(tài)。表4-1 MMA7260Q的g選擇g選擇1g選擇2G范圍001.5g012g104g116g4.6 電容式電場(chǎng)傳感器及應(yīng)用 電容式電場(chǎng)傳感器又稱為觸摸感應(yīng)傳感器。1. 物理本質(zhì) 由前面內(nèi)容可知，任何兩個(gè)分開的導(dǎo)體都能構(gòu)成一個(gè)電容，如圖4-23所示。假如有可能存在的電壓，則建立起了電場(chǎng)。電容性是物質(zhì)或物體的基本電特性。圖4-22 觸摸感應(yīng)傳感器的物理原理前面已述及平行板電極的電容模型是：。觸摸感應(yīng)傳感器可以應(yīng)用到任何

32、只要有電容改變的場(chǎng)合。如：消費(fèi)電子：手機(jī)觸摸屏、多媒體觸摸屏；工業(yè)：家電觸摸控制屏、水位、位移、介質(zhì)改變、位置；還有一些你可能沒有注意到的場(chǎng)合：電容性MEMS加速度傳感器、MEMS耳機(jī)、指紋傳感器。圖4-23 觸摸感應(yīng)傳感器的應(yīng)用2. 電容性觸摸感應(yīng)檢測(cè)原理在以下情況可以進(jìn)行檢測(cè)：在單電極設(shè)置中，電極與地之間存在固有基本電容；當(dāng)手指觸摸時(shí)，增加了電容，如圖4-24所示，在一定范圍內(nèi)，身體與任何？其他物質(zhì)對(duì)地構(gòu)成一個(gè)分支電容。但只有足夠大時(shí)才能被檢測(cè)到。通過設(shè)置一個(gè)閾值電容值，可以檢測(cè)觸摸狀態(tài)；通過測(cè)量電容的線性變化可以檢測(cè)感應(yīng)狀態(tài)。圖4-24 電容性觸摸檢測(cè)原理示意圖3. 簡(jiǎn)單觸摸開關(guān)的應(yīng)用在

33、日常生活中，我們經(jīng)常可以看到利用電容性觸摸傳感器做按鍵或開關(guān)，如臺(tái)燈的開關(guān)，如圖4-25。圖4-26是一款臺(tái)燈觸摸開關(guān)的控制電路。利用555定時(shí)電路，在這里接成單穩(wěn)態(tài)電路。平時(shí)，由于觸摸片P端無感應(yīng)電壓，電容C1通過555第7腳放電完畢，第3腳輸出為低電平，繼電器KS釋放，電燈不亮。 當(dāng)需要開燈時(shí)，用手觸碰一下金屬片P，人體感應(yīng)的雜波信號(hào)電壓由C2加至555的觸發(fā)端，使555的輸出由低變成高電平，繼電器KS吸合，電燈點(diǎn)亮。同時(shí)，555第7腳內(nèi)部截止，電源便通過R1給C1充電，這就是定時(shí)的開始。當(dāng)電容C1上電壓上升至電源電壓的2/3時(shí)，555第7腳導(dǎo)通使C1放電，使第3腳輸出由高電平變回到低電平

34、，繼電器釋放，電燈熄滅，定時(shí)結(jié)束。圖4-25 臺(tái)燈觸摸檢測(cè)開關(guān)圖4-26 臺(tái)燈觸摸檢測(cè)開關(guān)控制電路4. 電場(chǎng)傳感器芯片的應(yīng)用隨著觸摸按鍵技術(shù)的不斷發(fā)展，觸摸式按鍵已經(jīng)在電器、移動(dòng)電話、廚房設(shè)備、家電產(chǎn)品、工控開關(guān)等方面大量應(yīng)用，如圖4-27。觸摸式按鍵與傳統(tǒng)的機(jī)械按鈕、塑料薄膜開關(guān)相比具有很多優(yōu)勢(shì)，如不存在機(jī)械磨損，耐用性好，可靠性較高，而且觸摸式按鍵界面更直觀、更易于操作。現(xiàn)在以美國(guó)Freeseale公司為主的多家國(guó)內(nèi)外公司生產(chǎn)專用的電場(chǎng)傳感器芯片。下面主要看一下芯片MC33794及其應(yīng)用。圖4-27 電容式傳感器應(yīng)用到產(chǎn)品控制器操作面板上（1）電場(chǎng)傳感器芯片MC33794 電場(chǎng)傳感器MC3

35、3794是Freeseale公司推出的一種新型傳感器產(chǎn)品，適用于需要對(duì)物體非觸摸式感應(yīng)的應(yīng)用。該觸摸按鍵系統(tǒng)通過電場(chǎng)傳感器的電極，可以非接觸感知手指的按鍵情況。圖4-28是芯片MC33794的簡(jiǎn)單應(yīng)用框圖。圖4-28 簡(jiǎn)單應(yīng)用框圖（2）芯片MC33794性能MC33794內(nèi)部能夠產(chǎn)生低電平電場(chǎng)，所有功能均集成于單芯片中，可測(cè)量由于物體在電場(chǎng)中移動(dòng)而造成的電場(chǎng)負(fù)載。該器件產(chǎn)生的低頻正弦波的頻率可通過外部電阻調(diào)節(jié)，最優(yōu)頻率為120 kHz。此正弦波含有極少的的諧波分量，可以避免產(chǎn)生諧波干擾。它是行業(yè)內(nèi)少有的可產(chǎn)生及檢測(cè)低電平電場(chǎng)并支持微控制器的集成電路。（3）MC33794適用領(lǐng)域l 家用電器可輕

36、松植入自動(dòng)開關(guān)功能。如果在某些電器的控制端中嵌入幾個(gè)電極，這些電器被移動(dòng)時(shí)就會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，而放回原處時(shí)又會(huì)自動(dòng)斷電關(guān)閉。另外還可嵌入更多的電極，并定義這些電極的功能，從而能讓使用者通過輕微觸動(dòng)這些電極控制家用電器l 能夠方便地實(shí)現(xiàn)包括液位檢測(cè)、溢出檢測(cè)和濕度檢測(cè)等應(yīng)用。例如，可對(duì)爐火進(jìn)行編程控制，當(dāng)爐上的液體被加熱至沸騰溢出時(shí)，爐火能夠自動(dòng)減小或關(guān)閉l 應(yīng)用在觸摸屏輸入中，而無需薄膜開關(guān)或昂貴的多層電阻式觸摸板，也無需接觸式的機(jī)械裝置就可以感應(yīng)到輸入情況，因而能消除接觸式機(jī)械裝置常碰到的磨損、灰塵和腐蝕等問題，尤其適合在惡劣環(huán)境下工作l 在汽車安全中的應(yīng)用。Elesys公司在其SeatSentr

37、y乘客保護(hù)系統(tǒng)中采用了Freeseale公司的MC33794電場(chǎng)式成像器件來探測(cè)乘客的身型和位置，以決定是否需要彈出安全氣囊，避免乘客因氣囊彈出而受傷（4） MC33794工作原理由其產(chǎn)生的低頻正弦波用以驅(qū)動(dòng)電極，當(dāng)電極的電場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，相應(yīng)的電容值發(fā)生改變，測(cè)得的電壓與1/C成正比，即電容增加則檢測(cè)的電壓減少。圖4-29中的檢波器和低通濾波器均在MC33794片內(nèi)，使用時(shí)只需接10 nF電容。圖4-29 MC33794工作原理（5） 觸摸按鍵設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，觸摸按鍵系統(tǒng)通過電場(chǎng)傳感器的電極，可以非接觸感知手指的按鍵情況。用一個(gè)微控制器和MC33794實(shí)現(xiàn)對(duì)按鍵的觸摸檢測(cè)和控制，電路相對(duì)簡(jiǎn)單，

38、適用于許多家用電器。傳感器感知電場(chǎng)中物體在三維空間內(nèi)的移動(dòng)。當(dāng)手掌進(jìn)入電極產(chǎn)生的電場(chǎng)區(qū)域后。電極上的電流會(huì)有相應(yīng)的變化，從而感知手掌距電極的距離。采用玻璃面板，其介電常數(shù)r為78，玻璃厚度為4 mm，電極面積為2 cm2，使用單個(gè)電極為1個(gè)按鍵，則可有9個(gè)按鍵，如果需要更多的按鍵，則可用2個(gè)或2個(gè)以上電極組合構(gòu)成1個(gè)按鍵，比如用2個(gè)電極構(gòu)成1個(gè)組合按鍵，最多可達(dá)45個(gè)按鍵。一般構(gòu)成1個(gè)按鍵的電極不要超過4個(gè)，因?yàn)殡姌O越多，電場(chǎng)越弱，不好檢測(cè)。當(dāng)手指觸摸玻璃表面時(shí)，電極間的電容值發(fā)生變化，MC33794的引腳LEVEL輸出電壓發(fā)生變化，就可知道手指是否觸摸玻璃。（6）觸摸按鍵的硬件設(shè)計(jì)主控MCU

39、選用Freescale公司的MC9S12DGl28B單片機(jī)。該單片機(jī)集成有采樣頻率為140 KSs的10位AD轉(zhuǎn)換器、定時(shí)器、多達(dá)91個(gè)I/0端口、SCI等接口。將MC33794的A、B、C、D接到9S12DGl28的PA端口，通過軟件控制I/0端口輸出，選擇需要采樣的電極。MC33794共9個(gè)電極可以使用，可根據(jù)實(shí)際情況構(gòu)成所需的按鍵。當(dāng)手指觸摸玻璃時(shí)，MC33794輸出信號(hào)大約有02 V的下降，該信號(hào)變化經(jīng)過放大器放大約1V送入S12的AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行檢測(cè)并加以處理。 硬件電路設(shè)計(jì)如圖4-30。(7) 觸摸按鍵軟件設(shè)計(jì) 觸摸按鍵系統(tǒng)的軟件主要由主程序、初始化模塊、觸摸靈敏度模塊、讀電極電壓值

40、模塊、數(shù)字濾波模塊以及按鍵功能子模塊等組成。主程序流程圖見圖4-31。 初始化模塊主要初始化定時(shí)器、A/D轉(zhuǎn)換器等，以及設(shè)置單片機(jī)總線速度。要求AD轉(zhuǎn)換器時(shí)鐘頻率約為1 MHz。通過改變靈敏度參數(shù)調(diào)整所有按鍵的靈敏度，以適應(yīng)不同的玻璃面板。 當(dāng)觸摸控制器不“工作”時(shí)，在軟件上將微控制器設(shè)定為“低功耗喚醒”模式，同時(shí)保持在按鍵按下時(shí)能快速響應(yīng)，這種模式可用于在人接觸時(shí)喚醒產(chǎn)品。圖4-30 MC33794硬件電路設(shè)計(jì)圖4-31 主程序流程圖5. 其它IC WTC6508BSI是一種觸摸感應(yīng)按鍵芯片，該芯片內(nèi)部集成了自主設(shè)計(jì)的8通道電容測(cè)量電路、自校準(zhǔn)電路和RISC處理器，為用戶提供8 個(gè)電容式觸摸感應(yīng)按鍵的人機(jī)界面方案。（1） WTC6508BSI典型應(yīng)用適用于各種廚房設(shè)備，音視頻設(shè)備，空調(diào)器，衛(wèi)浴電器，燈具開關(guān)，安全防衛(wèi)，儀器儀表，便攜式播放器，電子玩具及學(xué)習(xí)機(jī)等產(chǎn)品。（2） WTC6508BSI引腳圖及引腳定義圖4-32 引