電容傳感器在汽車中的應用

過去，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，電容傳感器很少用于汽車電子之中。 但另一方面，它們也具有生產成本較低、外形適應簡單、功耗低等特性，從而推動了它們的應用。如今，一種新型測量技術的出現(xiàn)，使得汽車中電容傳感器的應用數(shù)量大幅增長。

宏觀上講，電容傳感器通常是通過將電容轉換成電壓、時間或者頻率等另一種物理變量來進行分析。而在微觀上，電容傳感器已經長期用于汽車之中；微機械加速度傳感器就是基于這個原理設計的。這些經常用來檢測電荷轉移。

一種用于探測電容的新方法采用改進后的Σ-Δ轉換器的輸入級來檢測出未知的電容，并將其轉換成數(shù)字信號。 這種方法使用了電容數(shù)字轉換器(CDC)，在本文中要與幾個可以用于汽車的電容傳感器原理一起闡述說明。文末也會概要說明另一種可選方法。

電容數(shù)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，經過長時間間隔后，該值必須保持為零。短時間微小的階躍信號會轉變成斜坡信號。通過將基準支路的輸出提高到與輸入支路的值相同來達到零平均值，反過來這還受到比較器輸出的影響。這將參考點轉變成具有邏輯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，它們反過來頻繁地運用(負)參考電壓。密度通過下面的數(shù)字濾波轉換成一個數(shù)字化的數(shù)值。經典的Σ-Δ轉換器將未知的電壓與已知的電壓相比較，即采用兩個已知的電容(通常相等)來作此比較。

事實上是對電荷進行比較，因此電容可以用公式Q=C*V來比較，如果兩個電壓都已知(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)字轉換器。

這種方法帶來了很多好處。由于與Σ-Δ轉換器的關系密切，其眾所周知的特性可以改進并采納，這些特性包括高噪聲抑制、低頻時的高分辨率，以及能經濟有效地實現(xiàn)高精確度。Σ-Δ轉換器，幾乎沒有例外，具有一個相似的輸入結構，因此不同的特別結構可以適用于特殊的測量任務，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。寄生電容在最初的近似值中不扮演任何角色。 一個在節(jié)點A趨向于零的寄生電容具有零電位。節(jié)點B不為零，但是它由一個確定的低阻抗電位充電，因此在該節(jié)點的寄生電容將充電到一個平均值而不影響測量結果。節(jié)點A到B的寄生電容總是與測量元件并聯(lián)，并且通常會出現(xiàn)一個偏移量。

現(xiàn)有的電容數(shù)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轉換器的簡圖

圖2：電容數(shù)字轉換器

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常會帶來問題，而在較小的電容傳感器卻不會出現(xiàn)。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，且長時間的穩(wěn)定性也較差。

電容器的電容可以根據它的結構來計算：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是所用的導板面積，d則是兩個電極之間的距離。除少數(shù)例外(如壓力傳感器)，所有電容傳感器都是利用導板表面或電介質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傳感器的經典例子，使用濕度敏感聚合物層作為電介質。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，實質由兩塊固定的導板構成，液體自身形成電介質。必需的液體特性根據經驗來確定(例如：油或燃料中增加的水份)。溫度起到決定性的作用，也必須可靠地確定。測量電介質變化的簡單的接近傳感器，通常需要最復雜的測量電子學。

圖3：

圖4：