一种电容型位置传感器的设计和应用

　　一、前言

　　本文介绍的电容式位置传感器是为解决位置检测而设计开发的。这是一种非常有应用潜力的传感器，它利用传统的PCB技术，配合一个小球滚动引起电容变化，再利用电容检测电路来实现对PCB组件的倾角或加速度的检测。由于PCB技术很成熟而钢球很廉价，所以这项技术简单易行而且有着非常广阔的应用前景。虽然最初只是为位置传感器开发，但将该技术拓展后，又可衍生出加速度传感器。

　　传统位置检测器(倾角传感器)依赖可运动部件和静态元件的电接触(欧姆)来实现位置检测。通常，这样的系统要么采用一个导电小球，要么用液态导电介质如水银做运动部件。前者典型的缺点是小球的脏污、氧化和被腐蚀会影响系统的性能;水银导电的传感器则要求特殊的容器，而且水银属重金属既有毒又昂贵还不环保，在全球环保呼声日益强烈的情势下必将被淘汰。

　　当然以前也有些检测电容变化的位置传感器。这样的系统采用某种液体，把它放在球型容器里。球型容器的侧壁作为电容极板，这样里面液体的动荡就引起侧壁电容量的改变。还有一些是利用磁性或感性元件和半导体元件。这些系统都是为检测特定角度和速度而开发的。但是他们大部分都不适合低成本、紧凑应用的需求，特别是无法和PCB板融为一体。而本文将介绍的电容型位置传感器由三部分组成——PCB(印制线路板)、小球、电容检测电路，基本可以解决这些问题。

　　二、印制线路板的图形要求

　　图1是PCB的顶视图， 上面开一个通孔，孔的形状为中间宽两头窄，对称分布，长度宽度尺寸根据系统要求计算得出。孔的边沿覆有三根印制线条图形，分别标识为A、B、C，其中 A位于通孔的一边，另外两个印制线条B、C相互对应放在另一边的左右两侧。当PCB组件经历倾斜或加速时，小球沿着通孔滚动，印制线条AB和AC与小球形成的电容Cab、Cac发生变化。A、B、C采集电容变化信号送到电容检测器电路。

　　在这个传感器里，通孔的中间距离必须稍大，使得金属小球停在通孔中间时的重心最低。通孔的形状决定了传感器倾角为多少时，小球开始运动。

　　1、对小球的要求

　　球虽然是导电的，但不要求与PCB的任何端子有欧姆接触。系统对球的导电要求很低，只是利用它实现电荷的重新分配。由于球的表面不需导电，因此不必担心它脏污、受潮、氧化、腐蚀。实际上，小球的电阻可以尽可能大，例如 5M 欧姆都不会影响系统的性能，所以，系统对小球的要求很低，既不需要特殊形状的容器，也不需要其他类型的非PCB组件的结构，只要是圆的就可以满足要求，例如，我们很容易找到的轴承里的钢珠。