四川都睿感控科技有限公司

电话:028-87686694

都睿感控欢迎您!—— 传感器专注中国第一

首页 >> 新闻动态 >>行业资讯 >> 静电电容式触摸传感器的设计和应用
详细内容

静电电容式触摸传感器的设计和应用

 一、传感器的特性

 (1)传感器的静态

 传感器的静态特性与静态输入信号在传感器的输出量和输入量之间存在相关性。此时的输入量和输出量不依赖于时间,因此传感器的静态特性可以用不包含时间变量的代数式或以输入量为横轴,以与其对应的输出量为纵轴绘制的特性曲线来记述。 表示传感器静态特性的主要参数是线性、灵敏度、分辨率、滞后等。

 (2)传感器的动态特性

 动态特性是指传感器输入发生变化时的输出特性。在实际动作中,传感器的动态特性通常作为对标准输入信号的响应来表示。这是因为,通过实验容易求出传感器对标准输入信号的响应,并且,由于传感器对标准输入信号的响应与传感器对任意输入信号的响应之间存在一定的关系,所以前者大多能够推定后者。最一般的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种,传感器的动态特性也用阶跃响应和频率响应来表示。

 (3)传感器的线性度

 传感器的实际静态特性输出通常不是直线,而是曲线。在实际作业中,为了以均匀的刻度读取计量器,大多用近似的直线表示实际的特性曲线,作为其近似程度的性能指标使用直线度(非线性误差)。有几种适合直线的方法。将连接零输入和满刻度输出点理论直线作为拟合直线,或者将与特性曲线上的各点的偏差的平方和最小的理论直线作为拟合直线,将该拟合直线称为最小平方法拟合直线。

 (4)传感器的灵敏度

 灵敏度是指,传感器输出量变化δy相对于稳定动作时的输入量变化δx的比。输出特性曲线的倾斜。传感器的输出与输入之间存在线性关系时,灵敏度s是一定的。除此以外的情况下,根据输入量的变化而变化。灵敏度维度是输出输入量的维度之比。例如,某位移传感器在位移变化1 mm时,输出电压变化为200 mv,其灵敏度应该表示为200 mv/mm。 如果传感器输出、输入量的维度相同,则灵敏度可理解为放大率。 通过提高灵敏度,可获得高测量精度。灵敏度越高,测定范围越窄,稳定性也越差。

 (5)传感器的分辨力

 分辨力是指传感器能够感受到的测量对象的最小变化能力。即,输入量从某零以外值逐渐变化的情况。 输入变化的值未超过某个值时,传感器无法识别传感器的输出发生变化、即其输入量的变化。输入量的变化仅在超过分辨率的情况下输出发生变化。通常,传感器在全光栅尺范围内的各点上分辨率不同,因此将能够以全光栅尺逐步改变输出量的输入量中的最大变化值作为测定分辨率的指标。上述指标,以满量程的百分比表示的话称为分辨率。分辨率和传感器的稳定性存在负相关性。

 2 .触摸式传感器

 触摸传感器多年来被广泛使用。但是,随着最近混合信号可编程设备的发展,静电容量式触摸传感器成为各种家电产品中机械式开关的实用附加价值型替代方案。

 静电电容式传感器典型被覆层的厚度为3 mm以下。随着覆盖层的厚度变厚,用手指触摸的感应变得困难。也就是说,随着覆盖层的厚度的增加,系统的调整过程将从科学向艺术发展。为了说明提高以往技术极限的静电电容式传感器的制造方法,在此将玻璃被覆层的厚度设为10 mm。玻璃简单,无论在哪里都能看到透明的,所以能看到下面的传感器垫。玻璃涂层也可直接适用于白色家电。

 静电电容式触摸传感器系统的核心是与电场相互作用的导电体组。人体皮肤下面的组织中填充了传导性电解质。手指的这个导电性使静电容量式触摸传感器成为可能。

 单纯的平行平板电容器有两个导体,这两个导体之间介入了电介质。这个系统的大部分能源都是直接蓄积在电容器的极板间的。在电容器极板以外的空间中漏泄若干能量,将由这些漏泄能量形成的电场称为边缘场。制作实用的静电电容式传感器的课题之一是设计用于在用户容易接近的有效传感区域引导边场的印刷电路板的导向件。并联板电容器不是这样的传感器图案的理想选择。 

 将手指放在边缘的电场附近,静电容量式传感系统的导电面积就会增加。手指多余的电荷存储容量,即手指的静电容量cf。 这里,用CP表示无手指触摸时的传感器容量,意味着寄生容量。

  关于静电容量式传感器,为了使系统正常动作,大多有必须将手指接地的误解。实际上手指感知是因为手指有电荷,与浮动还是接地无关。

 传感器的PCB布局

 图1显示的是应用了本设计例的静电容量式传感器键的PCB的俯视图。

 

1.png

 图1:PCB顶视图

 该按钮直径为10 mm,相当于一个成年人的指尖的平均尺寸。这个演示电路用组装的PCB,中心有20 mm的4个按钮。如图1所示,接地面也位于最上层。 在金属制的检测垫和接地面之间设置均匀的分离间隙。这个间隙的尺寸是重要的设计参数。间隙过小时,过剩的电场能量直接传递到地面。如果间隙过大,就无法控制能量通过被覆层的方法。使间隙尺寸为0. 您的位置:知道爆料馆>地区>5mm,边缘场10 mm厚玻璃被覆层可以良好地透过。

 同一传感器示意性剖视图如图2所示。

2.png

 

 图2 :传感器PCB和盖的剖视图

 如图所示,PCB上的一个通孔连接金属焊盘和基板底面的印刷电路板。如果电场发现最短的接地路径,介电常数εr会影响材料中引入的电场能量的密度。 标准玻璃窗的εr约为8,PCB的fr 4材料的εr约为4,白色家电常用的耐热玻璃的εr约为5。本设计例采用标准窗玻璃。 另外,PCB上粘贴有玻璃纸,即3 m公司的468 MP绝缘薄膜。

 

静电容量式传感系统101

 该静电电容式感知系统基本构成要素包括可编程的电流源、精密模拟比较器、及用于依次传送静电电容式感知器群的信号的多路复用总线。在本说明书讨论系统中,一个缓和振子作为静电容量传感器发挥功能。该振荡器简略电路图如图3所示。图3 :静电电容式传感器缓和振子电路

3.png

 比较器的输出被送至脉冲宽度调制器( PWM )的时钟输入电路,该PWM使时钟频率24 MHz的16位计数器成为栅极。传感器上面的手指使静电容量增大,计数器值增加。手指的存在是根据这个原理检测出来的。图4示出了该系统的典型波形。

 

4.png

 图4 :静电电容式传感器的缓和振子电路的波形

 该装置的实现原理图如图5所示。

5.png

 图5 :电容传感器电路图

 为了实现静电容量式传感和串行通信,采用了正极cy8c 21 x 34系列psoic芯片。该芯片包含一组模拟功能模块和数字功能模块,该模拟功能模块可以由存储在主板上的闪存中的固件构成。另一个芯片处理RS232的电平偏移,确立与主机的通信链路,实现波特率115、200的电容传感数据记录。4个静电容量传感器的键的针分配如图5的表所示。psoc由包含电源、地线及编程针SCL和sda的issp连接器编程。通过db 9连接器连接计算机和静电容量式传感器基板。

 

调整传感器

 每次调用上述程序的调用函数CSR _1_ start ( )时测量button 1的静电容量。 原始计数值存储在CSR _1_ iassembly result[ ]数组中。 用户模块还跟踪原始计数的基线。各键的基线值是通过软件IIR滤波器周期性计算的平均原始计数值。IIR滤波器刷新速率可编程。 通过基线,也可以应对受温度和其他环境影响的系统漂移。 开关差动阵列CSR _1_ iassembly[ ]包含取消了基线位移原始计数值。 利用开关之差决定键的现在的接通/断开状态。这样,即使基线随着时间的推移有可能发生漂移,系统性能也能保持一定。图6是表示用固件实现的差分计数和键状态的迁移函数的图。 

 

6.png

 图6 :差分计数和关键状态之间的迁移函数

 这个迁移函数中的滞后,即使计数有干扰,也会导致开关状态间的高速迁移。点击按钮,就有反弹功能。低阈值被称为“噪声阈值”,高阈值被称为“指向阈值”。 阈值级别的设定决定了系统的性能。 被覆层非常厚时s/n比低。在这样的系统中设定阈值水平是静电容量式传感的设计方法的一部分,是一项艰难的作业。 

 图7是表示3秒钟按键操作的理想的原计数波形的图。 

 

7.png

 图7 :在除基线外的原始计数图上绘制阈值级别

 噪声阈值为10,手指阈值为60。实际上,在实际计数数据中,噪声成分始终存在,但是未图示是为了明确显示阈值水平。

 另外,选择电流源DAC的电平,对累计振荡周期数进行计数。在固件中,函数CSR _1_ setdaccurrent ( 200,0 )相当于电流源在其低电流范围内为200 (最大255 ),约14μa。 将函数CSR _1_ sets can speed ( 255 )振荡器周期数设定为253 ( 255-2 )。原始计数和差分计数的分析显示,本系统的寄生引线容量CP约为15pf,指容量cf约为0。。. 5 pf。 根据手指的静电容量,总静电容量变化了约3 %。。 每个按钮,取得原计数值所需的时间为500μs。

 

测量性能

 静电容量式传感系统的性能测定结果如图8所示。

 

8.png

 图8 :用10 mm玻璃检测时的传感器性能测定结果

 差动计数由主机PC上终端模拟程序取得,由电子表格软件制作。。 用10 mm厚的玻璃罩按手指3秒钟。 键的开关状态与原来的数目重叠。。 即使由于用厚玻璃检测而在原来的计数信号中产生较大的噪声,键也可以快速切换2个状态。请注意,手指和键的阈值将根据基线的偏移周期性调整。。。 检测到手指的触摸动作时,基线值锁定到手指离开。

 图9及图10表示2个状态迁移的部分详细图。

9.png

 图9 :迁移至「开」状态时局部详图

 

10.png

 图10 :迁移至off状态时局部详图

 在图9中,键首先处于关闭状态。通过超过手指阈值的差分计数的最初采样,将键状态转移到on状态。在图10中,比噪声阈值低差分计数的最初的采样使钥匙处于关闭状态。

 静电电容式触摸传感器与机械式开关相比,长期使用时不易损坏。 随着混合动力信号技术的最近进步,不仅使触摸传感器的成本在各种民用产品中低成本化,而且提高了检测电路的灵敏度和可靠性(由于覆盖层的厚度和耐久性增加)。 在此介绍的设计方法中,能够检测手指对10 mm玻璃的按压,通过基于噪声阈值和指阈值的反跳法高速切换键开关状态,成为代替机械式开关元件的实用方法。


最新评论
请先登录才能进行回复登录

CULTURE MEDIA

Copyright  2014-2025,All rights reserved

网站导航

腾讯qq

新浪微博

腾讯微信

资讯分享

联系我们

四川省成都市高新西区校园路822号

028-87686694

2435226521@qq.com

周一到周五10:00—18:00

霍尔传感器淘宝店二维码

二维码

扫码进入淘宝购买