電容傳感器在汽車中的應(yīng)用

過(guò)去，由于被認(rèn)為具有難以控制、不易讀取、易于老化和溫度要求嚴(yán)格等特點(diǎn)，電容傳感器很少用于汽車電子之中。 但另一方面，它們也具有生產(chǎn)成本較低、外形適應(yīng)簡(jiǎn)單、功耗低等特性，從而推動(dòng)了它們的應(yīng)用。如今，一種新型測(cè)量技術(shù)的出現(xiàn)，使得汽車中電容傳感器的應(yīng)用數(shù)量大幅增長(zhǎng)。

宏觀上講，電容傳感器通常是通過(guò)將電容轉(zhuǎn)換成電壓、時(shí)間或者頻率等另一種物理變量來(lái)進(jìn)行分析。而在微觀上，電容傳感器已經(jīng)長(zhǎng)期用于汽車之中；微機(jī)械加速度傳感器就是基于這個(gè)原理設(shè)計(jì)的。這些經(jīng)常用來(lái)檢測(cè)電荷轉(zhuǎn)移。

一種用于探測(cè)電容的新方法采用改進(jìn)后的Σ-Δ轉(zhuǎn)換器的輸入級(jí)來(lái)檢測(cè)出未知的電容，并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。 這種方法使用了電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器(CDC)，在本文中要與幾個(gè)可以用于汽車的電容傳感器原理一起闡述說(shuō)明。文末也會(huì)概要說(shuō)明另一種可選方法。

電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器

要形象描述CDC，我們必須對(duì)Σ-Δ 轉(zhuǎn)換器原理作一番介紹。圖1是Σ-Δ轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)圖。

為了清楚地了解其工作過(guò)程，首先我們看積分器的輸入，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間間隔后，該值必須保持為零。短時(shí)間微小的階躍信號(hào)會(huì)轉(zhuǎn)變成斜坡信號(hào)。通過(guò)將基準(zhǔn)支路的輸出提高到與輸入支路的值相同來(lái)達(dá)到零平均值，反過(guò)來(lái)這還受到比較器輸出的影響。這將參考點(diǎn)轉(zhuǎn)變成具有邏輯1的并聯(lián)電容。

電容充電然后反過(guò)來(lái)提供給積分器，這樣積分器得到一個(gè)負(fù)的參考電壓。因此輸入端的高壓導(dǎo)致大量邏輯部分，它們反過(guò)來(lái)頻繁地運(yùn)用(負(fù))參考電壓。密度通過(guò)下面的數(shù)字濾波轉(zhuǎn)換成一個(gè)數(shù)字化的數(shù)值。經(jīng)典的Σ-Δ轉(zhuǎn)換器將未知的電壓與已知的電壓相比較，即采用兩個(gè)已知的電容(通常相等)來(lái)作此比較。

事實(shí)上是對(duì)電荷進(jìn)行比較，因此電容可以用公式Q=C*V來(lái)比較，如果兩個(gè)電壓都已知(在此取相同的電壓值)。同步電壓信號(hào)也必須提供給輸入支路，圖2顯示的是電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器。

這種方法帶來(lái)了很多好處。由于與Σ-Δ轉(zhuǎn)換器的關(guān)系密切，其眾所周知的特性可以改進(jìn)并采納，這些特性包括高噪聲抑制、低頻時(shí)的高分辨率，以及能經(jīng)濟(jì)有效地實(shí)現(xiàn)高精確度。Σ-Δ轉(zhuǎn)換器，幾乎沒(méi)有例外，具有一個(gè)相似的輸入結(jié)構(gòu)，因此不同的特別結(jié)構(gòu)可以適用于特殊的測(cè)量任務(wù)，例如極低的電流輸入、最大準(zhǔn)確性或者更高的截止頻率。

如果我們仔細(xì)地審視圖2，可以清楚看到更多的優(yōu)點(diǎn)。寄生電容在最初的近似值中不扮演任何角色。 一個(gè)在節(jié)點(diǎn)A趨向于零的寄生電容具有零電位。節(jié)點(diǎn)B不為零，但是它由一個(gè)確定的低阻抗電位充電，因此在該節(jié)點(diǎn)的寄生電容將充電到一個(gè)平均值而不影響測(cè)量結(jié)果。節(jié)點(diǎn)A到B的寄生電容總是與測(cè)量元件并聯(lián)，并且通常會(huì)出現(xiàn)一個(gè)偏移量。

現(xiàn)有的電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器能提供非常好的性能。例如ADI的AD7745可達(dá)到24位分辨率和16位精度。

圖1：Σ-Δ轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)圖

圖2：電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器

電容式傳感器

以前的電容分析系統(tǒng)要求測(cè)量的電容比較大，以及接觸時(shí)電容值的變化很大。對(duì)傳感器制造商來(lái)說(shuō)，需要足夠大的變化經(jīng)常會(huì)帶來(lái)問(wèn)題，而在較小的電容傳感器卻不會(huì)出現(xiàn)。例如，典型的150pF濕度傳感器不僅相當(dāng)昂貴(因?yàn)楸容^大)，還容易出錯(cuò)，且長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定性也較差。

電容器的電容可以根據(jù)它的結(jié)構(gòu)來(lái)計(jì)算：C =εoεrA/d

其中，εo是真空介電常數(shù)，εr是材料的介電常數(shù)，A是所用的導(dǎo)板面積，d則是兩個(gè)電極之間的距離。除少數(shù)例外(如壓力傳感器)，所有電容傳感器都是利用導(dǎo)板表面或電介質(zhì)的變化來(lái)測(cè)量電容的改變。大多數(shù)傳感器可以被劃分成兩類：一類是導(dǎo)板面積(幾何)變化的(如液位傳感器或位移傳感器)；另一類是依賴εr變化的(如 接近傳感器或濕度傳感器)。

濕度傳感器是電介質(zhì)傳感器的經(jīng)典例子，使用濕度敏感聚合物層作為電介質(zhì)。隨著濕度的增加，堆積越來(lái)越多的水分子，因此εr增大。傳感器檢測(cè)液體(如油或燃料)的純度，實(shí)質(zhì)由兩塊固定的導(dǎo)板構(gòu)成，液體自身形成電介質(zhì)。必需的液體特性根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定(例如：油或燃料中增加的水份)。溫度起到?jīng)Q定性的作用，也必須可靠地確定。測(cè)量電介質(zhì)變化的簡(jiǎn)單的接近傳感器，通常需要最復(fù)雜的測(cè)量電子學(xué)。

圖3：

圖4：

圖5：

在許多情況下，接近傳感器在印制電路板包括兩個(gè)導(dǎo)體。中間媒介電介質(zhì)的值非常小(接近1)。如果一個(gè)物體，例如手，移動(dòng)到電容器的電子區(qū)域，它就改變電容。人體的組成超過(guò)90%水，因而電介質(zhì)的值非常大(約50)。

遙控開(kāi)關(guān)非常容易制造，因而使得諸如無(wú)鑰匙點(diǎn)火或?qū)﹄妱?dòng)窗的箝位保護(hù)之類的應(yīng)用成為可能。無(wú)鑰匙汽車一個(gè)重要的必要條件是盡可能使輸入電流最低——標(biāo)準(zhǔn)情況是低于100A。多年以來(lái)制造商已經(jīng)將Σ-Δ轉(zhuǎn)換器進(jìn)行優(yōu)化，因此已有一些適合的體系結(jié)構(gòu)。

雨水傳感器可以用一個(gè)類似的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。它們易于制造，性價(jià)比較高，而且尺寸也可以是一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。然而，基于水滴光學(xué)折射的傳統(tǒng)雨水傳感器在擋風(fēng)玻璃只有一個(gè)非常小活動(dòng)區(qū)域，這就降低了系統(tǒng)靈敏度，導(dǎo)致重復(fù)出現(xiàn)干擦和沒(méi)有擦到的問(wèn)題。

幾何變化傳感器

依靠幾何變化的傳感器的例子有壓力傳感器、液位傳感器和位移傳感器－這些傳感器都是簡(jiǎn)單地移動(dòng)固定導(dǎo)板之間的電介質(zhì)。壓力傳感器使用具有固定尺寸的兩塊導(dǎo)板作為膜；由于導(dǎo)板有彈性，作用在傳感器上的壓力就會(huì)改變它們之間的距離。

由于熱擴(kuò)散，溫度傳感器需要考慮改變的幾何形狀。設(shè)想兩個(gè)電極中的一個(gè)附著在芯片上，另一個(gè)附著在由金屬或陶瓷構(gòu)成的支架上，因此支架自己作為傳感器。以陶瓷為例，能夠承受非常高的壓力和侵入的媒介。與經(jīng)典的惠斯通電橋相比較，電容壓力傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是對(duì)輸入電流的要求更低，使得他們特別適合于諸如輪胎壓力控制之類的應(yīng)用。

在一個(gè)液位傳感器中，一對(duì)固定的導(dǎo)板浸沒(méi)在要測(cè)量的液體中。制造商能夠以非常低的成本制造出印制導(dǎo)體。第二對(duì)導(dǎo)板附著在底部，可以檢測(cè)出由于溫度或其他影響導(dǎo)致的電介質(zhì)變化，如下圖所示。

在所有方法中，都證實(shí)了Σ-Δ技術(shù)是非常令人滿意的。許多情況下，無(wú)論如何數(shù)字濾波器都是必要的，它們可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)必需的動(dòng)態(tài)特性。 例如，在液壓傳感器中需要非常長(zhǎng)的時(shí)間常數(shù)，而接近傳感器必須適應(yīng)變化了的四周環(huán)境(如濕度傳感器要適應(yīng)雨或冰)。

采用DDS技術(shù)的可選方法

這種技術(shù)按照一個(gè)完全不同的、略微更復(fù)雜一些的方式來(lái)工作。另一方面，它可以用于測(cè)量復(fù)阻抗，包括電感、阻抗/電容或者阻抗/電感傳感器等。在這種情況下，傳感器由一個(gè)已知的非常精確的頻率來(lái)激發(fā)。在此，直接數(shù)字式頻率合成(DDS)技術(shù)非常適用。

圖6：用DDS方法計(jì)算阻抗的實(shí)部和虛部

這里，傳感器的反應(yīng)通過(guò)快速的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和快速的傅立葉分析記錄下來(lái)。采用DDS方法，初始的相位在任何時(shí)候都可精確地獲知。用同樣的方法，對(duì)其他頻率的反應(yīng)也可以測(cè)量出來(lái)。阻抗的實(shí)部和虛部可以據(jù)此計(jì)算出，并且通過(guò)數(shù)字總線輸出。完全掃描僅需要幾百毫秒。此圖對(duì)該方法進(jìn)行了說(shuō)明。

該網(wǎng)絡(luò)分析儀電路可以用于電容和電感傳感器，同樣也可用于記錄運(yùn)動(dòng)或測(cè)量液體黏度的傳感器，例如引擎或潤(rùn)滑油。

小結(jié)：

電容傳感器正在汽車中迎來(lái)新生。新的方法在壓力、液位、濕度、雨和接近傳感器中已經(jīng)證明獲得了初步成功。采用Σ-Δ技術(shù)能夠?qū)Σ煌膭?dòng)態(tài)和精度需求提供靈活的解決方案，并且使傳感器系統(tǒng)具有及其低的電源要求。CDC設(shè)備已經(jīng)用于幾種汽車應(yīng)用，在許多其他領(lǐng)域的應(yīng)用正在增加。