發布日期：2022-10-09 點擊率：78
為了承諾的功能，實現物聯網 (IoT) 將需要大量低成本傳感器，以獲取現實世界的信息并將其轉化成數字形式。 感應技術有很多，但并非全部都適合工業或惡劣環境應用，因此這些應用可能存在腐蝕性或爆炸性液體及氣體。
但是，電容式接近感應技術特別適合這些應用。 電容式接近感應是非接觸式的；活動元件可以進行環境密封；因此沒有移動的部件，避免了火花接觸引起爆炸危險。
電容式傳感器的基礎很簡單：一個簡單的電容器由兩個平行板組成；其電容值 C（法拉）可使用以下等式算出：
其中：
εr = 板間材料的介電常數
ε0 = 自由空間的介電常數 (8.85 x 10-12 F/m)
A = 板面積（寬 x 長）
d = 板間隔（米）
ε0 是一個常數，但改變任何其它變量都會影響 C 的值。這就是電容式接近感應的基礎。
通過在電路板上的導電區外構建一個隔離的傳感器板然后進行充電即可形成最簡單的電容式傳感器。 當接地的導電物體（包括手指）或介電常數不同于空氣的任何物體接近傳感器板時，就會形成一個電容器。 電容隨著物體接近傳感器而增加。 盡管電容變化很小且為非線性，但可大到可以測量，因此就構成了接近傳感器的基礎。
圖 1：電容式接近感應的三個傳感器配置：簡單單板 (a)、間接測量 (b) 以及可變介電常數 (c)。 （感謝 Texas Instruments 提供圖片）
圖 1 根據設計目標的不同展示了三個常見的電容式接近傳感器設計。 圖 1(a) 顯示的是已提到的方案。 有單個傳感器板，手指充當接地板。 隨著手指接近傳感器板，測得的電容會增加直到超過閾值，從而觸發模擬開關閉合等開/關事件。 多個獨立的傳感器可用于解釋上/下及左/右檢測的手勢。 隨著手指或物體移過目標區域，會改變全部四個傳感器的電容。 多通道檢測器可讀取全部四個值；然后軟件可以根據讀數的差別計算速度和方向。
對于液位感應，圖 1(b) 所述的間接測量方法比較流行。 傳感器和接地板相鄰并且電場線會穿過液體，當液位升降時就會改變電容。
直接感應也可用于測量液體；在此情況下，兩個傳感器板都會浸入液體中。 這兩種技術都有其不足：直接方法無法測量導電性液體，而間接方法會讓傳感器暴露于外部環境。
液位檢測基于比率測量且通常使用三個電容傳感器/接地對。 液位傳感器輸出與液位成比例；參考液位傳感器始終低于液位以補償基極電容和溫度；可選的參考環境傳感器可以超出最高液位，以跟蹤非液體（環境）因素。 圖 2 顯示了典型的傳感器位置。
圖 2：液位測量可能需要多達三個傳感器。 測得的電容是液位以及空氣和液體介電常數的函數。 （感謝 Texas Instruments 提供圖片）
在第三個變型中，圖 1(c) 展示的是針對物料搬運應用的裝置：電容取決于介電常數，是板之間板材張數的函數。
電容式接近傳感器接口 IC 需要一個專業化的模擬前端 (AFE)，以對電容式傳感器信號進行采樣并將其轉換為數字值。 除了對傳感器輸出定期采樣，器件還應提供激勵信號以對傳感器板充電。
器件通常包括多個通道，要么因為應用有此要求——例如液位感應需要三個通道，方向感應需要四個通道——要么只是因為它允許系統塊在多個通道之間使用，以實現更緊湊、更高效的設計。
采樣率可能相對較慢，因此前端多路復用器（MUX）允許一個模數轉換器 (ADC) 服務于多個通道。 捕獲電容的小變化（可能少于 1pF）需要高分辨率。
Texas Instruments 的 FDC1004 是一個 4 通道電容數字轉換器，就是一個好的集成接近感應 IC 實例。 它具有不到 500K 次/秒的采樣率，其 16 位三角積分 ADC 在速度、分辨率和低功耗之間實現了良好的平衡。
圖 3：FDC1004 擁有四個通道以及實現液位感應設計所需的所有電路；它還集成了主動屏蔽功能。 （感謝 Texas Instruments 提供圖片）
寄生電容補償
與機械開關不同，電容傳感器是模擬器件，因此任何噪聲都會影響測量準確度。 電容感應的一個麻煩的干擾源是，在感應器件引腳與傳感器本身之間出現對地寄生電容。 這種干擾電容可由電路的任何部分或任何物理對象表示，對電場造成非預期變化。
減輕此問題的一個簡單方法是主動屏蔽，也稱作主動防護。 屏蔽驅動器是一個在與傳感器輸入相同的電勢下驅動的輸出，因此屏蔽層與傳感器之間無電勢差。 然后，任何外部干擾都將耦合至與傳感器電極交互最少的屏蔽電極。
Microchip 的 MTCH10x 是一種包含此功能的 2、5 或 8 通道接近與觸摸控制器。 根據應用，輸入可設置為獨立傳感器通道或通道/主動防護對。
MTCH10x 具備運行時間可配置的靈敏度和功率，并包括一個復雜的掃描優化算法，可主動衰減來自信號的噪聲。 低電平有效輸出會將傳感器的狀態傳遞給主機微控制器或驅動 LED 指示燈。
圖 4：配置為單通道器件的 Microchip MTCH102，采用主動防護以實現最高的靈敏度。 （感應 Microchip Technology 提供圖片）
在圖 4 中，雙通道 MTCH102 會讀取單個傳感器：第二個通道配置為主動屏蔽。 推薦使用 R1 (4.7 kΩ) 以增加輸入上的抗噪能力。 MTSA 引腳上的電壓決定觸摸或接近傳感器的靈敏度。 VDD 將提供最低靈敏度；VSS 將提供最高靈敏度。
惡劣環境下改善操作
雖然電容式接近感應可以在無機械零件的情況下實現全密封式接口，但累積污染、結露或滴水都可能會帶來挑戰。 許多工業廠房和辦公區都會出現污染，汽車應用中可能出現極端的氣候條件，濕手和漏水在許多白色家電應用中幾乎是標準作業程序。
圖 5：NXP PCF8883 電容式傳感器 IC 自校準功能可將溫度及濕度變化導致的誤觸發減到最少。 （感謝 NXP 提供圖片）
觸摸感應中的一種普通方法是，在傳感器輸入引腳測量負載的絕對電容并將其與閾值比較，以決定是否出現觸摸。 如果傳感器板保持清潔并且控制好環境的溫度及濕度，此方法效果很好。 然而，空氣中的溫度及濕度變化可影響傳感器的表面泄漏、改變電容并誤觸發開關，即使變化率很慢也不例外。
濾波可通過幫助消除因污染或泄漏導致的電容變化，從而避免假觸發，這與有效輸入造成的情況不同。 例如，NXP PCF8883 及 PCF8885 電容式傳感器使用自校準技術來檢測電容變化。 這些器件可通過數字方式在輸入級過濾掉非常低和非常快的電容變化。 因此，性能受污垢、濕度、凝結溫度或可能影響性能的電極損壞等因素影響較小。
提升抗電磁干擾能力
電容感應應用中限制靈敏度的另一個挑戰是，傳感器的噪聲敏感性以及在高水平電磁干擾 (EMI) 環境中保持性能。
修改傳感器電路以包括頻率敏感的諧振電感振蕩電路，是增加 EMI 抗擾度的有用方法。 傳感器電容變化然后會造成 LC 振蕩電路的共振頻率轉變。
盡管變化很簡單，但向電容傳感器添加諧振元件可帶來某些重大優勢。 憑借其固有的窄帶特點，LC 諧振器提供了出色的 EMI 抗擾度。 此外，如果噪聲源的頻率已知，轉變傳感器的工作頻率就可以在不使用外部電路的情況下將它們過濾掉。 這將幫助增加系統的靈敏度并降低其復雜度。
TI 的 FDC2212 抗 EMI 感應 IC 就采用了這一原理。 它是多通道抗噪、抗 EMI、高分辨率、高速電容數字轉換器系列的一員，可以測量基于 LC 諧振器的傳感器的振蕩頻率。 此器件輸出與頻率成正比的數字值，并將其發送至下游 MCU 以供其轉換成等效電容。
此系列中的器件可抑制噪聲和干擾，并支持廣泛的激勵頻率范圍。 這尤其適合用于對諸如洗滌劑、肥皂和油墨之類導電性液體進行可靠檢測。
圖 6：FDC211x 和 FDC2212x 器件使用電感振蕩電路作為感應電路的一部分，以降低 EMI 敏感性。 （感謝 Texas Instruments 提供圖片）
FDC221x (x = 1, 2, 4) 經優化已經實現高達 28 位的高分辨率。 另一組零件 FDC211x 系列則針對使用快速移動目標的應用，能夠提供高達 13.3 ksps 的采樣率。
自足式電容傳感器
希望獲得電容式感應優勢但又需要“即插即用”解決方案的系統級設計師，現在可擁有各種各樣針對特定應用的預封裝傳感器選擇。 通過將傳感器和接口結合到單個封裝中，可簡化設計。例如，Omron 的 E2K-L 是一個用于液位感應的電容式接近傳感器系列，封裝后可適合安裝到指定直徑的管道上。 它包括配置為常開 (NO) 開關的 NPN 晶體管；該開關會在管內液體達到傳感器的水平位置時閉合。 圖 7 顯示了安裝到不同管道上的兩個器件。
圖 7：Omron 的 E2K 傳感器封裝后可夾持在管道外壁，并在液位達到其位置時發出指示。 （感謝 Omron Automation 提供圖片）
結論
電容感應是一種靈活的技術，正變得越來越流行，特別適合必須在危險環境中使用的設計。 傳感器可以像印刷電路板上的導電區域那樣簡單，市面上提供了多種低成本集成接口芯片選擇。 但是，設計師必須注意 EMI 及噪聲問題，以確保達到最佳性能。
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