電容傳感器在汽車中的應(yīng)用

　過去,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。

　　宏觀上講,電容傳感器通常是通過將電容轉(zhuǎn)換成電壓、時(shí)間或者頻率等另一種物理變量來進(jìn)行分析。而在微觀上,電容傳感器已經(jīng)長期用于汽車之中;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)常用來檢測電荷轉(zhuǎn)移。

　　一種用于探測電容的新方法采用改進(jìn)后的Σ-Δ轉(zhuǎn)換器的輸入級來檢測出未知的電容,并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。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明。文末也會(huì)概要說明另一種可選方法。

　　電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器

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

　　為了清楚地了解其工作過程,首先我們看積分器的輸入,經(jīng)過長時(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(zhuǎn)變成斜坡信號。通過將基準(zhǔn)支路的輸出提高到與輸入支路的值相同來達(dá)到零平均值,反過來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。

　　電容充電然后反過來提供給積分器,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,它們反過來頻繁地運(yùn)用(負(fù))參考電壓。密度通過下面的數(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(shù)字轉(zhuǎn)換器。

　　這種方法帶來了很多好處。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)平均值而不影響測量結(jié)果。節(jié)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(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。對傳感器制造商來說,需要足夠大的變化經(jīng)常會(huì)帶來問題,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)的變化來測量電容的改變。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(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)變化的簡單的接近傳感器,通常需要最復(fù)雜的測量電子學(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90%水,因而電介質(zhì)的值非常大(約50)。

　　遙控開關(guān)非常容易制造,因而使得諸如無鑰匙點(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。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)干擦和沒有擦到的問題。

　　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,一對固定的導(dǎo)板浸沒在要測量的液體中。制造商能夠以非常低的成本制造出印制導(dǎo)體。第二對導(dǎo)板附著在底部,可以檢測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,無論如何數(shù)字濾波器都是必要的,它們可以用來實(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)雜一些的方式來工作。另一方面,它可以用于測量復(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)通過快速的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和快速的傅立葉分析記錄下來。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,對其他頻率的反應(yīng)也可以測量出來。阻抗的實(shí)部和虛部可以據(jù)此計(jì)算出,并且通過數(shù)字總線輸出。完全掃描僅需要幾百毫秒。此圖對該方法進(jìn)行了說明。

　　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)或測量液體黏度的傳感器,例如引擎或潤滑油。

　　小結(jié)

　　電容傳感器正在汽車中迎來新生。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。