检测汽车容性传感器的新方法探讨

过去，汽车电子系统很少采用容性传感器，因为它们被认为难以控制、难以读出、容易老化且易受温度影响。另一方面，容性传感器具有制造成本适中、外形尺寸简单和功耗低等有吸引力的特性，这就为它们的使用提供了动力。随着新型测量技术的出现，汽车中容性传感器的使用数量急剧增加。

挑战

　　宏观上看，要对容性传感器进行分析，通常需将其电容转换为另一种物理变量，如电压、时间或频率等。微观上看，容性传感器已经在汽车中使用了很长时间，微机电加速度传感器就是基于这个原理，这些传感器常用于检测电荷转移。

　　一种用于检测电容的新方法是利用经过改造的Σ-Δ转换器输入级来检测未知电容，并将其转换为数字值。本文将阐述这种利用电容数字转换器(CDC)的方法，以及若干可用于汽车电子设计的容性传感器原理。最后，本文会概述另一种可选方法。

电容数字转换器

　　为了形象地说明CDC方法，我们必须初步了解Σ-Δ转换的原理。下面是一个简化的Σ-Δ转换器电路图。

　　为了清楚地了解其工作原理，我们首先看积分器的输入，它必须在较长的时间间隔内维持零值，小的短期跳跃将被转换为斜坡。通过把参考分支的输出提升到与输入分支一样的电平，可以实现零均值，它进而受到比较器输出的影响。在逻辑1下，基准电压被切换到后续电容。

　　电容反向充电并被施加到积分器，使负基准电压被施加到积分器。输入端的高电压因此引起大量的逻辑1，这些逻辑1进而频繁地作用在负基准电压上。1的密度被后置数字滤波器转换为数字数值。典型的Σ-Δ转换器将未知电压与已知电压比较，并利用两个已知（通常相等）的电容来做到这一点。

　　实际上，比较的是电荷，因此，如果两个电压均为已知值（这种情形下采用相等的电压），则电容可以通过Q=C*V来比较。还必须将一个同步电压信号施加到输入分支，如下图的电容数字转换器所示。

　　这种方法有几个优点。因为与Σ-Δ转换器存在密切关系，所以可以修改和采用它们众所周知的特性，这些特性包括：高噪声抑制能力、相对较低频率下的高分辨率，以及能够经济有效地实现高精度。

　　所有Σ-Δ转换器都具有类似的输入结构，几乎无一例外，因此人们可以对各种特殊结构进行改造，以适应特定的测量任务，例如：特别低的电流输入、最高精度或较高的截止频率。

　　如果我们仔细考察上图，可以发现更多的优点。寄生电容对初始近似没有任何作用。在节点A趋向零的寄生电容具有零电位。节点B不为零电位，但是一个已定义的低阻电位会馈入其中，所以在该节点的寄生电容将充电到一个不影响测量结果的平均值。从节点A到节点B的寄生电容总是与测量单元并联，并且总是以偏移量的形式出现。

　　现有电容数字转换器可以提供非常高的性能。例如，ADI公司的AD7745达到了24位分辨率和16位精度。

容性传感器

　　过去的电容分析系统需要比较大的测量电容，并在触摸时发生较大的电容变化。要求足够大的变化常常会给传感器制造商带来麻烦，而较小的电容传感器就不会出现这些问题。例如，典型的150 pF湿敏传感器不仅非常昂贵（因为容值比较大），而且更易于出错，长期稳定性也比较低。

　　电容的容值可以根据其结构进行计算：

　　C = εoεr A/d

　　其中，εo是自由空间的介电常数，εr是材料的介电常数，A是可用金属板面积，d是两电极之间的距离。除了若干例外情况之外，如压力传感器等，所有其他容性传感器都是利用金属板表面或电介质的变化来测量电容的变化。大部分传感器可以分为两类：一类是金属板几何面积发生变化，如液位传感或位移传感器；另一类是材料的介电常数εr发生变化，如接近传感器或湿敏传感器。

电介质传感器

　　电介质传感器的典型例子是湿敏传感器，它采用湿敏聚合物层作为电介质。随着湿度的增加，越来越多的水分子沉积下来，导致εr增大。确定液体（如石油或燃油）纯度的传感器本质上由两块固定的极板构成，液体本身构成电介质。所需要的液体特性凭经验确定（即石油或燃油中的水分增加）。温度起到决定性的作用，也必须可靠地确定下来。确定电介质变化的简单接近传感器通常需要最精密的测量电子系统。

　　多数情况下，接近传感器由印刷电路板上的两个导体构成，中间的介质具有非常低的介电常数（接近1）。如果一个物体（如手）移动到该电容的电场之中，容值就会发生变化。人体的含水量超过90%，因此具有非常高的介电常数（大约50）。

　　非接触式开关非常易于制造，支持诸如无钥匙点火或电动车窗防夹手等应用。无钥匙汽车的核心要求是电流输入尽可能最低，标准值是小于100 uA。Σ-Δ转换器经业界多年的改进优化，因此可提供合适的架构。

　　雨量传感器也可以采用类似的方法来实现，易于生产且具有成本效益，外形尺寸也有优势。但是，基于水滴光学折射的传统雨量传感器在风档玻璃上的有效面积非常小，这样就降低了系统的灵敏度，并一再导致干刮和雨刮失效的问题。

几何变化型传感器

　　依赖几何尺寸变化的传感器例子有压力传感器、液位传感器和位移传感器，它们都是简单地移动固定极板之间的电介质。压力传感器利用两块固定尺寸的极板作为隔膜，当有压力作用于传感器时，极板之间的距离会因为弹性而改变。

　　由于存在热膨胀，因此需要一个温度传感器来衡量几何尺寸的变化。设想将一个电极连接到芯片上，另一个电极连接到由金属或陶瓷制成的外壳上，因此外壳本身起到传感器的作用。例如，陶瓷外壳可以耐受非常高的压力和侵蚀性介质。与传统的惠斯通电桥相比，电容压力传感器的主要优点是输入电流要求更低，所以特别适合胎压控制之类的应用。

　　在液位传感器中，一对固定的极板浸入待测液体中。制造商能够以非常低的成本实现印刷导体。第二对极板则安装在底部区域，以便检测电介质因温度或其它影响而发生的变化，如下图所示。

　　在所有方法中，Σ-Δ技术证实格外有效。在许多情况下，必须使用的数字滤波器可以用来实现所需要的动态行为。例如，液位传感器需要超长的时间常数，而接近传感器则必须适应已变化的环境条件（如用于测量雨量或结冰情况的湿敏传感器等）。

另一种可选方法

　　还有一种技术也管用，它采用一种完全不同、稍微复杂的方法。但是，它可以用来测量复阻抗，包括感性、阻性/容性或阻性/感性传感器。这种情况下，传感器由一个非常精确的已知频率来激励，直接数字频率合成器(DDS)技术非常适合这种应用。

利用DDS方法计算阻抗的实部和虚部

　　传感器的响应通过快速模数转换器和快速傅里叶分析来记录。采用DDS方法，随时都能精确得知原始的相位位置。以相同的方式，还可以测量对其它频率的响应。由此可以计算阻抗的实部和虚部，然后通过数字总线输出。完整的扫描只要几百毫秒。下图说明了该方法。

　　该网络分析仪电路可以用于容性和感性传感器，以及记录运动或测量液体（如机油或变速箱油）粘度的传感器。

结束语

　　容性传感器在汽车应用中重获新生，新的应用方法已经在压力、液位、湿度、雨量和接近传感器的应用中初露锋芒。Σ-Δ技术能够提供灵活的解决方案来满足不同的动态和精度要求，并且支持实现功耗要求极低的传感器系统。CDC器件已用于多种汽车应用中，其应用范围将越来越广。