發布日期：2022-10-09 點擊率：52
摘 要：
本文介紹了電容型位置傳感器的設計開發，通過與傳統位置檢測傳感器以及其它相關傳感器的結構和特性的對比，突出了電容型位置傳感器的優勢——成本低、結構緊湊。在詳細分析了電容型位置傳感器的結構和檢測原理的基礎之上，詳細介紹了如何設計關鍵部件PCB的開孔印制線條以及小球的選擇。同時基于對該技術的擴展，又介紹了可衍生出的連續位置傳感器和加速度傳感器。最后結合電容檢測芯片MLX90711，介紹了其在小家電領域—飛利浦智能電熨斗中的應用實例。
關鍵詞：電容；PCB；位置傳感器
一、前言
本文介紹的電容式位置傳感器是為解決位置檢測而設計開發的。這是一種非常有應用潛力的傳感器，它利用傳統的PCB技術，配合一個小球滾動引起電容變化，再利用電容檢測電路來實現對PCB組件的傾角或加速度的檢測。由于PCB技術很成熟而鋼球很廉價，所以這項技術簡單易行而且有著非常廣闊的應用前景。雖然最初只是為位置傳感器開發，但將該技術拓展后，又可衍生出加速度傳感器。
傳統位置檢測器（傾角傳感器）依賴可運動部件和靜態元件的電接觸（歐姆）來實現位置檢測。通常，這樣的系統要么采用一個導電小球，要么用液態導電介質如水銀做運動部件。前者典型的缺點是小球的臟污、氧化和被腐蝕會影響系統的性能；水銀導電的傳感器則要求特殊的容器，而且水銀屬重金屬既有毒又昂貴還不環保，在全球環保呼聲日益強烈的情勢下必將被淘汰。
當然以前也有些檢測電容變化的位置傳感器。這樣的系統采用某種液體，把它放在球型容器里。球型容器的側壁作為電容極板，這樣里面液體的動蕩就引起側壁電容量的改變。還有一些是利用磁性或感性元件和半導體元件。這些系統都是為檢測特定角度和速度而開發的。但是他們大部分都不適合低成本、緊湊應用的需求，特別是無法和PCB板融為一體。而本文將介紹的電容型位置傳感器由三部分組成——PCB（印制線路板）、小球、電容檢測電路，基本可以解決這些問題。
二、印制線路板的圖形要求
圖1是PCB的頂視圖， 上面開一個通孔，孔的形狀為中間寬兩頭窄，對稱分布，長度寬度尺寸根據系統要求計算得出。孔的邊沿覆有三根印制線條圖形，分別標識為A、B、C，其中 A位于通孔的一邊，另外兩個印制線條B、C相互對應放在另一邊的左右兩側。當PCB組件經歷傾斜或加速時，小球沿著通孔滾動，印制線條AB和AC與小球形成的電容Cab、Cac發生變化。A、B、C采集電容變化信號送到電容檢測器電路。
在這個傳感器里，通孔的中間距離必須稍大，使得金屬小球停在通孔中間時的重心最低。通孔的形狀決定了傳感器傾角為多少時，小球開始運動。
1、對小球的要求
球雖然是導電的，但不要求與PCB的任何端子有歐姆接觸。系統對球的導電要求很低，只是利用它實現電荷的重新分配。由于球的表面不需導電，因此不必擔心它臟污、受潮、氧化、腐蝕。實際上，小球的電阻可以盡可能大，例如 5M 歐姆都不會影響系統的性能，所以，系統對小球的要求很低，既不需要特殊形狀的容器，也不需要其他類型的非PCB組件的結構，只要是圓的就可以滿足要求，例如，我們很容易找到的軸承里的鋼珠。
2、工作原理
如圖1所示，當PCB平放時，小球停在通孔中間。只有當PCB板傾斜到一定角度時，小球才能滾動。這個角度由通孔的形狀和尺寸決定。圖2 是計算傾角的示意圖。球位于中點時，重心最低在P1。隨著球往一端滾動，通孔寬度變窄，所以重心逐漸提高到P2。傾角即是P1與P2的連線和PCB板的夾角。通過調整通孔的長度、中部的寬度或小球的尺寸，可以實現不同的傾角。例如， 11mm 長，孔中部 4.6mm 寬，球的直徑為 5mm 。按照這樣的尺寸，傾角閾值為12.9°。由于所有的尺寸減半仍然能獲得相同的傾角，因此傳感器可以設計成很小的尺寸。回到圖1，當小球在孔道上滾動時，相應的電容Cab、Cac會發生變化。例如當球滾到左端，球和A、C間的距離縮短，AC間的電容Cac會因為距離縮短而變大。
圖3提供了球和印制線條間電容值的計算模型。我們知道，電容值正比于兩極板的面積而反比于兩極板間距。這樣，小球和印制線條在某點形成的電容近似等于球的映射面積Ai除以球表面和印制線條間距離di。總電容Ca，ball近似為ΣAi/di，i覆蓋球和印制線條的所有表面。相應地，球滾到另一邊，即右邊時，球與A和B的距離最小，A與小球間的電容Ca，ball最大，而B與小球間的電容Cb，ball最大。電容Cab為Ca，ball和Cb，ball的串連。這樣，球在右邊時，電容Cac最小，Cab最大。
印制線條被直接連到電容檢測電路，以檢測電容值的變化，從而判別出球的位置。為了更好的理解本文介紹的基于PCB技術的電容型位置傳感器的原理，下面結合方框圖來介紹。
圖4是該傳感器的優選電容檢測電路的方框圖。這個電路包括三個部分：一個連到公共端A的積分器，積分器的輸出連到一個模數轉換器，ADC輸出多位數字信號，經過一個低通數字濾波器輸出一個時序控制電路產生各功能塊所需的時序信號包括給印制線條B和C的信號；一個偏置電路提供各功能塊的電壓偏置信號。
檢測電路比較Cab和Cac電容上的電荷差。如果這兩個電容相同，即在A端子沒有電荷差，表示小球在中間。當球滾動時，電容發生改變，所以在A點會有電荷差。這個差值經過積分、模數轉換、數字濾波后輸出比較結果。當Cab比Cac小時，表示小球在孔左端，反之，表示小球在孔右端。
電容型位置傳感器優選將電容檢測電路裝配在帶孔的PCB上。這樣允許利用傳統的PCB技術構成一個緊湊的設計并且減少所有的寄生電容。
上述傳感器只有3個穩定狀態：兩頭和中間。改變孔和印制線條的形狀，電容傳感器也可以做成任意位置檢測。如圖5，這里，孔是橢圓形，印制線條設計成PCB傾角與Vout線性最好的形狀。由于小球的運動軌跡是一條曲線，小球與印制線條的距離也是連續變化的，在不同點形成的電容Caball、Cbball、Ccball都不同，因此圖4電容檢測電路的輸出OUT也不同，最后OUT就可以表示為傾角的函數。當然，為了能準確計算傾角大小，ADC需要更高的精度，比如8bit或更多。
除了上面所述，這種結構還可以用來做成加速度傳感器。圖6表示了這種加速度傳感器的原理。小球受到兩個力的作用，重力G＝mg，和外力F＝ma，a是加速度，與外力的方向相反。不管G和F合力Σ（F+G）指向垂直線的左還是右，小球都會開始運動。臨界加速度是g＊tg（α），其中g是重力加速度，α是臨界傾角。這樣，小球開始運動的傾角為12.9°，加速度為9.81＊tg（12.9）= 2.26m /s2，如果PCB沿某一個方向的加速度超過 2.26m /s2，那么，小球就會向相反方向運動。另外一個例子，如果PCB固定為45°，只有PCB組件運動的加速度超過重力加速度才能使小球運動。
三、應用實例MLX90711
在小家電領域里經常利用信號感應、位置識別技術。下面舉一個智能電熨斗中的應用實例。
智能電熨斗基于對電熨斗運行狀況的識別來進行節電保護。例如飛利浦的一款電熨斗GC1530，它可以識別電熨斗平放豎放還是運動中。主人在熨衣服的過程中，如果碰巧被其他事情打斷，當電熨斗平放持續時間超過30s，系統就會自動停止加熱，從而避免燙壞衣服或者引起火災。當豎直放置時間超過8min時，這時認為主人停止使用，也會停止加熱從而節電。
在這種應用里，本文所述的位置傳感器技術就發揮作用了，圖8是飛利浦電熨斗GC1530中的控制板，小球放置在一個彎曲的通孔上，右邊就是位置檢測電路。再配一個外殼就成了一個傳感器。當電熨斗（PCB組件）水平放置時，小球位于通孔的中間，兩個由小球和印制線條組成的電容最小；豎放時，小球到左端，左邊電容最大；電熨斗熨衣服時，小球往復運動，兩個電容交替變大變小。從這個應用中，我們可以切實體會到這種傳感器的簡單實用。
四、結論
現在，隨著相關信號處理器的性能、可靠性不斷提高，電容檢測電路已經非常成熟。目前因其價格低廉、技術性能穩定而受到很多知名品牌和專業人士的歡迎，正被廣泛的應用到各種自動化控制裝置中。
參考文獻：
[1] MELEXIS Co.Ltd.MLX90711 datasheet[Z]
[2] De Winter, Rudi （Heusden-Zolder,BE），Diels, Roger （Erps-Kwerps, BE）.電容型傾斜或加速度傳感器[P].美國專利: US5627316, 1997-5-6 .
作者簡介：
李建，上海交通大學微電子學院研究生，百利通電子上海有限公司現場應用工程經理。主要從事光纖通信產品的研發、 始集成電路設計及產品可行性研究技術規范制定。
下一篇： PLC、DCS、FCS三大控
上一篇： 無源無線SAW傳感器及
