過去,由於(yu) 被認為(wei) 具有難以控製、不易讀取、易於(yu) 老化和溫度要求嚴(yan) 格等特點,電容傳(chuan) 感器很少用於(yu) 汽車電子之中。但另一方麵,它們(men) 也具有生產(chan) 成本較低、外形適應簡單、功耗低等特性,從(cong) 而推動了它們(men) 的應用。如今,一種新型測量技術的出現,使得汽車中電容傳(chuan) 感器的應用數量大幅增長。

　　宏觀上講,電容傳(chuan) 感器通常是通過將電容轉換成電壓、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(chuan) 感器已經長期用於(yu) 汽車之中;微機械加速度傳(chuan) 感器就是基於(yu) 這個(ge) 原理設計的。這些經常用來檢測電荷轉移。

　　一種用於(yu) 探測電容的新方法采用改進後的Σ-Δ轉換器的輸入級來檢測出未知的電容,並將其轉換成數字信號。這種方法使用了電容數字轉換器(CDC),在本文中要與(yu) 幾個(ge) 可以用於(yu) 汽車的電容傳(chuan) 感器原理一起闡述說明。文末也會(hui) 概要說明另一種可選方法。

　　電容數字轉換器

　　要形象描述CDC,我們(men) 必須對Σ-Δ轉換器原理作一番介紹。圖1是Σ-Δ轉換器的簡圖。

　　為(wei) 了清楚地了解其工作過程,首先我們(men) 看積分器的輸入,經過長時間間隔後,該值必須保持為(wei) 零。短時間微小的階躍信號會(hui) 轉變成斜坡信號。通過將基準支路的輸出提高到與(yu) 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。這將參考點轉變成具有邏輯1的並聯電容。

　　電容充電然後反過來提供給積分器,這樣積分器得到一個(ge) 負的參考電壓。因此輸入端的高壓導致大量邏輯部分,它們(men) 反過來頻繁地運用(負)參考電壓。密度通過下麵的數字濾波轉換成一個(ge) 數字化的數值。經典的Σ-Δ轉換器將未知的電壓與(yu) 已知的電壓相比較,即采用兩(liang) 個(ge) 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(liang) 個(ge) 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顯示的是電容數字轉換器。

　　這種方法帶來了很多好處。由於(yu) 與(yu) Σ-Δ轉換器的關(guan) 係密切,其眾(zhong) 所周知的特性可以改進並采納,這些特性包括高噪聲抑製、低頻時的高分辨率,以及能經濟有效地實現高精確度。Σ-Δ轉換器,幾乎沒有例外,具有一個(ge) 相似的輸入結構,因此不同的特別結構可以適用於(yu) 特殊的測量任務,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(men) 仔細地審視圖2,可以清楚看到更多的優(you) 點。寄生電容在最初的近似值中不扮演任何角色。一個(ge) 在節點A趨向於(yu) 零的寄生電容具有零電位。節點B不為(wei) 零,但是它由一個(ge) 確定的低阻抗電位充電,因此在該節點的寄生電容將充電到一個(ge) 平均值而不影響測量結果。節點A到B的寄生電容總是與(yu) 測量元件並聯,並且通常會(hui) 出現一個(ge) 偏移量。

　　現有的電容數字轉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。
 

　　電容式傳(chuan) 感器

　　以前的電容分析係統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(chuan) 感器製造商來說,需要足夠大的變化經常會(hui) 帶來問題,而在較小的電容傳(chuan) 感器卻不會(hui) 出現。例如,典型的150pF濕度傳(chuan) 感器不僅(jin) 相當昂貴(因為(wei) 比較大),還容易出錯,且長時間的穩定性也較差。

　　電容器的電容可以根據它的結構來計算：C=εoεrA/d

　　其中,εo是真空介電常數,εr是材料的介電常數,A是所用的導板麵積,d則是兩(liang) 個(ge) 電極之間的距離。除少數例外(如壓力傳(chuan) 感器),所有電容傳(chuan) 感器都是利用導板表麵或電介質的變化來測量電容的改變。大多數傳(chuan) 感器可以被劃分成兩(liang) 類：一類是導板麵積(幾何)變化的(如液位傳(chuan) 感器或位移傳(chuan) 感器);另一類是依賴εr變化的(如接近傳(chuan) 感器或濕度傳(chuan) 感器)。

　　濕度傳(chuan) 感器是電介質傳(chuan) 感器的經典例子,使用濕度敏感聚合物層作為(wei) 電介質。隨著濕度的增加,堆積越來越多的水分子,因此εr增大。傳(chuan) 感器檢測液體(ti) (如油或燃料)的純度,實質由兩(liang) 塊固定的導板構成,液體(ti) 自身形成電介質。必需的液體(ti) 特性根據經驗來確定(例如：油或燃料中增加的水份)。溫度起到決(jue) 定性的作用,也必須可靠地確定。測量電介質變化的簡單的接近傳(chuan) 感器,通常需要最複雜的測量電子學。
 

                                                                               圖3

 

                                                                          圖4
 

                                                             圖5