車(chē)用電容傳感器的新契機

　　過(guò)去，在汽車(chē)里很少使用電容傳感器，因為它們不好控制，難以讀取數據，容易老化，并且依賴(lài)于溫度。然而，其低廉的生產(chǎn)成本、簡(jiǎn)單的外形適應性及低功耗特性都是有利于其應用吸引人的屬性。一種新的電容測量技術(shù)的興起，使得車(chē)用電容傳感器的數量急劇上升。

　　宏觀(guān)上說(shuō)，電容傳感器通常通過(guò)將電容轉換成其它物理量，例如電壓、時(shí)間或頻率進(jìn)行分析。微觀(guān)上說(shuō)，電容傳感器應用于汽車(chē)已經(jīng)很長(cháng)時(shí)間了；微電子機械(MEMS)加速度傳感器就是基于電容傳感器原理。這些傳感器通常用于檢測電荷的轉移。美國模擬器件公司(ADI)現已開(kāi)發(fā)出一種新的檢測電容的方法，它采用了改進(jìn)的S-D模數轉換器(ADC)的輸入級檢測未知的電容并將其轉換成數字量。ADI公司稱(chēng)其為電容數字轉換器或CDC。本文首先解釋一下CDC轉換方法。接著(zhù)介紹幾種可在汽車(chē)中使用的電容傳感器的工作原理。最后，簡(jiǎn)要介紹一下交替轉換方法。


 圖1  電容數字轉換器

　　電容數字轉換器(CDC)

　　電容數字轉換器有許多優(yōu)點(diǎn)。由于它與S-D ADC有密切的聯(lián)系，所以可以采用和修改S-D ADC具有的一些眾所周知的特性。這些特性包括很高的噪聲抑制能力、在極低頻率下具有高分辨率、高精度低成本以及抗電磁干擾等外部影響的魯棒性。S-D ADC幾乎毫無(wú)例外地具有類(lèi)似的輸入結構，以便對具體的測量任務(wù)采用各種不同的結構，例如特別低的電流輸入、最大精度或較高的截止頻率。進(jìn)一步考察圖1我們會(huì )發(fā)現更多的優(yōu)點(diǎn)。在初始的測量值中寄生電容不起作用。寄生電容在節點(diǎn)A處趨近于0，具有零電位。在節點(diǎn)B處不為0，但是向它提供一個(gè)確定的低阻電位，因此該節點(diǎn)的寄生電容會(huì )充電到平均值而不會(huì )影響測量結果。從節點(diǎn)A到節點(diǎn)B之間的寄生電容總是與測量元件并聯(lián)，并且總是作為失調電壓出現。

　　AD7745是首款CDC，它提供24bit分辨率和16bit精度。它具有大約50aF分辨率和2 fF(經(jīng)過(guò)校準的)精度。參考電容具有嚴格規定的溫度系數，因此可將其用作內置溫度傳感器既可用于提高測量精度，也可用作參考電容。

　　電容傳感器

　　以前的電容分析系統要求很高的測量電容，并且當觸摸時(shí)具有大的電容量變化。這種對于具有足夠大變化的要求對應傳感器制造商常常產(chǎn)生問(wèn)題，而對應小的電容傳感器則不應存在問(wèn)題。例如，典型的150 pF濕度傳感器不僅昂貴許多(因為它們尺寸變大)，而且更容易產(chǎn)生錯誤，而且長(cháng)期穩定性也降低了。

　　電容器的容量根據其結構按照公式C=eoerA/d計算，其中eo是真空中的介電常數，er是介質(zhì)中的介電常數，A是極板的有效面積，d是兩個(gè)電極之間的距離。除了幾個(gè)例外如壓力傳感器等，所有的電容傳感器都使用平板表面或電介質(zhì)的變化測量電容器的變化。大多數傳感器可被歸為兩類(lèi)：根據極板面積(幾何尺寸)的變化(例如液位傳感器或位移傳感器)和根據er的變化(例如接近傳感器或濕度傳感器)。

　　電介質(zhì)傳感器

　　傳統的電介質(zhì)傳感器的實(shí)例是采用對濕度敏感的聚合層作為介質(zhì)的濕度傳感器。隨著(zhù)濕度的增加，水分子堆積得越來(lái)越多，因此er增大。測定液體(例如油或燃料)純度的傳感器實(shí)質(zhì)上是由兩個(gè)固定的平板構成的，液體本身構成電介質(zhì)。所需液體的性質(zhì)主要由經(jīng)驗決定(例如油或燃料中增加的水份含量)。溫度在其中起著(zhù)決定性作用，所以決定必須可靠。簡(jiǎn)單的接近傳感器，它決定著(zhù)介質(zhì)的變換，通常要求最復雜的測量電子電路。

　　在大多數情況下，接近傳感器由印刷電路板上兩個(gè)導體組成，兩導體之間的電介質(zhì)值具有很低的介電常數(接近1)。如果有一個(gè)物體，例如人手，接近電容器的電場(chǎng)移動(dòng)，電容就會(huì )改變。人體的水分含量超過(guò)90%，因此介電常數很高(約為50)。無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)的制造十分簡(jiǎn)單，因此用于電子窗口的無(wú)鑰匙進(jìn)入和箝位保護等應用。無(wú)鑰匙汽車(chē)的核心要求是電流輸入盡可能最低——標準值低于100mA。S-D ADC在業(yè)界已經(jīng)優(yōu)化很多年了，因此可提供合理的體系結構。用同樣的方法可實(shí)現雨量傳感器。這些傳感器容易生產(chǎn)，成本很低而且具有尺寸小的缺點(diǎn)。傳統的基于水滴的光折射的雨量傳感器必須非常小，從而減小了占用擋風(fēng)玻璃上的面積，同時(shí)導致了雨量小時(shí)可重復的問(wèn)題。

　　幾何尺寸傳感器

　　根據幾何尺寸變化的傳感器實(shí)例是壓力傳感器、液位傳感器和位移傳感器——只是簡(jiǎn)單地在兩塊固定的極板之間改變電介質(zhì)。壓力傳感器使用兩塊固定大小的板作為膜片；由于膜片有彈性，壓力作用在傳感器上時(shí)兩板之間的距離會(huì )改變。

　　需要一個(gè)溫度傳感器是由于熱膨脹引起的幾何尺寸改變。設想兩個(gè)電極中的一個(gè)電極連接到芯片上，另一個(gè)連在金屬或陶瓷結構的 外殼上。因此外殼自身起到傳感器的作用。例如，陶瓷外殼，陶瓷能承受很大的壓力和侵蝕性介質(zhì)。與傳統的惠斯通電橋相比，電容壓力傳感器的主要優(yōu)勢在于其低輸入電流，從而使其特別適合于輪胎氣壓控制等應用。
　　
　　在液位傳感器中，測量浸入在液體中一對固定的平板。制造商可以用極低價(jià)格的印刷導線(xiàn)實(shí)現。另一對平板放置在底部，從而允許檢測介質(zhì)因溫度或其它因素產(chǎn)生改變，如圖4所示。

　　在所有方法中，S-D ADC經(jīng)過(guò)證明是最受歡迎的。在許多情況下，總是能用數字濾波器能實(shí)現要求的動(dòng)態(tài)行為。例如，液位傳感器要求極長(cháng)時(shí)間的恒定，而接近傳感器必須適應周?chē)h(huán)境的變化(如雨雪中使用的濕度傳感器)。

　　交替轉換方法
　　
　　我們簡(jiǎn)要地討論一下交替轉換方法。這種工作方式按照一種完全不同，甚至比較復雜的方法。另一方面，這種方法可用于測量復數阻抗包，包括感抗、阻抗和容抗，或者阻性和感性傳感器。這種情況下，用一非常精密的已知頻率激勵傳感器。ADI公司為此使用了直接數字頻率合成技術(shù)(DDC)。用快速ADC和快速傅立葉分析方法記錄傳感器的響應。用DDS方法可精確地知道任何時(shí)間原始相位位置。按照同樣的方法，可以測量出對其它頻率的響應。由此可以計算出阻抗的實(shí)部和虛部，并在數據總線(xiàn)上輸出。一次完整的掃描只需幾百毫秒(ms)。圖5  示出了這種方法。

　　ADI公司將這種電路稱(chēng)為網(wǎng)絡(luò )分析器。除了電容傳感器和電感傳感器，適當的傳感器還能記錄待測液體中粘度的變化(例如機油或潤滑油)。


圖2  接近傳感器


圖3  壓力傳感器


 圖4  液位傳感器


圖5  AD5933工作框圖

　　結語(yǔ)
　　
　　電容傳感器正在汽車(chē)行業(yè)中復蘇。一種新的方法已展示了濕度傳感器、雨量傳感器和接近傳感器的初步成功。采用的Σ-ΔADC技術(shù)能夠提供靈活的解決方案以滿(mǎn)足不同的動(dòng)態(tài)和精度的要求，并且能夠使傳感器系統滿(mǎn)足極低的功耗需求。電容傳感器已經(jīng)用于多種應用，并且ADI公司正在開(kāi)發(fā)適應輪胎壓力傳感器和無(wú)鑰匙汽車(chē)解決方案。隨后我們將開(kāi)發(fā)交替解決方案。