檢測汽車容性傳感器的新方法探討

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。