電容傳感器在汽車(chē)中的應用

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

宏觀(guān)上講，電容傳感器通常是通過(guò)將電容轉換成電壓、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(guān)上，電容傳感器已經(jīng)長(cháng)期用于汽車(chē)之中；微機械加速度傳感器就是基于這個(gè)原理設計的。這些經(jīng)常用來(lái)檢測電荷轉移。

一種用于探測電容的新方法采用改進(jìn)后的Σ-Δ轉換器的輸入級來(lái)檢測出未知的電容，并將其轉換成數字信號。 這種方法使用了電容數字轉換器(CDC)，在本文中要與幾個(gè)可以用于汽車(chē)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。

電容數字轉換器

要形象描述CDC，我們必須對Σ-Δ 轉換器原理作一番介紹。圖1是Σ-Δ轉換器的簡(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(cháng)時(shí)間間隔后，該值必須保持為零。短時(shí)間微小的階躍信號會(huì )轉變成斜坡信號。通過(guò)將基準支路的輸出提高到與輸入支路的值相同來(lái)達到零平均值，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)負的參考電壓。因此輸入端的高壓導致大量邏輯部分，它們反過(guò)來(lái)頻繁地運用(負)參考電壓。密度通過(guò)下面的數字濾波轉換成一個(gè)數字化的數值。經(jīng)典的Σ-Δ轉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)。同步電壓信號也必須提供給輸入支路，圖2顯示的是電容數字轉換器。

這種方法帶來(lái)了很多好處。由于與Σ-Δ轉換器的關(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)濟有效地實(shí)現高精確度。Σ-Δ轉換器，幾乎沒(méi)有例外，具有一個(gè)相似的輸入結構，因此不同的特別結構可以適用于特殊的測量任務(wù)，例如極低的電流輸入、最大準確性或者更高的截止頻率。

如果我們仔細地審視圖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)在節點(diǎn)A趨向于零的寄生電容具有零電位。節點(diǎn)B不為零，但是它由一個(gè)確定的低阻抗電位充電，因此在該節點(diǎn)的寄生電容將充電到一個(gè)平均值而不影響測量結果。節點(diǎn)A到B的寄生電容總是與測量元件并聯(lián)，并且通常會(huì )出現一個(gè)偏移量。

現有的電容數字轉換器能提供非常好的性能。例如ADI的AD7745可達到24位分辨率和16位精度。

圖1：Σ-Δ轉換器的簡(jiǎn)圖

圖2：電容數字轉換器

電容式傳感器

以前的電容分析系統要求測量的電容比較大，以及接觸時(shí)電容值的變化很大。對傳感器制造商來(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。例如，典型的150pF濕度傳感器不僅相當昂貴(因為比較大)，還容易出錯，且長(cháng)時(shí)間的穩定性也較差。

電容器的電容可以根據它的結構來(lái)計算：C =εoεrA/d

其中，εo是真空介電常數，εr是材料的介電常數，A是所用的導板面積，d則是兩個(gè)電極之間的距離。除少數例外(如壓力傳感器)，所有電容傳感器都是利用導板表面或電介質(zhì)的變化來(lái)測量電容的改變。大多數傳感器可以被劃分成兩類(lèi)：一類(lèi)是導板面積(幾何)變化的(如液位傳感器或位移傳感器)；另一類(lèi)是依賴(lài)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(zhù)濕度的增加，堆積越來(lái)越多的水分子，因此εr增大。傳感器檢測液體(如油或燃料)的純度，實(shí)質(zhì)由兩塊固定的導板構成，液體自身形成電介質(zhì)。必需的液體特性根據經(jīng)驗來(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。測量電介質(zhì)變化的簡(jiǎn)單的接近傳感器，通常需要最復雜的測量電子學(xué)。

圖3：

圖4：