刺激汽车容性传感器应用的转换器测量方法

2011-10-06 10:31:25来源: 互联网 关键字:容性传感器  转换器测量

电容/数字转换器容许利用容性传感器的优点,包括:简单的形状适应、低的功耗和有利的制造成本以及便于控制和读出的优点。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,它们有利的制造成本、简单的形状适应能力和低的功耗却是为它们的应用提供动机的有吸引力的属性。新的测量技术的出现,使汽车中容性传感器的数据急剧增加。

面临的挑战

宏观上看搜企网版权所有,对容性传感器的分析通常是通过把它们的电容转换为另一种物理变量—如电压、时间或频率—来进行的。微观上看,容性传感器已经在汽车中使用了很长时间,微机电加速传感器就是根据这个原理。这些传感器常被用于检测电荷转移。

感应电容的一种新方法是利用经改良的sigma-delta转换器的输入级来检测未知电容并将其转换为数字值。本文介绍这种利用电容/数字转换器(CDC)的方法,

以及若干可被用于汽车中的容性传感器原理。最后,概要介绍一种可选的方法。

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sigma-delta转换的原理。下面是一个简化的sigma-delta转换器图。

 

为了清楚地掌握其工作原理,我们首先看积分器的输入;它必须在长的时间间隔内维持零值,小的短期跳跃将被转换为斜波。通过把参考分支的输出提升到与输入分支一样的电平moc.swenaii.www,可以实现零均值;它依次受到比较器输出的影响。这就把参考切换为具有逻辑“1”的后续电容。

电容被充电并施加到积分器的反向端,以便反向参考电压被施加到积分器上。在输入端的高电压因此引起大量的逻辑“1”,这些逻辑“1”依次频繁地作用在负参考上。“1”的密度通过后续的数字滤波器被转换为数字数值。典型的sigma-delta转换器将未知电压与已知电压比较,并利用两个已知道(通常相等)电容来做到这一点。

实际上,比较的是电荷,因此,如果两电压为已知(在这种情形下采用的是相等的电压),电容可以采用Q=C*V来比较。同步电压信号也必须被施加在输入分支,如下图所示就是这种电容/数字转换器。

 

这种方法有几个优点。因为与sigma-delta转换器存在密切关系金属加工网版权所有,人们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、对相对低频的高分辨率和有成效地实现高精度。

Sigma-delta转换器—几乎没有例外—都具有类似的输入结构,所以,人们可以针对特定的测量任务改变不同的特殊结构,例如,特别低的电流输入、最大精度或较高的截止频率。

如果我们进一步考察上图,可以清楚地发现更多的优点。寄生电容对初始近似没有任何影响。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,它通过一个已定义的低阻电位反馈,所以在该节点的寄生电容将充电到一个不影响已测量结果平均值。从节点A到节点B的寄生电容总是平行于测量单元,并且总是以偏移量的形式出现。

可用的电容/数字转换器可以提供非常高的性能。例如moc.swenaii.www,模拟器件公司提供的AD7745就达到了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和触摸时的大电容变化。这种对足够大变化的要求常常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150pF湿敏传感器不仅非常昂贵(因为它们的容值比较大),而且更易于出错并且长期稳定性也比较低。

电容器的容值可以其结构为基础进行计算:        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是稳定的金属板面积,而d是两电极之间的距离。除了若干例外情况之外金属加工网版权所有,如压力传感器,所有容性传感器都利用金属板表面或电介质的变化来测量电容的变化。大多传感器采用两种方法进行分类:1. 根据金属板几何面积变化进行分类,如液位传感或位移传感器;2. 根据材料的介电常数εr的变化进行分类,如接近传感器或湿敏传感器。

电介质传感器的典型例子是湿敏传感器,它采用湿敏聚合体层作为电介质。随着湿度的增加,越来越多的水分子被沉积下来,因此,εr会增加。确定液体纯度的传感器—如石油或燃油传感器—本质上由两块固定的极板构成,以液体本身形成电介质。所需要的液体特性由经验来确定(也就是对石油或燃油中所增加的水分子)。温度发挥决定性的作用并且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为精密的测量电子系统。

在大多数情形下SOOQ.cn版权所有,接近传感器由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,电容就会发生变化。巨大的人体由90%以上的水份构成,因此,具有非常高的介电常数(大约为50)。

 

非接触开关非常易于使用,因此,有可能实现诸如无钥点火或针对电动窗的箝位保护等应用。对于无钥汽车的重要要求是最低可能的电流输入,标准是小于100uA。因为sigma-delta转换器由业内做了多年的优化,因此是可用的合适架构。

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关键字:容性传感器  转换器测量

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2011/1006/article_3621.html
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