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触摸屏原理



触摸屏原理 随着多媒体信息查询的与日俱增, 人们越来越多地谈到触摸屏, 因为触摸屏不仅适用于中国 多媒体信息查询的国情,而且触摸屏具有坚固耐用、反应速度快、节省空间、易于交流等许 多优点。 利用这种技术, 我们用户只要用手指轻轻地碰计算机显示屏上的图符或文字就能实 现对主机操作, 从而使人机交互更为直截了当, 这种技术大大方便了那些不懂电脑操作的用 户。 ?? 触摸屏作为一种最新的电脑输入设备,它是目前最简单、方便、自然的一种人机交互方式。 它赋予了多媒体以崭新的面貌, 是极富吸引力的全新多媒体交互设备。 触摸屏在我国的应用 范围非常广阔, 主要是公共信息的查询; 如电信局、 税务局、银行、电力等部门的业务查询; 城市街头的信息查询;此外应用于领导办公、工业控制、军事指挥、电子游戏、点歌点菜、 多媒体教学、房地产预售等。将来,触摸屏还要走入家庭。 随着使用电脑作为信息来源的与日俱增,触摸屏以其易于使用、坚固耐用、反应速度快、节 省空间等优点,使得系统设计师们越来越多的感到使用触摸屏的确具有具有相当大的优越 性。 触摸屏出现在中国市场上至今只有短短的几年时间, 这个新的多媒体设备还没有为许多 人接触和了解, 包括一些正打算使用触摸屏的系统设计师, 还都把触摸屏当作可有可无的设 备, 从发达国家触摸屏的普及历程和我国多媒体信息业正处在的阶段来看, 这种观念还具有 一定的普遍性。事实上,触摸屏是一个使多媒体信息或控制改头换面的设备,它赋予多媒体 系统以崭新的面貌, 是极富吸引力的全新多媒体交互设备。 发达国家的系统设计师们和我国 率先使用触摸屏的系统设计师们已经清楚的知道, 触摸屏对于各种应用领域的电脑已经不再 是可有可无的东西,而是必不可少的设备。它极大的简化了计算机的使用,即使是对计算机 一无所知的人,也照样能够信手拈来,使计算机展现出更大的魅力。解决了公共信息市场上 计算机所无法解决的问题。 随着城市向信息化方向发展和电脑网络在国民生活中的渗透,信息查询都已用触摸屏实现-显示内容可触摸的形式出现。 为了帮助大家对触摸屏有一个大概的了解, 笔者就在这里提供 一些有关触摸屏的相关知识,希望这些内容能对大家有所用处。 一、触摸屏的工作原理 ?? 为了操作上的方便,人们用触摸屏来代替鼠标或键盘。工作时,我们必须首先用手指或其它 物体触摸安装在显示器前端的触摸屏, 然后系统根据手指触摸的图标或菜单位置来定位选择 信息输入。 触摸屏由触摸检测部件和触摸屏控制器组成; 触摸检测部件安装在显示器屏幕前 面,用于检测用户触摸位置,接受后送触摸屏控制器;而触摸屏控制器的主要作用是从触摸 点检测装置上接收触摸信息,并将它转换成触点坐标,再送给 CPU,它同时能接收 CPU 发 来的命令并加以执行。 二、触摸屏的主要类型 ??

按照触摸屏的工作原理和传输信息的介质,我们把触摸屏分为四种,它们分别为电阻式、电 容感应式、红外线式以及表面声波式。每一类触摸屏都有其各自的优缺点,要了解那种触摸 屏适用于那种场合, 关键就在于要懂得每一类触摸屏技术的工作原理和特点。 下面对上述的 各种类型的触摸屏进行简要介绍一下: 1、 电阻式触摸屏 (电阻式触摸屏工作原理图) 这种触摸屏利用压力感应进行控制。 电阻触摸屏的主要部分是一块与显示器表面非常配合的 电阻薄膜屏,这是一种多层的复合薄膜,它以一层玻璃或硬塑料平板作为基层,表面涂有一 层透明氧化金属(透明的导电电阻)导电层,上面再盖有一层外表面硬化处理、光滑防擦的 塑料层、它的内表面也涂有一层涂层、在他们之间有许多细小的(小于 1/1000 英寸)的透 明隔离点把两层导电层隔开绝缘。 当手指触摸屏幕时,两层导电层在触摸点位置就有了接 触,电阻发生变化,在 X 和 Y 两个方向上产生信号,然后送触摸屏控制器。控制器侦测到 这一接触并计算出(X,Y)的位置,再根据模拟鼠标的方式运作。这就是电阻技术触摸屏 的最基本的原理。 电阻类触摸屏的关键在于材料科技,常用的透明导电涂层材料有: ?? A、ITO,氧化铟,弱导电体,特性是当厚度降到 1800 个埃(埃=10-10 米)以下时会突然 变得透明, 透光率为 80%, 再薄下去透光率反而下降, 300 埃厚度时又上升到 80%。 到 ITO 是所有电阻技术触摸屏及电容技术触摸屏都用到的主要材料, 实际上电阻和电容技术触摸屏 的工作面就是 ITO 涂层。 ?? B、镍金涂层,五线电阻触摸屏的外层导电层使用的是延展性好的镍金涂层材料,外导电层 由于频繁触摸, 使用延展性好的镍金材料目的是为了延长使用寿命, 但是工艺成本较为高昂。 镍金导电层虽然延展性好,但是只能作透明导体,不适合作为电阻触摸屏的工作面,因为它 导电率高,而且金属不易做到厚度非常均匀,不宜作电压分布层,只能作为探层。 1.1 四线电阻屏 四线电阻模拟量技术的两层透明金属层工作时每层均增加 5V 恒定电压:一个竖直方向,一 个水平方向。总共需四根电缆。 特点:高解析度,高速传输反应。 表面硬度处理,减少擦 伤、刮伤及防化学处理。 具有光面及雾面处理。 一次校正,稳定性高,永不漂移。 1.2 五线电阻屏 五线电阻技术触摸屏的基层把两个方向的电压场通过精密电阻网络都加在玻璃的导电工作 面上, 我们可以简单的理解为两个方向的电压场分时工作加在同一工作面上, 而外层镍金导 电层只仅仅用来当作纯导体,有触摸后分时检测内层 ITO 接触点 X 轴和 Y 轴电压值的方法 测得触摸点的位置。五线电阻触摸屏内层 ITO 需四条引线,外层只作导体仅仅一条,触摸 屏得引出线共有 5 条。 特点:解析度高,高速传输反应。 表面硬度高,减少擦伤、刮伤 及防化学处理。 同点接触 3000 万次尚可使用。 导电玻璃为基材的介质。 一次校正,稳 定性高,永不漂移。 五线电阻触摸屏有高价位和对环境要求高的缺点

1. 3 电阻屏的局限 不管是四线电阻触摸屏还是五线电阻触摸屏,它们都是一种对外界完全隔离的工作环境,不 怕灰尘和水汽,它可以用任何物体来触摸,可以用来写字画画,比较适合工业控制领域及办 公室内有限人的使用。电阻触摸屏共同的缺点是因为复合薄膜的外层采用塑胶材料,不知道 的人太用力或使用锐器触摸可能划伤整个触摸屏而导致报废。不过,在限度之内,划伤只会 伤及外导电层,外导电层的划伤对于五线电阻触摸屏来说没有关系,而对四线电阻触摸屏来 说是致命的。 2、 电容式触摸屏 2.1 电容技术触摸屏 ?? 是利用人体的电流感应进行工作的。 电容式触摸屏是是一块四层复合玻璃屏, 玻璃屏的内表 面和夹层各涂有一层 ITO,最外层是一薄层矽土玻璃保护层,夹层 ITO 涂层作为工作面,四个 角上引出四个电极, 内层 ITO 为屏蔽层以保证良好的工作环境。 当手指触摸在金属层上时, 由于人体电场,用户和触摸屏表面形成以一个耦合电容,对于高频电流来说,电容是直接导 体,于是手指从接触点吸走一个很小的电流。这个电流分从触摸屏的四角上的电极中流出, 并且流经这四个电极的电流与手指到四角的距离成正比, 控制器通过对这四个电流比例的精 确计算,得出触摸点的位置。 2.2 电容触摸屏的缺陷 电容触摸屏的透光率和清晰度优于四线电阻屏,当然还不能和表面声波屏和五线电阻屏相 比。电容屏反光严重,而且,电容技术的四层复合触摸屏对各波长光的透光率不均匀,存在 色彩失真的问题,由于光线在各层间的反射,还造成图像字符的模糊。 电容屏在原理上把 人体当作一个电容器元件的一个电极使用,当有导体靠近与夹层 ITO 工作面之间耦合出足 够量容值的电容时,流走的电流就足够引起电容屏的误动作。我们知道,电容值虽然与极间 距离成反比,却与相对面积成正比,并且还与介质的的绝缘系数有关。因此,当较大面积的 手掌或手持的导体物靠近电容屏而不是触摸时就能引起电容屏的误动作, 在潮湿的天气, 这 种情况尤为严重,手扶住显示器、手掌靠近显示器 7 厘米以内或身体靠近显示器 15 厘米以 内就能引起电容屏的误动作。 电容屏的另一个缺点用戴手套的手或手持不导电的物体触摸 时没有反应,这是因为增加了更为绝缘的介质。 电容屏更主要的缺点是漂移:当环境温度、 湿度改变时,环境电场发生改变时,都会引起电容屏的漂移,造成不准确。例如:开机后显 示器温度上升会造成漂移: 用户触摸屏幕的同时另一只手或身体一侧靠近显示器会漂移; 电 容触摸屏附近较大的物体搬移后回漂移, 你触摸时如果有人围过来观看也会引起漂移; 电容 屏的漂移原因属于技术上的先天不足,环境电势面(包括用户的身体)虽然与电容触摸屏离 得较远,却比手指头面积大的多,他们直接影响了触摸位置的测定。此外,理论上许多应该 线性的关系实际上却是非线性, 如: 体重不同或者手指湿润程度不同的人吸走的总电流量是 不同的, 而总电流量的变化和四个分电流量的变化是非线性的关系, 电容触摸屏采用的这种 四个角的自定义极坐标系还没有坐标上的原点,漂移后控制器不能察觉和恢复,而且,4 个 A/D 完成后,由四个分流量的值到触摸点在直角坐标系上的 X、Y 坐标值的计算过程复杂。

由于没有原点,电容屏的漂移是累积的,在工作现场也经常需要校准。 电容触摸屏最外面 的矽土保护玻璃防刮擦性很好, 但是怕指甲或硬物的敲击, 敲出一个小洞就会伤及夹层 ITO, 不管是伤及夹层 ITO 还是安装运输过程中伤及内表面 ITO 层,电容屏就不能正常工作了。 3、红外线式触摸屏 (红外线式触摸屏工作原理图) 红外触摸屏是利用 X、Y 方向上密布的红外线矩阵来检测并定位用户的触摸。红外触摸屏在 显示器的前面安装一个电路板外框, 电路板在屏幕四边排布红外发射管和红外接收管, 一一 对应形成横竖交叉的红外线矩阵。 用户在触摸屏幕时, 手指就会挡住经过该位置的横竖两条 红外线, 因而可以判断出触摸点在屏幕的位置。 任何触摸物体都可改变触点上的红外线而实 现触摸屏操作。 早期观念上,红外触摸屏存在分辨率低、触摸方式受限制和易受环境干扰 而误动作等技术上的局限, 因而一度淡出过市场。 此后第二代红外屏部分解决了抗光干扰的 问题, 第三代和第四代在提升分辨率和稳定性能上亦有所改进, 但都没有在关键指标或综合 性能上有质的飞跃。但是,了解触摸屏技术的人都知道,红外触摸屏不受电流、电压和静电 干扰,适宜恶劣的环境条件,红外线技术是触摸屏产品最终的发展趋势。采用声学和其它材 料学技术的触屏都有其难以逾越的屏障,如单一传感器的受损、老化,触摸界面怕受污染、 破坏性使用,维护繁杂等等问题。红外线触摸屏只要真正实现了高稳定性能和高分辨率,必 将替代其它技术产品而成为触摸屏市场主流。 过去的红外触摸屏的分辨率由框架中的红外 对管数目决定,因此分辨率较低,市场上主要国内产品为 32x32、40X32,另外还有说红外 屏对光照环境因素比较敏感, 在光照变化较大时会误判甚至死机。 这些正是国外非红外触摸 屏的国内代理商销售宣传的红外屏的弱点。 而最新的技术第五代红外屏的分辨率取决于红外 对管数目、扫描频率以及差值算法,分辨率已经达到了 1000X720,至于说红外屏在光照条 件下不稳定,从第二代红外触摸屏开始,就已经较好的克服了抗光干扰这个弱点。 第五代 红外线触摸屏是全新一代的智能技术产品,它实现了 1000*720 高分辨率、多层次自调节和 自恢复的硬件适应能力和高度智能化的判别识别, 可长时间在各种恶劣环境下任意使用。 并 且可针对用户定制扩充功能,如网络控制、声感应、人体接近感应、用户软件加密保护、红 外数据传输等。 原来媒体宣传的红外触摸屏另外一个主要缺点是抗暴性差,其实红外屏完 全可以选用任何客户认为满意的防暴玻璃而不会增加太多的成本和影响使用性能, 这是其他 的触摸屏所无法效仿的。 4、表面声波触摸屏 (表面声波触摸屏工作原理图)? 4.1 表面声波 表面声波, 超声波的一种, 在介质(例如玻璃或金属等刚性材料)表面浅层传播的机械能量波。 通过楔形三角基座(根据表面波的波长严格设计),可以做到定向、小角度的表面声波能量 发射。表面声波性能稳定、易于分析,并且在横波传递过程中具有非常尖锐的频率特性,近 年来在无损探伤、造影和退波器方向上应用发展很快,表面声波相关的理论研究、半导体材 料、声导材料、检测技术等技术都已经相当成熟。 表面声波触摸屏的触摸屏部分可以是一 块平面、球面或是柱面的玻璃平板,安装在 CRT、LED、LCD 或是等离子显示器屏幕的前 面。 玻璃屏的左上角和右下角各固定了竖直和水平方向的超声波发射换能器, 右上角则固定

了两个相应的超声波接收换能器。 玻璃屏的四个周边则刻有 45° 角由疏到密间隔非常精密的 反射条纹。 4.2 表面声波触摸屏工作原理 以右下角的 X-轴发射换能器为例: 发射换能器把控制器通过触摸屏电缆送来的电信号转化 为声波能量向左方表面传递, 然后由玻璃板下边的一组精密反射条纹把声波能量反射成向上 的均匀面传递,声波能量经过屏体表面,再由上边的反射条纹聚成向右的线传播给 X-轴的 接收换能器,接收换能器将返回的表面声波能量变为电信号。 当发射换能器发射一个窄脉 冲后, 声波能量历经不同途径到达接收换能器, 走最右边的最早到达, 走最左边的最晚到达, 早到达的和晚到达的这些声波能量叠加成一个较宽的波形信号, 不难看出, 接收信号集合了 所有在 X 轴方向历经长短不同路径回归的声波能量,它们在 Y 轴走过的路程是相同的,但 在 X 轴上,最远的比最近的多走了两倍 X 轴最大距离。因此这个波形信号的时间轴反映各 原始波形叠加前的位置,也就是 X 轴坐标。 发射信号与接收信号波形 在没有触摸的时候, 接收信号的波形与参照波形完全一样。 当手指或其它能够吸收或阻挡声波能量的物体触摸屏 幕时,X 轴途经手指部位向上走的声波能量被部分吸收,反应在接收波形上即某一时刻位置 上波形有一个衰减缺口。 接收波形对应手指挡住部位信号衰减了一个缺口,计算缺口位置 即得触摸坐标 控制器分析到接收信号的衰减并由缺口的位置判定 X 坐标。 之后 Y 轴同样的 过程判定出触摸点的 Y 坐标。除了一般触摸屏都能响应的 X、Y 坐标外,表面声波触摸屏还 响应第三轴 Z 轴坐标,也就是能感知用户触摸压力大小值。其原理是由接收信号衰减处的 衰减量计算得到。三轴一旦确定,控制器就把它们传给主机。 4.3 表面声波触摸屏特点 清晰度较高,透光率好。高度耐久,抗刮伤性良好(相对于电阻、电容等有表面度膜)。反应 灵敏。不受温度、湿度等环境因素影响,分辨率高,寿命长(维护良好情况下 5000 万次); 透光率高(92%),能保持清晰透亮的图像质量;没有漂移,只需安装时一次校正;有第三 轴(即压力轴)响应,目前在公共场所使用较多。 表面声波屏需要经常维护,因为灰尘, 油污甚至饮料的液体沾污在屏的表面,都会阻塞触摸屏表面的导波槽,使波不能正常发射, 或使波形改变而控制器无法正常识别, 从而影响触摸屏的正常使用, 用户需严格注意环境卫 生。必须经常擦抹屏的表面以保持屏面的光洁,并定期作一次全面彻底擦除。 ? 触摸屏原理 表面声波屏 声波屏的三个角分别粘贴着 X,Y 方向的发射和接收声波的换能器(换能器:由特殊陶瓷材 料制成的, 分为发射换能器和接收换能器。 是把控制器通过触摸屏电缆送来的电信号转化为 声波能和由反射条纹汇聚成的表面声波能变为电信号。),四个边刻着反射表面超声波的反 射条纹。当手指或软性物体触摸屏幕,部分声波能量被吸收,于是改变了接收信号,经过控 制器的处理得到触摸的 X,Y 坐标。

四线电阻屏 四线电阻屏在表面保护涂层和基层之间覆着两层透明电导层 ITO(ITO:氧化铟,弱导电体, 特性是当厚度降到 1800 个埃(埃=10-10 米)以下时会突然变得透明,再薄下去透光率反 而下降,到 300 埃厚度时透光率又上升。是所有电阻屏及电容屏的主要材料。),两层分 别对应 X, 轴, Y 它门之间用细微透明绝缘颗粒绝缘, 当触摸时产生的压力使两导电层接通, 由于电阻值的变化而得到触摸的 X,Y 坐标。 五线电阻屏 五线电阻屏的基层之上覆有把 X,Y 两方向的电压场加在同一层的透明电导层 ITO,最外层 镍金导电层 (镍金导电层: 五线电阻触摸屏的外层导电层使用的是延展性好的镍金涂层材料, 外导电层由于频繁触摸,使用延展性好的镍金材料目的是为了延长使用寿命。)只用来作纯 导体, 当触摸时, 用分时检测接触点 X 轴和 Y 轴电压值的方法测得触摸点的位置。 内层 ITO 需四条引线,外层一条,共 5 根引线。 电容屏 电容屏表面涂有透明电导层 ITO,电压连接到四角,微小直流电散部在屏表面,形成均匀之 电场,用手触屏时,人体作为耦合电容一极,电流从屏四角汇集形成耦合电容另一极,通过 控制器计算电流传到碰触位置的相对距离得到触摸的坐标 。 红外屏

红外触摸屏是利用 X、Y 方向上密布的红外线矩阵来检测并定位用户的触摸。红 外触摸屏在显示器的前面安装一个电路板外框, 电路板在屏幕四边排布红外发射 管和红外接收管,一一对应形成横竖交叉的红外线矩阵。用户在触摸屏幕时,手 指就会挡住经过该位置的横竖两条红外线,因而可以判断出触摸点在屏幕的位 置。任何触摸物体都可改变触点上的红外线而实现触摸屏操作



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