新型測量方法催熱電容傳感器在汽車中的應(yīng)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(chǎn)成本較低、外形適應(yīng)簡單、功耗低等特性，從而推動了它們的應(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(jīng)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(shè)計的。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(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)過長時間間隔后，該值必須保持為零。短時間微小的階躍信號會轉(zhuǎn)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(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負的參考電壓。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用(負)參考電壓。密度通過下面的數(shù)字濾波轉(zhuǎn)換成一個數(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(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(jīng)濟有效地實現(xiàn)高精確度。Σ-Δ轉(zhuǎn)換器，幾乎沒有例外，具有一個相似的輸入結(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(jié)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(zhuǎn)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(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(jù)它的結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(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：