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[導(dǎo)讀]過去,汽車電子系統(tǒng)很少采用容性傳感器,因?yàn)樗鼈儽徽J(rèn)為難以控制、難以讀出、容易老化且易受溫度影響。另一方面,容性傳感器具有制造成本適中、外形尺寸簡單和功耗低等有吸引力的特性,這就為它們的使用提供了動(dòng)力。

過去,汽車電子系統(tǒng)很少采用容性傳感器,因?yàn)樗鼈儽徽J(rèn)為難以控制、難以讀出、容易老化且易受溫度影響。另一方面,容性傳感器具有制造成本適中、外形尺寸簡單和功耗低等有吸引力的特性,這就為它們的使用提供了動(dòng)力。隨著新型測量技術(shù)的出現(xiàn),汽車中容性傳感器的使用數(shù)量急劇增加。

挑戰(zhàn)

  宏觀上看,要對(duì)容性傳感器進(jìn)行分析,通常需將其電容轉(zhuǎn)換為另一種物理變量,如電壓、時(shí)間或頻率等。微觀上看,容性傳感器已經(jīng)在汽車中使用了很長時(shí)間,微機(jī)電加速度傳感器就是基于這個(gè)原理,這些傳感器常用于檢測電荷轉(zhuǎn)移。

  一種用于檢測電容的新方法是利用經(jīng)過改造的Σ-Δ轉(zhuǎn)換器輸入級(jí)來檢測未知電容,并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字值。本文將闡述這種利用電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器(CDC)的方法,以及若干可用于汽車電子設(shè)計(jì)的容性傳感器原理。最后,本文會(huì)概述另一種可選方法。

電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器

  為了形象地說明CDC方法,我們必須初步了解Σ-Δ轉(zhuǎn)換的原理。下面是一個(gè)簡化的Σ-Δ轉(zhuǎn)換器電路圖。

  為了清楚地了解其工作原理,我們首先看積分器的輸入,它必須在較長的時(shí)間間隔內(nèi)維持零值,小的短期跳躍將被轉(zhuǎn)換為斜坡。通過把參考分支的輸出提升到與輸入分支一樣的電平,可以實(shí)現(xiàn)零均值,它進(jìn)而受到比較器輸出的影響。在邏輯1下,基準(zhǔn)電壓被切換到后續(xù)電容。

  電容反向充電并被施加到積分器,使負(fù)基準(zhǔn)電壓被施加到積分器。輸入端的高電壓因此引起大量的邏輯1,這些邏輯1進(jìn)而頻繁地作用在負(fù)基準(zhǔn)電壓上。1的密度被后置數(shù)字濾波器轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)值。典型的Σ-Δ轉(zhuǎn)換器將未知電壓與已知電壓比較,并利用兩個(gè)已知(通常相等)的電容來做到這一點(diǎn)。

  實(shí)際上,比較的是電荷,因此,如果兩個(gè)電壓均為已知值(這種情形下采用相等的電壓),則電容可以通過Q=C*V來比較。還必須將一個(gè)同步電壓信號(hào)施加到輸入分支,如下圖的電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器所示。

  這種方法有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)榕cΣ-Δ轉(zhuǎn)換器存在密切關(guān)系,所以可以修改和采用它們眾所周知的特性,這些特性包括:高噪聲抑制能力、相對(duì)較低頻率下的高分辨率,以及能夠經(jīng)濟(jì)有效地實(shí)現(xiàn)高精度。

  所有Σ-Δ轉(zhuǎn)換器都具有類似的輸入結(jié)構(gòu),幾乎無一例外,因此人們可以對(duì)各種特殊結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造,以適應(yīng)特定的測量任務(wù),例如:特別低的電流輸入、最高精度或較高的截止頻率。

  如果我們仔細(xì)考察上圖,可以發(fā)現(xiàn)更多的優(yōu)點(diǎn)。寄生電容對(duì)初始近似沒有任何作用。在節(jié)點(diǎn)A趨向零的寄生電容具有零電位。節(jié)點(diǎn)B不為零電位,但是一個(gè)已定義的低阻電位會(huì)饋入其中,所以在該節(jié)點(diǎn)的寄生電容將充電到一個(gè)不影響測量結(jié)果的平均值。從節(jié)點(diǎn)A到節(jié)點(diǎn)B的寄生電容總是與測量單元并聯(lián),并且總是以偏移量的形式出現(xiàn)。

  現(xiàn)有電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器可以提供非常高的性能。例如,ADI公司的AD7745達(dá)到了24位分辨率和16位精度。

容性傳感器

  過去的電容分析系統(tǒng)需要比較大的測量電容,并在觸摸時(shí)發(fā)生較大的電容變化。要求足夠大的變化常常會(huì)給傳感器制造商帶來麻煩,而較小的電容傳感器就不會(huì)出現(xiàn)這些問題。例如,典型的150 pF濕敏傳感器不僅非常昂貴(因?yàn)槿葜当容^大),而且更易于出錯(cuò),長期穩(wěn)定性也比較低。

  電容的容值可以根據(jù)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算:

  C = εoεr A/d

  其中,εo是自由空間的介電常數(shù),εr是材料的介電常數(shù),A是可用金屬板面積,d是兩電極之間的距離。除了若干例外情況之外,如壓力傳感器等,所有其他容性傳感器都是利用金屬板表面或電介質(zhì)的變化來測量電容的變化。大部分傳感器可以分為兩類:一類是金屬板幾何面積發(fā)生變化,如液位傳感或位移傳感器;另一類是材料的介電常數(shù)εr發(fā)生變化,如接近傳感器或濕敏傳感器。

電介質(zhì)傳感器

  電介質(zhì)傳感器的典型例子是濕敏傳感器,它采用濕敏聚合物層作為電介質(zhì)。隨著濕度的增加,越來越多的水分子沉積下來,導(dǎo)致εr增大。確定液體(如石油或燃油)純度的傳感器本質(zhì)上由兩塊固定的極板構(gòu)成,液體本身構(gòu)成電介質(zhì)。所需要的液體特性憑經(jīng)驗(yàn)確定(即石油或燃油中的水分增加)。溫度起到?jīng)Q定性的作用,也必須可靠地確定下來。確定電介質(zhì)變化的簡單接近傳感器通常需要最精密的測量電子系統(tǒng)。

  多數(shù)情況下,接近傳感器由印刷電路板上的兩個(gè)導(dǎo)體構(gòu)成,中間的介質(zhì)具有非常低的介電常數(shù)(接近1)。如果一個(gè)物體(如手)移動(dòng)到該電容的電場之中,容值就會(huì)發(fā)生變化。人體的含水量超過90%,因此具有非常高的介電常數(shù)(大約50)。

  非接觸式開關(guān)非常易于制造,支持諸如無鑰匙點(diǎn)火或電動(dòng)車窗防夾手等應(yīng)用。無鑰匙汽車的核心要求是電流輸入盡可能最低,標(biāo)準(zhǔn)值是小于100 uA。Σ-Δ轉(zhuǎn)換器經(jīng)業(yè)界多年的改進(jìn)優(yōu)化,因此可提供合適的架構(gòu)。

  雨量傳感器也可以采用類似的方法來實(shí)現(xiàn),易于生產(chǎn)且具有成本效益,外形尺寸也有優(yōu)勢。但是,基于水滴光學(xué)折射的傳統(tǒng)雨量傳感器在風(fēng)檔玻璃上的有效面積非常小,這樣就降低了系統(tǒng)的靈敏度,并一再導(dǎo)致干刮和雨刮失效的問題。

幾何變化型傳感器

  依賴幾何尺寸變化的傳感器例子有壓力傳感器、液位傳感器和位移傳感器,它們都是簡單地移動(dòng)固定極板之間的電介質(zhì)。壓力傳感器利用兩塊固定尺寸的極板作為隔膜,當(dāng)有壓力作用于傳感器時(shí),極板之間的距離會(huì)因?yàn)閺椥远淖儭?/p>

  由于存在熱膨脹,因此需要一個(gè)溫度傳感器來衡量幾何尺寸的變化。設(shè)想將一個(gè)電極連接到芯片上,另一個(gè)電極連接到由金屬或陶瓷制成的外殼上,因此外殼本身起到傳感器的作用。例如,陶瓷外殼可以耐受非常高的壓力和侵蝕性介質(zhì)。與傳統(tǒng)的惠斯通電橋相比,電容壓力傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是輸入電流要求更低,所以特別適合胎壓控制之類的應(yīng)用。

  在液位傳感器中,一對(duì)固定的極板浸入待測液體中。制造商能夠以非常低的成本實(shí)現(xiàn)印刷導(dǎo)體。第二對(duì)極板則安裝在底部區(qū)域,以便檢測電介質(zhì)因溫度或其它影響而發(fā)生的變化,如下圖所示。

  在所有方法中,Σ-Δ技術(shù)證實(shí)格外有效。在許多情況下,必須使用的數(shù)字濾波器可以用來實(shí)現(xiàn)所需要的動(dòng)態(tài)行為。例如,液位傳感器需要超長的時(shí)間常數(shù),而接近傳感器則必須適應(yīng)已變化的環(huán)境條件(如用于測量雨量或結(jié)冰情況的濕敏傳感器等)。

另一種可選方法

  還有一種技術(shù)也管用,它采用一種完全不同、稍微復(fù)雜的方法。但是,它可以用來測量復(fù)阻抗,包括感性、阻性/容性或阻性/感性傳感器。這種情況下,傳感器由一個(gè)非常精確的已知頻率來激勵(lì),直接數(shù)字頻率合成器(DDS)技術(shù)非常適合這種應(yīng)用。

利用DDS方法計(jì)算阻抗的實(shí)部和虛部

  傳感器的響應(yīng)通過快速模數(shù)轉(zhuǎn)換器和快速傅里葉分析來記錄。采用DDS方法,隨時(shí)都能精確得知原始的相位位置。以相同的方式,還可以測量對(duì)其它頻率的響應(yīng)。由此可以計(jì)算阻抗的實(shí)部和虛部,然后通過數(shù)字總線輸出。完整的掃描只要幾百毫秒。下圖說明了該方法。

  該網(wǎng)絡(luò)分析儀電路可以用于容性和感性傳感器,以及記錄運(yùn)動(dòng)或測量液體(如機(jī)油或變速箱油)粘度的傳感器。

結(jié)束語

  容性傳感器在汽車應(yīng)用中重獲新生,新的應(yīng)用方法已經(jīng)在壓力、液位、濕度、雨量和接近傳感器的應(yīng)用中初露鋒芒。Σ-Δ技術(shù)能夠提供靈活的解決方案來滿足不同的動(dòng)態(tài)和精度要求,并且支持實(shí)現(xiàn)功耗要求極低的傳感器系統(tǒng)。CDC器件已用于多種汽車應(yīng)用中,其應(yīng)用范圍將越來越廣。

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