2023年電容觸摸屏控制設(shè)計外文文獻(xiàn)及中文翻譯

ALow－Ｃost,SmａrtCａpacｉtiｖePositioｎSensoｒＡbstractAnewhigh-perｆｏrmance,low-cosｔ,ｃapａcitivepｏsitioｎ－meａsuringｓysteｍisdｅscｒｉbeｄ．Byusinｇａｈiｇｈlylinearoscｉllatoｒ,shieｌdingａndａt(yī)hree-sｉgnａlapｐroach,mosｔｏｆthｅerrorsａreｅｌｉminaｔed.Ｔhｅaｃcｕracｙamoｕntｓto1μｍovｅｒa1mmranｇe.Sincｅtheouｔpｕtoftheosｃｉllａt(yī)orｃandiｒeｃtlｙbecｏnnｅcteｄｔｏamicrｏcｏｎtrｏller,anA/Dcｏnvｅｒｔerｉsnｏtｎeｅded.I．INTRＯDＵCTIOＮThispapｅrdescribesanovelhiｇh－ｐerformａncｅ，low-cost,cａpａcｉtivedisplaceｍｅntmｅasuｒingsｙｓtemfeａｔuriｎg:1ｍｍmeaｓuringｒange,1μmａｃcuracｙ,0.１stotalｍeasｕringtｉme．Translatedtｏｔｈecaｐacitｉvｅdomain,thespeｃificatioｎｓｃｏrresｐonｄtｏ:ａpossibleranｇｅof1ｐF;onlｙ５0fFoｆtｈisrangeiｓusedforｔhediｓｐｌａｃementtｒａnsｄucｅr;50aFabsoluｔeｃaｐacitaｎｃe-measｕringiｎaｃｃuracy.MeｉjeranｄＳchｒier[l]andmoｒｅreｃｅntlyVanＤrechｔ,Meiｊer,anｄDｅJong[2]haｖeｐｒoposedadiｓplacｅment－measurｉｎgsystｅm,usingaPSD(ＰositioｎSenｓiｔiveDｅteｃｔｏｒ)aｓｓensiｎgeｌement.SｏmedｉsadvaｎtaｇesofusingaPＳDaｒeｔhehｉｇｈｅｒcosｔｓaｎｄｔhehｉｇherpｏweｒｃoｎsumptiｏｎofｔhｅPＳＤaｎｄLＥD（Light－ＥmittiｎgDｉｏde)asｃomｐareｄtotｈecａpaｃｉｔｉvesｅnsoreｌementsdescrｉｂediｎthiｓpaper.Theｓignalｐrｏcessｏrｕsｅｓｔhｅcｏnceptｓpresentedin[2］,ｂｕtisadｏptedｆｏｒtｈeuｓeｏfｃapａcｉｔｉveeleｍenｔs.Bythｅexｔｅnsiveuseｏfshiｅｌｄinｇ,guardingandsｍａrtA／Dcｏnversiｏn,tｈesｙstｅmiｓａｂletocombiｎeahｉghacｃuracywithaverylowｃｏsｔ-priｃe.Ｔhｅｔｒansducerprodｕcｅsthreｅ－ｐｅrｉod－moduｌａt(yī)eｄsigｎalswhichcanbｅsｅlectｅdandｄirectｌｙｒeadｏutbyamiｃｒｏcｏntrollｅｒ．Themicrｏcontroｌler,inreturｎ,ｃalculaｔesthｅｄispｌａｃemｅntandcansenｄthisｖａluｅtoahostcomputer（Fig.1)ｏrａdｉsｐlａyordrｉｖeanaｃｔuaｔor.ElectronicCircuitElectronicCircuitPersonalComputer ActuatorDisplayＦig．1.BｌｏｃｋdｉaｇramoftｈesｙｓtemFig.2.PerｓpectivｅaｎｄdiｍenｓionｓoftheｅｌectｒodestructｕreⅡ.THEEＬECTRODEＳTRUCＴURＥＴheｂasｉcsensｉnｇeleｍｅntconsisｔsoｆtwosiｍpleelｅctrodｅswithｃaｐacitanceＣｘ,(Fig.２).Thesmallerｏne(E2)iｓｓurrounｄｅdbyaｇuarｄｅlectrode.Thaｎｋsｔｏtheuseofthegｕａrdelecｔroｄe，theｃapａcitanceCｘｂetweｅntｈeｔwoｅlｅctrodｅsｉsindepeｎdeｎtoｆmovements(latｅraldisplacementｓaｓｗellａsrotaｔｉｏnｓ)paraｌlｅlｔotheelectrodesｕrｆａｃe.TheｉnflｕenceｏfthｅpaｒａｓｉticｃapacitancesCpwillｂeｅlｉmiｎatedasｗｉllbeｄiscuｓｓedｉnSectionⅢ.AｃcorｄinｇtoHeeｒeｎｓ[3]，theｒelativeｄeｖｉａｔｉonｉｎthecaｐａｃiｔanceCxbetweeｎtｈetwｏeleｃｔrodeｓcausedbyｔｈeｆiniｔegｕardｅlectrｏｄesizeｉssmallertｈan:δ<e－π（ｘ／ｄ)(1)whｅrexｉsｔhｅwｉｄthofthｅgｕaｒdandｄthedisｔanｃｅbｅtｗeeｎtheｅlectrodes.Ｔhisdｅviatiｏｎinｔroduｃｅsanonlinｅarity.Tｈerｅfｏreｗｅｒeqｕirｅthaｔδｉｓleｓsthaｎ1０0pｐｍ．Alsoｔhegapｂｅｔweenthesmallｅlecｔrodeandthｅsｕrrouｎdingｇuardcａusesａdeｖiａｔion:δ<e-π(d/ｓ)(2)withsthewｉdｔhofｔｈeｇaｐ.Thisdeｖiatioｎisnegligiｂlｅcｏmparｅdto(l),wheｎｔｈegａpwidthｉｓlｅsｓｔhan1／３oｆtｈeｄistanｃｅbetweeｎｔｈeeｌeｃtrodes．Anｏｔｈercauseｏferrｏrsorｉｇinatesfromapoｓｓiblefｉｎitesｋewａngleαbetweｅnthｅｔwｏelectrｏdeｓ(Fig．3).Assumingtheｆolｌowingconｄｉtｉons:tｈｅpotenｔialsoｎｔheｓmａllelecｔrodeanｄtｈｅguaｒdelectrｏdｅareeｑualｔｏ0V,ｔheｐotentialoｎthelａrgｅelecｔrodｅiseｑｕaltoVｖoｌt，ｔhegｕaｒdeleｃtｒｏdeislargeeｎough，ｉtcａｎｂeseｅnｔhａt(yī)theｅlｅctriｃfｉeldwilｌbecｏｎｃｅntric.ddl/2l/2Fig.3.Ｅｌｅctrodeswｉthａnglｅα．Ｔokeeptｈeｃaｌcuｌationｓsiｍple，wewiｌｌasｓｕmetheeleｃtroｄｅｓtobｅinfｉnitelyｌargｅinｏnedirection.Noｗthｅｐrｏｂｌｅｍisaｔwo-ｄiｍenｓionaloｎethatcaｎbｅｓoｌvedbｙusingpolar-coordｉnａｔes（r,φ).Intｈiｓｃａsetheelectriｃａlｆiｅｌdｃaｎbedescｒｉbedbｙ:（３)Ｔocaｌｃｕlateｔｈechaｒgeonthesmａllｅｌeｃtｒode,weseｔφｔｏ０andｉntegraｔeoverr:(4)wｉｔhＢlthｅｌeftｂｏrdｅrofthｅsmallelｅcｔroｄe:(5)ａndＢrtｈerighｔborder:（6)Solvｉng（4)resultｓiｎ：(7)Forsmallα'ｓthｉsｃanｂeaｐproｘimatｅｄby:(8)Iｔappｅarstoｂｅdｅsirableｔｏcｈooselsmaｌlｅｒthand,soｔｈeeｒrorwilldependonlｙonｔheaｎｇleα．Inoｕrｃase，ａchａｎgeiｎtheａngｌeoｆ0.6°ｗiｌｌｃauｓeａnerｒorlessthan１00ppm.Wｉthapropeｒdｅsｉgntｈepａrａmetｅｒsεoａndlareconstaｎｔ,aｎdtｈentheｃapaciｔancｅbｅtweenｔheｔwoelｅctrodeｓwiｌldepｅnｄoｎlyonthedistａncedbｅtｗeentheeleｃｔｒｏｄeｓ.Ⅲ.ＥＬIMINATIＯNＯFPARASITICCＡPACITANCESＢesidesthｅｄesiｒedsｅnsoｒcapacitaｎcｅC,thereaｒｅalsomaｎyparasitｉccaｐacitanceｓiｎthｅactualｓtrｕcｔurｅ(Fig.2）．ThesｅｃapａciｔaｎceｓcａnbeｍoｄｅlｅdａsshｏwninFｉg.4.ＨereCｐｌreｐrｅsentsｔhepaｒasiticcaｐaｃｉtancｅｓfｒｏｍtｈeeｌeｃtrｏｄｅE1aｎdCp２frｏｍｔheelectrｏｄeE2ｔotheｇuarｄelectrodesａｎdtheshielｄing．ＰａｒasiticcａｐａcitａnｃeＣp3reｓｕｌtsfｒｏmimｐｅrｆeｃtshielｄinｇanｄｆormsaｎoｆfsｅtｃａpacｉtanｃe.WhｅntheｔｒａnｓducercａpacitanceＣｘiｓｃoｎｎｅcteｄtoaｎA(yù)Cvoｌｔagesｏurceandtｈecurｒentthroughtheelectrｏdｅｉsmeasured,CｐlaｎdCp２ｗillｂeelimiｎaｔed.Cｐ3canｂeｅｌimｉnatedｂyｐeｒformingａｎoffsｅtｍｅasurｅmenｔ.Fｉg.４.EliｍｉnationofｐarasitiｃcapａｃitanｃesThｅcuｒrentismeaｓuredbytheamplifｉｅrwitｈsｈuntfｅｅdback,ｗｈｉcｈhaｓaverｙlowinpｕｔimｐeｄaｎce．Tooｂｔａiｎtherequireｄｌｉneａｒitｙ,theunｉty-gainｂａndｗidtｈｆＴoftｈeaｍpliｆｉｅrhastｏsaｔisfytｈefollｏwiｎgconｄｉｔion:(9)ｗheｒeTisthｅｐerｉodoｆｔｈeｉｎputsigｎal．ＳｉｎceCｐ２coｎsisｔｓofcaｂlｅcaｐacitanｃｅsandtheinｐutcａpaｃitａnceofｔhｅopamp,ｉtmayｉnｄeeｄbelargerthａｎCfandcannotbeneglectｅd．IＶ．THEＣＯNCEPTOFTＨESYSＴEMThｅsystemusｅsｔhethree-signalcｏｎceptｐresentedin［2],ｗhichｉsbａｓｅｄontheｆolloｗinｇprinｃiples.WhenwｅmｅasureaｃapａcitorCxwitｈalｉｎｅarｓyｓtem,weｏbtａinavａluｅ:（10）ｗｈeremiｓtｈeｕnknoｗngaｉｎandＭofｆ,ｔheuｎknｏｗnoｆfｓｅt.ByｐｅrｆoｒｍｉngthｅmｅasuｒeｍentofarefereｎcequantityＣｒeｆ，inanidenticaｌwayandbymｅasuringtheoｆfsｅt，Mｏｆｆ,bymakｉngm=０，thepａrａmｅterｓmａndＭoｆfａｒeeliminated.ThefinａlmeaｓureｍentresulｔPiｓdefineｄａｓ:(11)Inｏurcaｓe,forｔhesｅｎsｏrcapaｃiｔanceＣ，iｔhｏldsthａt(yī):（1２)whereAｘｉstheareaoｆｔhｅeｌectrode,dｏisthｅiniｔｉaldisｔanｃebeｔwｅentheｍ，εiｓthedｉeleｃｔriｃｃｏnｓtａntaｎd△dｉｓｔhediｓplａcemeｎttobｅmｅasured.Forｔhereｆerencｅelｅcｔｒｏｄesiｔhｏｌdsｔｈat:(13)ｗｉthArｅfthｅareａaｎdｄreｆthedｉsｔａｎcｅ.Subｓtitｕｔionof(12)aｎd（13)iｎto(10)andｔheninｔo(1１)ｙieldｓ:(1４）Hｅrｅ,Pisavalｕerｅｐresentingthｅｐｏsitiｏnwhiｌeａ1anda０ａｒeuｎｋnown,ｂuｔｓtabｌecoｎstants.Ｔhecoｎstａnta１＝Aｒｅｆ／Axiｓaｓtabｌeconstantpｒoviｄedtｈereisａｇoｏdmｅchanicａｌmａt(yī)ｃｈｉnｇbetｗeentheelｅctrｏdｅarｅas．Theｃｏnsｔaｎtａo＝(Arefd0/(Ａｘｄrｅｆ)willalsobeasｔａbleｃｏnｓtantproｖｉdｅｄｔhatdoanｄdreｆａｒeconstanｔ.Ｔheseconｓtaｎtscanbeｄeｔerｍinedbｙaonｅ-tｉｍecａliｂｒａt(yī)ion．Inmanyａpｐliｃａt(yī)ionsthiscalibｒationcanbeomｉttｅd;whｅｎtheｄｉsplacemｅntseｎsｏrisparｔｏfａlargerｓystem,anoveraｌlcａlibratiｏnisreqｕireｄaｎｙway.Tｈisoveｒallｃalibraｔioneliｍinatestｈeｒequiremｅntforasepaｒａt(yī)ｅdｅtｅrmiｎatiｏnofａ１ａnda0.V.TＨECＡPＡCITＡＮCE-ＴO(shè)-PERIＯDCONＶERＳIＯNThesigｎａlswhｉｃhaｒepropｏrｔioｎaltothecapacitｏrvａｌuesaｒeconvｅrtedinｔoａpｅrｉｏｄ，uｓｉｎｇamoｄifiｅdMartｉnｏsciｌlａt(yī)or[４](Ｆig．5j.Wｈenthｅvoltageswingａcrｏssthecaｐaciｔorisequaltotｈａt(yī)acrosstheresiｓｔoｒandtｈｅＮANDgatesaｒeswitchｅdofｆ,thisｏｓcillａt(yī)ｏrhasapeｒｉｏdTofｆ:Tｏff=4ＲＣoｆf．(１5)Sinｃetｈｅvalｕeoｆtheresiｓｔｏｒiｓkeptconsｔant,ｔｈeｐｅriodvariｅsonlｙwiththecaｐａcｉtorvalue.Now,byswitchingonｔheｒightＮANDporｔ,thｅcapａciｔａｎceCXcaｎbｅcoｎnｅctｅdiｎpａralleｌtoCoff．Ｔhentheｐｅｒｉｏｄbecomeｓ:Tx=4R(Ｃoff+Cx)=４RCx+Ｔoff(16)TheconsｔａntsＲandTｏffaｒeeliｍinaｔedｉｎthｅwaydeｓcriｂedｉnSectionIV．In[２]itiｓshｏwnｔhatthesystemｉsｉmｍuneformostｏｆthenoｎidealitiesｏｆtｈeoｐaｍpａndｔhecomｐaｒator,ｌikeslewinｇ,ｌimitationsofbandwiｄthaｎdgain,offsｅtvｏｌtaｇes，aｎdinpｕtbiascｕrrents．Thesenonideａｌiｔiesoｎlｙcaｕseａdｄitiveormｕltｉｐliｃativeeｒrorswhｉｃhaｒeeｌiminaｔedbｙｔｈeｔhree-siｇｎalapprｏaｃh.VI.PＥRIＯＤMEＡＳＵREMENTＷITＨAMIＣＲOCONＴROLLEＲPeｒfｏrminｇperioｄmｅasuｒementwｉthａmicrocｏｎｔrollerisanｅasytasｋ.Ｉnourcａｓe，anIＮＴEL87C５1FAｉsuｓed,wｈichhas8kBytｅROＭ,２５6ByteRAＭ,anｄUAＲＴforseｒialcomｍuniｃaｔiｏn,andthecapaｂｉｌitｙtｏmｅａsurｅperiodｓwiｔha333nsresoluｔiｏｎ．Ｅvｅntｈoughtheｃountersare１6ｂwiｄｅ,ｔｈeｙcanｅasiｌybｅexteｎdedinthesoftwareｔo24ｂorｍｏｒｅ.Ｔheｐeｒiodmｅaｓureｍenttaｋeｓplaceｍｏｓtlｙinthｅhardｗarｅoｆtｈｅｍicｒｏｃontｒoｌler．Ｔherefoｒe，iｔisposｓiｂｌetolｅttheＣPUofｔhｅmicroｃontrｏｌlerperformotｈertasksaｔｔheｓamｅtiｍe(Fig.6).Ｆoriｎｓtaｎce，simuｌtaneouｓlyｗiththｅmｅａsuｒemeｎtｏfpｅrｉodTx，periｏdTｒｅｆanｄperiodTｏｆf,ｔｈereｌativecapaciｔancｅwｉthreｓpｅｃttoCrｅfiｓcａlcｕlatｅdacｃordｉngto(11),andtheresulｔistrａnsfeｒredthrougｈtheＵAＲTtoａpｅrsonalcｏmputer.Ｆig.5.ModifieｄＭartｉｎosｃｉlｌaｔｏｒwithmicrｏcoｎtroｌlerａndeleｃtrodｅs．Fig.6.Ｐeriodmeasurｅmentasｂａｃkgrounｄｐrｏcｅｓs.Fig.7．Ｐoｓｉｔionerrｏrasｆｕnｃtiｏnofthepｏsitioｎaｎdｅsｔiｍaｔeｏfthenonlinearitｙ.VIＩ.EXＰＥRIＭENTAＬRESＵLTSTｈesensｏｒisnoｔsensitiｖｅtofabｒicaｔiｏｎtｏleraｎcesoftheｅlectｒoｄes.Tｈｅrｅfｏreinourexｐｅrimｅntａｌsｅtupwｅｕsedsimpｌeprintｅｄcｉrｃｕitbｏａrｄｔeｃhｎｏlｏgyｔofaｂriｃateｔheelｅctｒｏdｅｓ,wｈｉcｈhａｖeaｎeｆfｅｃｔiveａｒeaｏf1２mm×12mm.Ｔｈeguarｄｅleｃtrodeｈａｓａwidtｈof1５mm,whilethedｉsｔancebetwｅentheeleｃtrodｅsisａbout５mm.Whｅnthedistancebeｔwｅeｎtheelectroｄesｉsvarｉedoveｒa1mmrange,thｅcａpacｉｔancechangesfrom0．２5ｐFｔo０.3pF.Thanksｔｏthｅchoｓｅnconcｅpt,evｅnasimｐledｕalopａmp（TLＣ272AC）andCMOSＮANＤ’scoｕldbeｕsed,aｌlowingasingｌｅ5Ｖsupｐlｙｖoltaｇe.Ｔｈｅtotａlmeasｕrementtｉmeamouｎtsｔoｏnｌy１00ms,wｈｅrethｅoscillatorｗａsruｎｎingaｔaｂoｕt１0kHｚ.Thesystemwastｅｓteｄinafｕｌlｙautoｍatedｓetup，usiｎganelｅctrｉcalXYｔable,thｅdescｒｉbｅdsｅnsoｒａndapersonaｌcomputer．Ｔoａcｈieｖｅｔherｅｑuiredmeasｕrementacｃuracythesｅtｕpwasautozｅroedｅveryminute．Inｔhｉｓwａytheｎonlineａｒiｔy,ｌong－terｍstabilitｙaｎｄrｅｐeatａbiliｔyhavebeenfoｕｎdtobｅｔteｒｔhａｎ1μmｏveraｒangeoｆ1ｍm(Fｉｇ.7).ThiｓiscomｐarabletｏtheacｃｕracyａndranｇｅofｔhesysteｍbaｓedｏnaＰSDaｓｄeｓｃrｉｂediｎ[２］.Ａsａｒesultｏftheseexpeｒiｍents,itwaｓfounｄｔhatｔｈｅｒeｓｏｌutioｎamｏuntstoａpproxｉmatｅｌy2０aF.Ｔhiｓresultｗａsａｃhievｅdbyavｅragingｏver256osciｌlatorｐerｉｏds.Afｕrtheriｎｃrｅａseｏｆｔheｒeｓoluｔionbｙleｎgthenｉngtｈｅmeaｓuremeｎｔtimｅｉsnotｐｏssiｂleｄueｔｏｔhｅl/fｎoiseｐroducedｂyｔhefirstsｔaｇeｓinboｔhｔｈeintegｒatoｒandtheＣomｐaｒatｏr.Theabsoluteａｃcuracyｃaｎbｅｄeｒivedfromtheposｉｔioｎａccuｒａcy.Sｉnｃea1mｍｄisplaceｍentcｏrrｅｓponｄｓtｏaｃｈaｎｇeincapacｉtancｅof５0ｆF,thｅａbsｏluteaccｕrａcyof1μminthｅｐoｓitioｎａmｏｕntstoａnabsolｕteaｃcｕｒａcyof50aF.ＣONCＬUSＩＯNＡlow－cost，hiｇh-perｆｏrmancedisｐlaｃｅｍentseｎsoｒhasbeenpresented．Ｔｈesysteｍｉsimｐｌemｅnｔeｄwitｈsｉmpleelectrｏdes,anｉnexpensｉｖemiｃrocｏnｔrollｅrａｎdalｉｎearcapacｉｔance－to-periodｃoｎvｅrter．Wheｎthecirｃｕｉtryisprｏviｄedwｉｔhａnaccurａt(yī)ereferｅｎceｃapacitｏｒ,thｅｃircｕiｔcanａlｓoｂeusedtoｒeplaceexpｅnsivｅcaｐacｉty-meaｓuringsyｓtemｓ.RＥFERENCＥS[1]G.C．Ｍ.MeｉjｅｒａndR.Sｃhner，“Alｉnｅａrｈigｈ-ｐerｆｏｒmａnｃePＳDｄｉspｌａceｍenttraｎsducerwitｈamｉcｒocｏntｒollerinｔerfacｉnｇ,”ＳensｏrｓａnｄAｃtuａｔors,A21-A23,pp.538－543，1990.[2]Ｊ.vａnDrecht,G.Ｃ．M.Meijeｒ,andP．Ｃ.ｄeJｏng,“ＣoｎceｐtsforthedｅsignoｆsmａrtsensoｒsanｄｓｍartsigｎaｌprocｅｓsorsandｔheiraｐplicatｉｏnｔoＰSDdisplaｃementｔｒansducｅrｓ,”DigｅｓrｏfＴechｎｉcaｌPaｐeｒｓ,Traｎsducｅｒs’91.[3]W.C.Ｈｅｅrens,“Aｐｐlicａｔionofｃａｐacitanceｔeｃｈｎiｑueｓinｓensorｄeｓign,”Phys．Ｅ:Sci.Inｓfｒum.，vol.19,ｐｐ.8９７-906，1９86．[4]K．Ｍartiｎ,‘‘Aｖoltａgｅ-ｃonｔrolledswitched-capacitｏrreｌaxaｔionoscilｌator,”IEEＥJ.,vｏl.SC－16,pp.412－４13,1981.一種低成本智能式電容位置傳感器摘要本文描述了一種新的高性能，低成本電容位置測量系統(tǒng)。通過使用高線性振蕩器，屏蔽和三信號通道，大部分誤差被消除。其精確度在1毫米范圍內(nèi)達(dá)1微米。由于振蕩器的輸出可直接連接到微控制器,所以無需用A/D轉(zhuǎn)換器。Ⅰ.導(dǎo)言本文介紹了一種新型高性能,低成本的電容位移測量系統(tǒng),特點(diǎn)如下:1毫米測量范圍1微米精確度0.１s總測量時間相應(yīng)到電容域，規(guī)格相稱于:1皮法的變化范圍;只有這個范圍的50ｆF(fF是法拉乘以１0的負(fù)15次方。f是femto的縮寫）用于位移傳感器。５0aＦ絕對電容測量誤差。梅耶爾和施里爾[1]以及最近的范德雷赫特河,梅耶爾,和德容[2]提出了位移測量系統(tǒng),采用一個ＰSD（位置敏感探測器)作為傳感元件。和本文描述的電容傳感器元件相比，使用PSD的缺陷是,PＳD和ＬＥD(發(fā)光二極管）有更高的成本和功率消耗。使用[2]中所提概念的信號解決器，被采用到電容元件的使用中。通過廣泛使用屏蔽，智能A／D轉(zhuǎn)換,該系統(tǒng)可以將高精確度和低成本結(jié)合。換能器產(chǎn)生可以選擇和直接由微控制器讀出的三段調(diào)制信號。微控制器，相應(yīng)的，計算位移及發(fā)送此值到主機(jī)電腦（圖1)或顯示或驅(qū)動執(zhí)行器。電子電路電子電路上位機(jī) 執(zhí)行器演示圖１該系統(tǒng)的框圖金屬屏蔽電極屏蔽金屬屏蔽電極屏蔽圖2電極結(jié)構(gòu)的尺寸和透視圖Ⅱ．電極結(jié)構(gòu)基本傳感元件包含電容為Cx的兩個簡樸電極(圖2)。較小的一個(E2)是由屏蔽電極包圍。由于使用屏蔽電極,兩電極間的電容Cx可平行于電極表面獨(dú)立運(yùn)動(橫向平移以及旋轉(zhuǎn)）。寄生電容Cｐ的影響可被消除,將在第3節(jié)討論。據(jù)Heerens[3],由有限屏蔽電極大小導(dǎo)致的兩個電極之間電容Cx的相對偏差小于:δ<e-π（ｘ／d）（1）其中x是屏蔽的寬度，ｄ是電極之間的距離。這種偏差引入了非線性。因此，我們規(guī)定δ小于10０ppm。此外小電極和周邊屏蔽之間的間距產(chǎn)生一個偏差:δ＜e－π(d／s)(２)S是間距的寬度。當(dāng)間距寬度小于電極之間距離的１/３時，這偏差和(1)相比是微局限性道的。另一個誤差的因素也許源自兩個電極之間的有限傾斜角α（圖3）。假設(shè)符合下列條件：小電極和屏蔽電極上的電勢等于0V大型電極電勢等于V伏屏蔽電極足夠大可以看出,電場將同心。ddl/2l/2圖３傾斜角度α的電極為了使計算簡樸,我們將假設(shè)電極在一個方向無限大。問題就成為一個二維問題，可以用極坐標(biāo)（Υ，φ)方法解決。在這種情況下,電場可以表述為:(3)為了計算小電極的損耗,我們設(shè)定φ為0，整定Υ：(4)Bl是小電極的左側(cè)邊界:(５)Br是右邊界：(６)求解（4）結(jié)果：(7)對小α的近似：(8)選擇比d小的ｌ似乎是可行的，因此該誤差將只決定于角度α。在這種情況下，0．6°的角度變化，將產(chǎn)生小于10０ｐpm的誤差。對參數(shù)εo和l是常數(shù)的設(shè)計,兩個電極之間的電容將僅僅取決于電極之間的距離d。Ⅲ.寄生電容的消除除了抱負(fù)傳感器電容Cx,在實(shí)際結(jié)構(gòu)中尚有許多寄生電容（圖2)。這些電容可以建模，如圖４所示。這里Ｃpl代表電極El的寄生電容,Ｃp2是從電極E２到屏蔽電極和屏蔽層的。寄生電容Ｃp3導(dǎo)致不完善屏蔽,形成一個偏移電容。當(dāng)傳感器電容Cｘ連接到AC電壓源，通過電極的電流可測，Cpl和Cｐ2，將被消除。Cp3可通過偏移測量消除。圖4消除寄生電容電流通過并聯(lián)反饋放大器測量，它具有非常低的輸入阻抗。要獲取所需的線性度,放大器的單位增益帶寬fT必須符合下列條件:(9)T是在此期間的輸入信號。由于Cｐ2涉及電纜電容和運(yùn)算放大器的輸入電容，它很也許大于Cf而不可忽略。Ⅳ．本系統(tǒng)的概念該系統(tǒng)采用了[２]提出的三信號的概念,它是基于以下原則。當(dāng)我們用線性系統(tǒng)測量電容Cｘ,得到一個值：（１０)其中m是未知的增益，Moｆｆ是未知偏移。以相同的方式,通過測量參考量Cref,測量偏移Mofｆ,使m=0,參數(shù)m和Mofｆ被抵消。最后的測量結(jié)果P定義為：(11)在我們的例子中,傳感器的電容Cx為:(1２)其中Ax，是電極面積，do是它們之間最初的距離,ε是介電常數(shù),△d是要測量的位移。對于參考電極，它為：