车用电容传感器的新关键
曩昔，在轿车里很少运用电容传感器，因为它们欠好操控，难以读取数据，简略老化，而且依赖于温度。可是，其低价的出产本钱、简略的外形习惯性及低功耗特性都是招引用户的特色。一种新的电容丈量技能的鼓起，使得车用电容传感器的数量急剧上升。
问题的提出：
微观上说，电容传感器一般通过将电容转化成其它物理量，例如电压、时刻或频率进行剖析。微观上说，电容传感器运用于轿车现已很长时刻了；微机电（MEMS）加速度传感器便是依据电容传感器原理。这些传感器一般用于检测电荷的搬运。ADI公司现已开宣布一种新的检测电容的办法，它选用了改善的Σ-Δ模数转化器（ ADC）的输入级检测不知道的电容并将其转化成数字量，称其为电容数字转化器或CDC。本文首要解释一下CDC转化办法，接着介绍几种可在轿车中运用的电容传感器的作业原理，最终，扼要介绍一下替换转化办法。
电容数字转化器（CDC）：
为了直观描绘CDC转化办法，咱们有必要先侧重介绍一下Σ-Δ ADC的作业原理。图1示出了一个简化原理图。
图1：Σ-ΔADC原理图
为了清楚地了解Σ-ΔADC的作业原理，咱们首要调查积分器的输入端，它有必要对长时刻积分坚持为零。它对短时刻的跳变应将其转化成斜坡。当参阅支路的输出起伏改动到与输入支路的起伏相一起其积分平均值为零，接着用比较器的输出对它起效果。当将参阅支路切换到后续电容时，比较器输出为逻辑“1”。电容充电后对积分器反相积分，以便对积分器施加负参阅电压。因而当输入端施加高电压时会发生很多的逻辑“1”，相同频频地施加正（负）参阅电压。由后边的数字滤波器转化的由“1”组成的数据流生成数字量。规范的Σ-ΔADC将不知道电压与已知电压进行比较，一般与两个已知的（一般是持平的）电容器进行比较。因而实际上比较的是电荷。假如两个电压都已知（在本例中运用的是持平的电压），那么可以用公式Q=C×U比较电容。别的，还有必要对输入支路施加一个同步的电压信号，如图2所示的原理图。
图2：电容数字转化器
电容数字转化器有许多长处。因为它与Σ-ΔADC有亲近的联络，所以可以选用和修正Σ-ΔADC具有的一些众所周知的特性。这些特性包含很高的噪声按捺才能、在极低频率下具有高分辨率、高精度低本钱以及抗电磁干扰等外部影响的鲁棒性。Σ-ΔADC简直毫无破例地具有相似的输入结构，以便对详细的丈量使命选用各种不同的结构，例如特别低的电流输入、最大精度或较高的截止频率。进一步调查图2咱们会发现更多的长处。在初始的丈量值中寄生电容不起效果。寄生电容在节点A处趋近于0，具有零电位。在节点B处不为0，可是向它供给一个确认的低阻电位，因而该节点的寄生电容会充电到平均值而不会影响丈量成果。从节点A到节点B之间的寄生电容总是与丈量元件并联，而且总是作为失调电压呈现。
AD7745是首款CDC，它供给24 bit分辨率和16 bit精度。它具有大约50 aF分辨率和2 fF （通过校准的）精度。参阅电容具有严厉规则的温度系数，因而可将其用作内置温度传感器既可用于进步丈量精度，也可用作参阅电容。
电容传感器：曾经的电容剖析体系要求很高的丈量电容，而且当接触时具有大的电容量改动。这种关于具有满意大改动的要求对应传感器制作商常常发生问题，而对应小的电容传感器则不该存在问题。例如，典型的150 pF湿度传感器不只贵重许多（因为它们尺度变大），而且更简略发生过错，而且长期稳定性也降低了。
电容器的容量依据其结构依照公式C = εoεrA/d核算，其间εo是真空中的介电常数，εr是介质中的介电常数，A是极板的有用面积，d是两个电极之间的间隔。除了几个破例如压力传感器等，一切的电容传感器都运用平板外表或电介质的改动丈量电容器的改动。大多数传感器可被归为两类：依据极板面积（几许尺度）的改动（例如液位传感器或位移传感器）和依据εr的改动（例如挨近传感器或湿度传感器）。
电介质传感器：
传统的电介质传感器的实例是选用对湿度灵敏的聚合层作为介质的湿度传感器。跟着湿度的添加，水分子堆积得越来越多，因而εr增大。测定液体（例如油或燃料）纯度的传感器实质上是由两个固定的平板构成的，液体本身构成电介质。所需液体的性质首要由经历决议（例如油或燃猜中添加的水份含量）。温度在其间起着决议性效果，所以决议有必要牢靠。简略的挨近传感器，它决议着介质的改换，一般要求最杂乱的丈量电子电路。
图3：挨近传感器
在大多数情况下，挨近传感器由印刷电路板上两个导体组成，两导体之间的电介质值具有很低的介电常数（挨近1）。假如有一个物体，例如人手，挨近电容器的电场移动，电容就会改动。人体的水分含量超越90%，因而介电常数很高（约为50）。无触点开关的制作十分简略，因而用于电子窗口的无钥匙进入和箝位维护等运用。无钥匙轿车的中心要求是电流输入尽可能最低——规范值低于100 µA。Σ-ΔADC在业界现已优化很多年了，因而可供给合理的体系结构。用相同的办法可完成雨量传感器，这些传感器简略出产，本钱很低而且具有尺度小的特色，传统的依据水滴的光折射的雨量传感器有必要十分小，然后减小了占用挡风玻璃上的面积，一起导致了雨量小时可重复的问题。
几许尺度传感器：
依据几许尺度改动的传感器实例是压力传感器、液位传感器和位移传感器——仅仅简略地在两块固定的极板之间改动电介质。压力传感器运用两块固定巨细的板作为膜片；因为膜片有弹性，压力效果在传感器上时两板之间的间隔会改动。
图4：压力传感器
需求一个温度传感器是因为热膨胀引起的几许尺度改动。想象两个电电极中的一个电极连接到芯片上，另一个连在金属或陶瓷结构的外壳上，因而外壳本身起到传感器的效果。例如，陶瓷外壳，陶瓷能接受很大的压力和侵蚀性媒体。与传统的惠斯通电桥比较，电容压力传感器的首要优势在于其低输入电流，然后使其特别适合于轮胎气压操控等运用。
在液位传感器中，丈量浸入在液体中一对固定的平板。制作商可以用极低价格的印刷导线完成。另一对平板放置在底部，然后答应检测介质因温度或其它要素发生的改动，如图5所示。
图5：液位传感器
在一切办法中，Σ-ΔADC通过证明是最受欢迎的。在许多情况下，总是能用数字滤波器能完成要求的动态行为。例如，液位传感器要求极长时刻的稳定，而挨近传感器有必要习惯周围环境的改动（如雨雪中运用的湿度传感器）。
替换转化办法：
咱们扼要地讨论一下替换转化办法。这种作业方式依照一种彻底不同，乃至比较杂乱的办法。另一方面，这种办法可用于丈量复数阻抗包含，感抗、阻抗和容抗，或许阻性性和理性传感器。这种情况下，用一十分精细的已知频率鼓励传感器。ADI公司为此运用了直接数字频率组成技能（DDC）。用快速ADC和快速傅立叶剖析办法记载传感器的呼应。用DDS办法可精确地知道任何时刻原始相位方位。依照相同的办法，可以丈量出对其它频率的呼应。由此可以核算出阻抗的实部和虚部，并在数据总线上输出。一次完好的扫描只需几百毫秒（ms）。图6示出了这种办法。
图6：AD5933作业框图
ADI公司将这种电路称为网络剖析器。除了电容传感器和电感传感器，恰当的传感器还能记载待测液体中粘度的改动（例如机油或润滑油）。
总结：
电容传感器正在轿车行业中复苏。一种新的办法已展现了湿度传感器、雨量传感器和挨近传感器的开始成功。选用的Σ-ΔADC技能可以供给灵敏的解决方案以满意不同的动态和精度的要求，而且可以使传感器体系满意极低的功耗需求。电容传感器现已用于多种运用，而且ADI公司正在开发习惯轮胎压力传感器和无钥匙轿车解决方案。随后咱们将开发替换解决方案。
