一種電容感應開關設計

龐志華 楊雪凱 郝志陽 北華航天工業學院 電子與控制工程學院 劉紫陽 北華航天工業學院 計算機學院

引言

樓道燈一般設計為機械開關或者聲控自動開關，潘煜東等設計了加裝熱釋電傳感器和菲涅爾透鏡的智能樓道燈，一定程度上解決了機械開關使用不便、聲控開關易受雞鳴狗吠等噪聲干擾誤動作的缺陷，但紅外感應開關存在易受各種熱源、光源和熱氣流干擾的缺點。另外，被動紅外穿透力差，人體的紅外輻射容易被遮擋。文獻[3-4]根據電容感應原理，分別基于CAP1166 和FDC1004 電容數字轉換模塊設計了非接觸式電容感應開關和人體接近感知系統。基于電容近感探測原理設計的接近開關具有結構簡單、非接觸、可以適應復雜結構或表面等有點，在軍事和民用領域都有應用，具有深入研究的價值。

1 電容感應原理及系統設計

電容感應開關依靠電容感應原理工作，不受聲、光等干擾。目標到探測器距離的改變會引起探測器激勵電極和感應電極兩電極間電容發生改變，通過電容到電壓的轉換，得到電容變換和輸出電壓之間的關系，完成對目標距離的識別。

本文研究設計了一種電容轉換為輸出電壓的接近開關，系統探測模型如圖1 所示。其中結構電容C0 由激勵電極和感應電極組成。無目標時，激勵電極和感應電極形成的電場穩定，C0 值不發生變化，檢波輸出電壓uo 不變，執行電路不動作。有目標接近探測系統時，對原電場形成擾動，并迅速建立新的電場分布，使結構電容發生改變進而影響檢波電壓大小。通過采集判斷輸出電壓的大小可以推斷有無目標接近探測系統，進而控制執行機構動作，即實現人來燈亮、人走燈滅的自動控制功能。

圖1 系統原理框圖

2 電極設計

在電容探測系統中，電極的尺寸、形狀和布置方式等對探測結果形成至關重要的影響。本文運用先進的有限元仿真軟件Comsol，采用控制變量法，分別研究了目標距離改變、激勵電極尺寸改變和電極間距離改變對耦合電容的影響。仿真時選用的物理場為靜電場，為簡化仿真，電極和目標設置為銅介質，置于有界且充滿空氣的空間中，空間位置如圖2(d)所示，其中電極和目標材質均為銅板，其中電極厚度為0.1cm，目標厚度為1cm。圖2(a-c)中Cexc_sen、Csen_tar 分別表示激勵電極到感應電極的電容值和感應電極到目標的電容值。圖2(a)中激勵電極和感應電極均為邊長為6cm 的正方形，兩電極間距為2cm，改變目標距離從10cm 到70cm，步進為10cm。可以看出隨著目標的逐步接近，Cexc_sen 減小，而Csen_tar 在增大。圖2(b)中，保持感應電極尺寸、目標距離和電極間距不變，改變激勵電極長邊邊長，從6cm 增大到12cm，步進為1cm，可見Cexc_sen增大，而Csen_tar 沒有變化。圖2(c)中，保持兩電極尺寸和目標距離不變，改變極間距離從1cm 到6cm，步進為0.5cm。發現隨著極間距離的增大，Cexc_sen 和Csen_tar 均在減小，且后者減小速度更快。

圖2 有限元仿真布置及控制變量法仿真計算結果

3 電路設計

電容感應探測依靠電場工作，激勵電極產生的電場范圍越大、場強越大，感應系統越容易與外界目標建立耦合關系，進而增加探測距離。由勻強電場場強計算公式E=U/d 可知，當極板間距離d 固定時，電壓U 越大得到的場強越大。常用微控制器電路的供電電壓一般為5V或3.3V，考慮在不增加額外電源電路的前提下，得到更大的激勵電壓，采用了圖3 左半部分所示的克拉波振蕩電路，并從LC 串聯支路取出激勵電壓，在不接入檢波電路時，該電壓峰峰值可達到43.4V，振蕩頻率為2.86MHz。該頻率下電磁波波長為 ，遠大于探測距離，故滿足探測系統工作于靜電場探測的條件。

圖4 探測電路原理圖

激勵電極連接振蕩電路，感應電容連接二極管包絡檢波電路，目標與探測系統距離不同時，兩電極形成的結構電容C4 容值不同，為模擬這一變化，在Multisim 電路仿真中將C4 設置為可變電容，以方便交互式仿真。圖4 為參數掃描結果，從電路上電到1.5ms 的時間里，分別仿真了C4 從1pF 到10pF（步進1pF）時的檢波電壓V4 的值，從圖4 中可以看出電路穩定后不同的C4 值對應不同的V4 值，且C4越大V4 越大，C4 增大到5pF 之后，V4 值仍在增大但變化量開始減小。仿真結果說明，可以通過檢波電壓的變化反映結構電容的變化，進而推測有無目標或者目標離探測系統的距離。

圖5 結構電容C4 與檢波電壓V4 的關系

4 實驗驗證及結論

實驗布置如圖5 所示，當目標白板（金屬）靠近近探測器時，檢波輸出電壓升高，達到閾值后指示燈點亮，目標離開時，指示燈熄滅。結果表明所提出的方案是可行的，后續將進一步改進電路以應用于工程實際。

圖6 實驗布置