為了承諾的功能，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 將需要大量低成本傳感器，以獲取現(xiàn)實(shí)世界的信息并將其轉(zhuǎn)化成數(shù)字形式。 感應(yīng)技術(shù)有很多，但并非全部都適合工業(yè)或惡劣環(huán)境應(yīng)用，因此這些應(yīng)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(yīng)技術(shù)特別適合這些應(yīng)用。 電容式接近感應(yīng)是非接觸式的；活動(dòng)元件可以進(jìn)行環(huán)境密封；因此沒有移動(dòng)的部件，避免了火花接觸引起爆炸危險(xiǎn)。
電容式傳感器的基礎(chǔ)很簡單：一個(gè)簡單的電容器由兩個(gè)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(shù)
ε0 = 自由空間的介電常數(shù) (8.85 x 10-12 F/m)
A = 板面積（寬 x 長）
d = 板間隔（米）
ε0 是一個(gè)常數(shù)，但改變?nèi)魏纹渌兞慷紩绊?C 的值。這就是電容式接近感應(yīng)的基礎(chǔ)。
通過在電路板上的導(dǎo)電區(qū)外構(gòu)建一個(gè)隔離的傳感器板然后進(jìn)行充電即可形成最簡單的電容式傳感器。 當(dāng)接地的導(dǎo)電物體（包括手指）或介電常數(shù)不同于空氣的任何物體接近傳感器板時(shí)，就會形成一個(gè)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(gòu)成了接近傳感器的基礎(chǔ)。
圖 1：電容式接近感應(yīng)的三個(gè)傳感器配置：簡單單板 (a)、間接測量 (b) 以及可變介電常數(shù) (c)。 （感謝 Texas Instruments 提供圖片）
圖 1 根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)的不同展示了三個(gè)常見的電容式接近傳感器設(shè)計(jì)。 圖 1(a) 顯示的是已提到的方案。 有單個(gè)傳感器板，手指充當(dāng)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(fā)模擬開關(guān)閉合等開/關(guān)事件。 多個(gè)獨(dú)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(biāo)區(qū)域，會改變?nèi)克膫€(gè)傳感器的電容。 多通道檢測器可讀取全部四個(gè)值；然后軟件可以根據(jù)讀數(shù)的差別計(jì)算速度和方向。
對于液位感應(yīng)，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(dāng)液位升降時(shí)就會改變電容。
直接感應(yīng)也可用于測量液體；在此情況下，兩個(gè)傳感器板都會浸入液體中。 這兩種技術(shù)都有其不足：直接方法無法測量導(dǎo)電性液體，而間接方法會讓傳感器暴露于外部環(huán)境。
液位檢測基于比率測量且通常使用三個(gè)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(bǔ)償基極電容和溫度；可選的參考環(huán)境傳感器可以超出最高液位，以跟蹤非液體（環(huán)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(dá)三個(gè)傳感器。 測得的電容是液位以及空氣和液體介電常數(shù)的函數(shù)。 （感謝 Texas Instruments 提供圖片）
在第三個(gè)變型中，圖 1(c) 展示的是針對物料搬運(yùn)應(yīng)用的裝置：電容取決于介電常數(shù)，是板之間板材張數(shù)的函數(shù)。
電容式接近傳感器接口 IC 需要一個(gè)專業(yè)化的模擬前端 (AFE)，以對電容式傳感器信號進(jìn)行采樣并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字值。 除了對傳感器輸出定期采樣，器件還應(yīng)提供激勵(lì)信號以對傳感器板充電。
器件通常包括多個(gè)通道，要么因?yàn)閼?yīng)用有此要求——例如液位感應(yīng)需要三個(gè)通道，方向感應(yīng)需要四個(gè)通道——要么只是因?yàn)樗试S系統(tǒng)塊在多個(gè)通道之間使用，以實(shí)現(xiàn)更緊湊、更高效的設(shè)計(jì)。
采樣率可能相對較慢，因此前端多路復(fù)用器（MUX）允許一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 服務(wù)于多個(gè)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(gè) 4 通道電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器，就是一個(gè)好的集成接近感應(yīng) IC 實(shí)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(shí)現(xiàn)了良好的平衡。
圖 3：FDC1004 擁有四個(gè)通道以及實(shí)現(xiàn)液位感應(yīng)設(shè)計(jì)所需的所有電路；它還集成了主動(dòng)屏蔽功能。 （感謝 Texas Instruments 提供圖片）
寄生電容補(bǔ)償
與機(jī)械開關(guān)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(zhǔn)確度。 電容感應(yīng)的一個(gè)麻煩的干擾源是，在感應(yīng)器件引腳與傳感器本身之間出現(xiàn)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(yù)期變化。
減輕此問題的一個(gè)簡單方法是主動(dòng)屏蔽，也稱作主動(dòng)防護(hù)。 屏蔽驅(qū)動(dòng)器是一個(gè)在與傳感器輸入相同的電勢下驅(qū)動(dòng)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(jù)應(yīng)用，輸入可設(shè)置為獨(dú)立傳感器通道或通道/主動(dòng)防護(hù)對。
MTCH10x 具備運(yùn)行時(shí)間可配置的靈敏度和功率，并包括一個(gè)復(fù)雜的掃描優(yōu)化算法，可主動(dòng)衰減來自信號的噪聲。 低電平有效輸出會將傳感器的狀態(tài)傳遞給主機(jī)微控制器或驅(qū)動(dòng) LED 指示燈。
圖 4：配置為單通道器件的 Microchip MTCH102，采用主動(dòng)防護(hù)以實(shí)現(xiàn)最高的靈敏度。 （感應(yīng) Microchip Technology 提供圖片）
在圖 4 中，雙通道 MTCH102 會讀取單個(gè)傳感器：第二個(gè)通道配置為主動(dòng)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(huán)境下改善操作
雖然電容式接近感應(yīng)可以在無機(jī)械零件的情況下實(shí)現(xiàn)全密封式接口，但累積污染、結(jié)露或滴水都可能會帶來挑戰(zhàn)。 許多工業(yè)廠房和辦公區(qū)都會出現(xiàn)污染，汽車應(yīng)用中可能出現(xiàn)極端的氣候條件，濕手和漏水在許多白色家電應(yīng)用中幾乎是標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)程序。
圖 5：NXP PCF8883 電容式傳感器 IC 自校準(zhǔn)功能可將溫度及濕度變化導(dǎo)致的誤觸發(fā)減到最少。 （感謝 NXP 提供圖片）
觸摸感應(yīng)中的一種普通方法是，在傳感器輸入引腳測量負(fù)載的絕對電容并將其與閾值比較，以決定是否出現(xiàn)觸摸。 如果傳感器板保持清潔并且控制好環(huán)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(fā)開關(guān)，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(dǎo)致的電容變化，從而避免假觸發(fā)，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(zhǔn)技術(shù)來檢測電容變化。 這些器件可通過數(shù)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(jié)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(yīng)應(yīng)用中限制靈敏度的另一個(gè)挑戰(zhàn)是，傳感器的噪聲敏感性以及在高水平電磁干擾 (EMI) 環(huán)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(zhuǎn)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(yōu)勢。 憑借其固有的窄帶特點(diǎn)，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(zhuǎn)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(tǒng)的靈敏度并降低其復(fù)雜度。
TI 的 FDC2212 抗 EMI 感應(yīng) 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(shù)字轉(zhuǎn)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(shù)字值，并將其發(fā)送至下游 MCU 以供其轉(zhuǎn)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(lì)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(dǎo)電性液體進(jìn)行可靠檢測。
圖 6：FDC211x 和 FDC2212x 器件使用電感振蕩電路作為感應(yīng)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(jīng)優(yōu)化已經(jīng)實(shí)現(xiàn)高達(dá) 28 位的高分辨率。 另一組零件 FDC211x 系列則針對使用快速移動(dòng)目標(biāo)的應(yīng)用，能夠提供高達(dá) 13.3 ksps 的采樣率。
自足式電容傳感器
希望獲得電容式感應(yīng)優(yōu)勢但又需要“即插即用”解決方案的系統(tǒng)級設(shè)計(jì)師，現(xiàn)在可擁有各種各樣針對特定應(yīng)用的預(yù)封裝傳感器選擇。 通過將傳感器和接口結(jié)合到單個(gè)封裝中，可簡化設(shè)計(jì)。例如，Omron 的 E2K-L 是一個(gè)用于液位感應(yīng)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(guān)的 NPN 晶體管；該開關(guān)會在管內(nèi)液體達(dá)到傳感器的水平位置時(shí)閉合。 圖 7 顯示了安裝到不同管道上的兩個(gè)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(dá)到其位置時(shí)發(fā)出指示。 （感謝 Omron Automation 提供圖片）
結(jié)論
電容感應(yīng)是一種靈活的技術(shù)，正變得越來越流行，特別適合必須在危險(xiǎn)環(huán)境中使用的設(shè)計(jì)。 傳感器可以像印刷電路板上的導(dǎo)電區(qū)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(shè)計(jì)師必須注意 EMI 及噪聲問題，以確保達(dá)到最佳性能。
