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：