開(kāi)電場(chǎng)(E-Field)傳感技術(shù)的面紗

　　當法拉第(Michael Faraday)引入電場(chǎng)的概念時(shí)，他遠沒(méi)有意識到這個(gè)概念會(huì )對科學(xué)產(chǎn)生多大的推動(dòng)作用?，F在，工程師使用電場(chǎng)來(lái)感應其它物體的存在，而不需要實(shí)際的接觸。目前，我們所說(shuō)的電場(chǎng)傳感器或電容傳感器正在變得日益普及，用于各種低成本的長(cháng)期應用。當您更加詳細地了解他們的工作原理時(shí)，您就會(huì )很快明白，它們的普及程度為什么在不斷提高。

　　電容傳感器的原理

　　當外界物理條件發(fā)生變化時(shí)，電容傳感器也會(huì )產(chǎn)生電容變化。某些電容傳感器通過(guò)生成電場(chǎng)和測量電場(chǎng)的衰減來(lái)測量變化。電容傳感器與電感傳感器有所不同，后者只能檢測金屬物體，而電容傳感器則能檢測傳感器電極周?chē)娜魏挝矬w，無(wú)論是導體，還是各種絕緣體。巧合的是，人體正好就是電場(chǎng)成像的很好對象，因為人體中的大部分物質(zhì)都是水，介電常數很高，還包含了離子物質(zhì)，這些物質(zhì)使人體成為很好的電導體。

　　傳感器集成電路(IC)中的震蕩器電路，如飛思卡爾MC34940電場(chǎng)成像設備，可以生成高純度的低頻5V正弦波，并可由外部39KW負荷電阻調節。該交流信號傳輸到多路復用器，并由多路復用器將信號定向到選定電極(MC34940支持7個(gè)電極)或參考針腳，或定向到內部測量節點(diǎn)。集成電路可自動(dòng)將未選節點(diǎn)與電路地連接，作為生成電場(chǎng)電流所需的回傳路徑。

　　當物體—例如介電常數很高的人體的手指—近金屬電極時(shí)，就會(huì )形成一個(gè)電流路徑(electric path)，電場(chǎng)電流就會(huì )發(fā)生變化。傳感器可以測量所生成的電場(chǎng)的交流電阻，并將測量值轉化為直流輸出電壓。然后，外部微控制器就可以處理這種信息，以執行任何功能，例如與觸摸控制板相關(guān)的功能。電容接觸感應因其具有更高的可靠性(沒(méi)有移動(dòng)部件)、更大的設計自由度、更時(shí)尚的外觀(guān)，而倍受設計人員的青睞。



　　與其它方法(例如測量RC震蕩器的周期或頻率)相比，電容傳感器測量交流電阻的方法可以提供更加準確的讀數。另外，它可以通過(guò)生成純粹的正弦波，而不是方波，因此信號干擾就不會(huì )成為問(wèn)題。

　　電容傳感器的實(shí)際應用

　　在各種工業(yè)和消費產(chǎn)品中，我們都可以找到電容傳感器的身影：PC外圍設備、醫療病人監控器、冰箱除霜傳感器、銷(xiāo)售點(diǎn)終端、車(chē)庫大門(mén)安全傳感器。最常用的易于了解的應用是觸摸屏和觸控面板解決方案。不太明顯但同樣非常適合電容傳感器的應用是液面感應。

　　觸控面板—觸控面板電場(chǎng)感應的基本原理在上面的圖3已經(jīng)概要說(shuō)明。在開(kāi)發(fā)觸控面板解決方案時(shí)，要考慮三個(gè)重要問(wèn)題：

　　* 觸控面板的電極設計和布局

　　* 觸控面板表面的不同絕緣材料

　　* 不同環(huán)境條件對電場(chǎng)測量的影響。

　　上述三個(gè)考慮因素之間的關(guān)系如下列方程所示。

　　電極大小和間隔之間的關(guān)系會(huì )影響電極在第三個(gè)方向上傳感物體的能力(圖3 )。更大的電極有更大的范圍和傳感度，但更容易受到周?chē)h(huán)境中的干擾、電子噪音和雜散電場(chǎng)路徑的影響。同樣，電極之間的空間更大，就會(huì )產(chǎn)生更大的電場(chǎng)，但會(huì )減弱信號。對于觸控面板應用來(lái)說(shuō)，觸控板只需適合指尖就行，限制了電極的尺寸以及電極之間的間隔。

　　在觸摸板表面使用的絕緣材料的有效性取決于其厚度和介電常數。一般來(lái)說(shuō)，觸控面板上的絕緣體應該盡可能薄，介電常數要盡可能高。但是，厚板的介電常數可能會(huì )增加，因為它被壓縮了，這就意味著(zhù)氯丁橡膠等物質(zhì)可以提供高出預期的傳感靈敏性。

　　在設計觸控面板應用時(shí)，您還必須考慮環(huán)境的影響。指尖上的油不可能產(chǎn)生很大的影響，而水卻會(huì )影響觸摸板，可能是由于水的介電常數較高，產(chǎn)生從手指到其它電極的更大電流路徑。將觸控面板之間隔開(kāi)更大距離，可以減少這種影響，另外還可以設計一些應用，不讓水聚集在接觸板上，這也會(huì )有所幫助，特別是對戶(hù)外應用。

　　隨著(zhù)觸控面板顯示屏的老化，溫度和濕度可能逐漸降低電容器性能。您也可以設計電容傳感器來(lái)彌補該缺陷。例如，飛思卡爾的MC33794電場(chǎng)傳感器依賴(lài)于兩個(gè)參考輸入，一個(gè)連接到接近最大電容的電容器，而另外一個(gè)連接到接近最小電容的電容器。這些參考電容可用于糾正環(huán)境導致的電極測量錯誤，或糾正其它與組件相關(guān)的變化。

　　液面感應—以一個(gè)簡(jiǎn)單設計為例，它使用電場(chǎng)感應來(lái)測量液面，在水容量中放置垂直的電極條，從而在水容器的墻壁之間形成垂直電容器?？杖萜餍纬闪艘粋€(gè)電容器。當您注入水時(shí)，就將電容器一分為二：一個(gè)充滿(mǎn)了空氣(介電常數為1)，而另一個(gè)充滿(mǎn)了水(介電常數為80)。使用一種簡(jiǎn)單算法，您可以確定液體的高度。但遺憾的是，在洗衣機等應用中，這種系統無(wú)法補償不同的介電屬性，因為在注入清潔劑時(shí)，灰塵和其它雜物都開(kāi)始出現。

　　更先進(jìn)的電容系統使用傾斜電極，這種方案采用兩塊厚度變化的電容板，相互重疊。隨著(zhù)液位升高，電極的不同面積將會(huì )接觸到水。您就可在它們中間提取一個(gè)唯一比率。這個(gè)比率與液面直接相關(guān)，而觸水面積的絕對值就可以提供介電數據信息，您可以使用該信息，估計水中的肥皂和臟物含量。

　　物體遠近感應—

　　電場(chǎng)感應的第三個(gè)常見(jiàn)用途是檢測物體遠近。電容器模型方程(圖2)表明，電容與兩塊電容板之間的距離成反比。在普通應用中，將一個(gè)導電電極板作為一塊電容板，并將想測量的物體作為另一塊電容板。

　　由于距離和電容之間的關(guān)系是漸近的，所以這種傳感器更適合需要近距離內的高分辨率的應用。在一般室內環(huán)境中，飛思卡爾的MC34940使用1平方英尺的板作為電極，能夠在12英寸的距離內檢測到手的存在?？梢圆捎眠@種技術(shù)的典型應用包括門(mén)禁控制、安全和喚醒解決方案。

　　多個(gè)電極和屏蔽驅動(dòng)技術(shù)

　　電場(chǎng)傳感器，如飛思卡爾的MC33794和MC34940能夠支持多個(gè)電極，提供一個(gè)平臺，通過(guò)一顆芯片控制幾個(gè)應用，即使這些應用非常分散。由于電極信號通過(guò)電線(xiàn)或同軸電纜，將電極信號傳輸到傳感器集成電路，但是，外部干擾會(huì )減弱這些信號。為了減少這種干擾，飛思卡爾在組件的每個(gè)部分安裝了屏蔽驅動(dòng)。

　　屏蔽驅動(dòng)電路為電極的返回交流信號提供了一個(gè)緩沖版本，因為它與電極信號具有幾乎相同的振幅和相位，并且在兩個(gè)信號之間幾乎沒(méi)有差別，所以消除了電場(chǎng)。實(shí)際上屏蔽驅動(dòng)隔絕了電極信號與外部虛擬場(chǎng)，導致對遠程電極的測量好象在IC附近的測量一樣準確(圖5 )。常見(jiàn)的應用是將屏蔽驅動(dòng)與共軸電纜屏蔽相連，此電纜用于將電極與相應的電極終端連接。

　　屏蔽驅動(dòng)技術(shù)的另一種常見(jiàn)應用是驅動(dòng)一個(gè)陣列觸摸傳感器電極之后的磁場(chǎng)板，從而消除會(huì )減弱交流信號的虛擬場(chǎng)(圖6頁(yè))。屏蔽驅動(dòng)限制了信號在干涉場(chǎng)的丟失，從而確保潛在的強大電場(chǎng)。在觸控面板中，這增加了觸控面板的敏感度。

　　借助屏蔽驅動(dòng)技術(shù)，開(kāi)發(fā)者可以實(shí)現多功能性。它可以使用最少數量的電場(chǎng)傳感器集成電路(MC33794支持9個(gè)電極，而MC34940支持7個(gè)電極)來(lái)驅動(dòng)各種不同的應用。此外，它還可用于設計較大的單獨電極陣列來(lái)執行相同的功能。例如智能地板可以感應住戶(hù)，甚至追蹤他們的動(dòng)作?？蓪㈦妶?chǎng)感應與無(wú)線(xiàn)協(xié)議(如ZigBee技術(shù))相結合，將控制應用的范圍擴展到局域網(wǎng)，帶來(lái)無(wú)窮無(wú)盡的應用機會(huì )：安全、照明、集成娛樂(lè )系統控制和接近檢測等，充分利用電場(chǎng)傳感技術(shù)的便利性和成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。