ADAS-探索「汽车电容式传感器」的原理、应用和未来发展

laoxiang21

“ 随着汽车电子技术的飞速发展，各种传感器在汽车中得到了广泛应用。其中，电容式传感器作为一种新兴的传感器技术，正逐渐成为汽车电子领域的重要组成部分。电容式传感器作为一种能够测量电容变化的传感器，在汽车制动控制、液位检测、角度测量等方面都有着广泛的应用。相比于其它传感器，电容式传感器具有精度高、响应快、体积小等优点，因此在汽车行业中被广泛采用。本公众号将深入探讨汽车电容式传感器的工作原理、应用场景和未来发展方向，分享最新的技术进展和研究成果，帮助读者更好地理解和应用汽车电容式传感器技术，推动汽车电子技术的发展。”



01—什么是电容式传感器？
回归传感器的本质，传感器是一种可以通过感知环境物理量或者化学量然后转化成可以处理的电信号或者数字信号的设备。在众多传感器中，电容传感器是一种测量电容值的传感器，它能够检测电容器的电容变化，并将其转换成电信号输出，基于此原理可以衍生出众多的测量传感器，如湿度传感器、温度传感器、压力传感器、位移传感器等。在本文中，为了统一我们将基于此原理的传感器统称为电容式传感器。在汽车中，电容式传感器典型应用有方向盘触摸按键、电容式触摸屏、感应式门把手等，典型应用如下图所示：


近年来，在国家政策的扶持下，新能源汽车得以快速发展，汽车电子化和智能化的不断提高，其中电容式传感器的应用也越来越多，并在汽车的节能减排、安全性能、自动驾驶等方面发挥越来越重要的作用，下面我们将介绍其工作原理，揭开其背后本质。

02—电容式传感器原理
电容式传感器感知的原理是基于电容的变化与其间隔距离和介电常数有关， 当两个电容板之间的距离或者介质改变时，电容板之间的容值也会发生变化，通过此原理便可以感知压力、距离等信息。从其电容式传感器的原理可以看出，一般电容式传感器有两种形态：按压式以及感应式。
[2.1] 感应式电容传感器
感应式电容传感器原理图如下所示：

当目标物体靠近或远离时，电容式传感器sensor之间的介质会发生变化，从而导致电容值的变化。电容式传感器通过测量这种电容变化来检测目标物体的位置、运动或其它属性。典型如感应式门把手、感应式后备箱、液位检测仪都是基于此来制作的。
[2.1] 接触式电容传感器
接触式电容式传感器的基本结构由两个平行的金属板构成，它们之间被分隔开来，以防止它们直接接触，其结构如下所示：

当传感器与目标物体靠近时，这个金属板的间距会缩小，从而导致电容值的增加。而当电容式传感器与目标物体远离时，金属板的间距会增加，导致电容值减小。这种电容变化通常是微小的，因此需要使用高精度的电子测量设备来进行检测和测量。典型如汽车方向盘的触摸按键、电容式触摸屏等都是基于此原理制作而成。
03—电容式传感器数据采集
    电容本质上是一种存储电荷的东西，容值越大，存储的电荷越多，反之容值越小，存储的电荷越少。基于此我们便可以清楚，要对其数据进行采集，只需要采集电容器中的电荷，然后对电荷进行转换即可。以TI的FDC1004芯片为例，其采集原理框架如下所示：


FDC1004是实现一种开关电容器电路，主要完成的功能是将电荷从传感器电极传输至 Σ-Δ模数转换器(ADC)。芯片在特定时间段内以固定的驱动波形对电极进行充电。然后，在一段固定的时间后，传感器上的电荷会传输到采样-保持电路。经过ADC转换后的数字信号在经过MCU或者DSP数字滤波、信号处理转换后便可以输出对应的传感器数据。
04—结束语
感谢您的阅读，本文介绍了电容式传感器在汽车中的应用。电容式传感器可以提供各种参数的测量数据，从而为汽车的智能控制、节能减排、安全性能等方面提供重要的支持。在未来，随着汽车电子化和智能化的不断发展，电容式传感器在汽车领域的应用前景将会更加广阔。
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