[2]J. van Drecht, G. C. M. Meijer, and P. C. de Jong, “Concepts for the design of smart sensors and smart signal processors and their application to PSD displacement transducers,” Digesr of Technical Papers, Transducers ’91.
[3]W. C. Heerens, “Application of capacitance techniques in sensor design,” Phys. E: Sci. Insfrum., vol. 19, pp. 897-906, 1986.
[4]K. Martin, ‘‘A voltage-controlled switched-capacitor relaxation oscillator,” IEEEJ., vol. SC-16, pp. 412-413, 1981.
一种低成本智能式电容位置传感器
摘要
本文描述了一种新的高性能，低成本电容位置测量系统。通过使用高线性振荡器，屏蔽和三信号通道，大部分误差被消除。其精确度在1毫米范围内达1微米。由于振荡器的输出可直接连接到微控制器，所以无需用A/D转换器。
Ⅰ.导言
本文介绍了一种新型高性能，低成本的电容位移测量系统，特点如下： ? 1毫米测量范围 ? 1微米精确度 ? 0.1 s总测量时间
对应到电容域，规格相当于：
? 1皮法的变化范围；只有这个范围的50fF（fF是法拉乘以10的负15次方。f
是femto的缩写）用于位移传感器。 ? 50aF绝对电容测量误差。
梅耶尔和施里尔[1]以及最近的范德雷赫特河，梅耶尔，和德容[2]提出了位移
测量系统，采用一个PSD（位置敏感探测器）作为传感元件。和本文描述的电容传感器元件相比，使用PSD的缺点是，PSD和LED（发光二极管）有更高的成本和功率消耗。
使用[2]中所提概念的信号处理器，被采用到电容元件的使用中。通过广泛使用屏蔽，智能A / D转换，该系统能够将高精确度和低成本结合。换能器产生可以选择和直接由微控制器读出的三段调制信号。微控制器，相应的，计算位移及发送此值到主机电脑（图1）或显示或驱动执行器。
上位机 电子电路 Cx?C 演示 执行器 Cref图1 该系统的框图
屏蔽 金属 屏蔽 电极
图2 电极结构的尺寸和透视图
Ⅱ.电极结构
基本传感元件包含电容为Cx的两个简单电极(图2）。较小的一个（E2）是由屏蔽电极包围。由于使用屏蔽电极，两电极间的电容Cx可平行于电极表面独立运动（横向平移以及旋转）。寄生电容Cp的影响可被消除，将在第3节讨论。
据Heerens [3]，由有限屏蔽电极大小造成的两个电极之间电容Cx的相对偏差小于：
δ (1) 其中x是屏蔽的宽度，d是电极之间的距离。这种偏差引入了非线性。因此，我们规定δ小于100ppm。此外小电极和周围屏蔽之间的间距产生一个偏差： δ (2) S是间距的宽度。当间距宽度小于电极之间距离的1/3时，这偏差和（1）相比是微不足道的。 另一个误差的原因可能源自两个电极之间的有限倾斜角α（图3）。假设符合下列条件： ? 小电极和屏蔽电极上的电势等于0V ? 大型电极电势等于V伏 ? 屏蔽电极足够大 可以看出，电场将同心。 ? d l/2 l/2 图3 倾斜角度α的电极 为了使计算简单，我们将假设电极在一个方向无限大。问题就成为一个二维问题，可以用极坐标（Υ，φ）方法解决。在这种情况下，电场可以表述为： ?Vsin??????r? (3) E??Vcos???????r??为了计算小电极的损耗，我们设定φ为0，整定Υ： Q??0?BrBlVdr (4) ?rBl是小电极的左侧边界： Bl?Br是右边界： Br?求解（4）结果： Q?V对小α的近似： dl? (6) tan?2dl? (5) tan?2?0?2dcos??lsin??ln?? (7) a?2dcos??lsin??4d2?l22??1??? C?2?? (8) d?12d??0l? 选择比d小的l似乎是可行的，因此该误差将只决定于角度α。在这种情况下，0.6°的角度变化，将产生小于100 ppm的误差。 对参数εo和l是常数的设计，两个电极之间的电容将仅仅取决于电极之间的距离d。 Ⅲ.寄生电容的消除 除了理想传感器电容Cx，在实际结构中还有许多寄生电容（图2）。这些电容可以建模，如图4所示。这里Cpl代表电极El的寄生电容，Cp2是从电极E2到屏蔽电极和屏蔽层的。寄生电容Cp3造成不完善屏蔽，形成一个偏移电容。当传感器电容Cx连接到AC电压源，通过电极的电流可测，Cpl和Cp2，将被消除。Cp3可通过偏移测量消除。 图4 消除寄生电容 电流通过并联反馈放大器测量，它具有非常低的输入阻抗。要获取所需的线性度，放大器的单位增益带宽fT必须符合下列条件： fT??T12CfCf?Cp2 (9) T是在此期间的输入信号。 由于Cp2包括电缆电容和运算放大器的输入电容，它很可能大于Cf而不可忽略。
电容触摸屏控制设计外文文献及中文翻译
