禁止接触！ 在物联网、工业和汽车应用中实现电容式接近感应设计

为了承诺的功能，实现物联网 (IoT) 将需要大量低成本传感器，以获取现实世界的信息并将其转化成数字形式。 感应技术有很多，但并非全部都适合工业或恶劣环境应用，因此这些应用可能存在腐蚀性或爆炸性液体及气体。

但是，电容式接近感应技术特别适合这些应用。  电容式接近感应是非接触式的；活动元件可以进行环境密封；因此没有移动的部件，避免了火花接触引起爆炸危险。

电容式传感器的基础很简单：一个简单的电容器由两个平行板组成；其电容值 C（法拉）可使用以下等式算出：

其中：

ε_r = 板间材料的介电常数

ε₀ = 自由空间的介电常数 (8.85 x 10-12 F/m)

A = 板面积（宽 x 长）

d = 板间隔（米）

ε₀ 是一个常数，但改变任何其它变量都会影响 C 的值。这就是电容式接近感应的基础。

通过在电路板上的导电区外构建一个隔离的传感器板然后进行充电即可形成最简单的电容式传感器。 当接地的导电物体（包括手指）或介电常数不同于空气的任何物体接近传感器板时，就会形成一个电容器。 电容随着物体接近传感器而增加。 尽管电容变化很小且为非线性，但可大到可以测量，因此就构成了接近传感器的基础。

图 1：电容式接近感应的三个传感器配置：简单单板 (a)、间接测量 (b) 以及可变介电常数 (c)。 （感谢 Texas Instruments 提供图片）

图 1 根据设计目标的不同展示了三个常见的电容式接近传感器设计。 图 1(a) 显示的是已提到的方案。 有单个传感器板，手指充当接地板。 随着手指接近传感器板，测得的电容会增加直到超过阈值，从而触发模拟开关闭合等开/关事件。 多个独立的传感器可用于解释上/下及左/右检测的手势。 随着手指或物体移过目标区域，会改变全部四个传感器的电容。 多通道检测器可读取全部四个值；然后软件可以根据读数的差别计算速度和方向。

对于液位感应，图 1(b) 所述的间接测量方法比较流行。 传感器和接地板相邻并且电场线会穿过液体，当液位升降时就会改变电容。

直接感应也可用于测量液体；在此情况下，两个传感器板都会浸入液体中。 这两种技术都有其不足：直接方法无法测量导电性液体，而间接方法会让传感器暴露于外部环境。

液位检测基于比率测量且通常使用三个电容传感器/接地对。 液位传感器输出与液位成比例；参考液位传感器始终低于液位以补偿基极电容和温度；可选的参考环境传感器可以超出最高液位，以跟踪非液体（环境）因素。 图 2 显示了典型的传感器位置。

图 2：液位测量可能需要多达三个传感器。 测得的电容是液位以及空气和液体介电常数的函数。 （感谢 Texas Instruments 提供图片）

在第三个变型中，图 1(c) 展示的是针对物料搬运应用的装置：电容取决于介电常数，是板之间板材张数的函数。

电容式接近传感器接口 IC 需要一个专业化的模拟前端 (AFE)，以对电容式传感器信号进行采样并将其转换为数字值。 除了对传感器输出定期采样，器件还应提供激励信号以对传感器板充电。

器件通常包括多个通道，要么因为应用有此要求——例如液位感应需要三个通道，方向感应需要四个通道——要么只是因为它允许系统块在多个通道之间使用，以实现更紧凑、更高效的设计。

采样率可能相对较慢，因此前端多路复用器（MUX）允许一个模数转换器 (ADC) 服务于多个通道。 捕获电容的小变化（可能少于 1pF）需要高分辨率。

Texas Instruments 的 FDC1004 是一个 4 通道电容数字转换器，就是一个好的集成接近感应 IC 实例。 它具有不到 500K 次/秒的采样率，其 16 位三角积分 ADC 在速度、分辨率和低功耗之间实现了良好的平衡。

图 3：FDC1004 拥有四个通道以及实现液位感应设计所需的所有电路；它还集成了主动屏蔽功能。 （感谢 Texas Instruments 提供图片）

寄生电容补偿

与机械开关不同，电容传感器是模拟器件，因此任何噪声都会影响测量准确度。 电容感应的一个麻烦的干扰源是，在感应器件引脚与传感器本身之间出现对地寄生电容。 这种干扰电容可由电路的任何部分或任何物理对象表示，对电场造成非预期变化。

减轻此问题的一个简单方法是主动屏蔽，也称作主动防护。 屏蔽驱动器是一个在与传感器输入相同的电势下驱动的输出，因此屏蔽层与传感器之间无电势差。 然后，任何外部干扰都将耦合至与传感器电极交互最少的屏蔽电极。

Microchip 的 MTCH10x 是一种包含此功能的 2、5 或 8 通道接近与触摸控制器。 根据应用，输入可设置为独立传感器通道或通道/主动防护对。

MTCH10x 具备运行时间可配置的灵敏度和功率，并包括一个复杂的扫描优化算法，可主动衰减来自信号的噪声。 低电平有效输出会将传感器的状态传递给主机微控制器或驱动 LED 指示灯。

图 4：配置为单通道器件的 Microchip MTCH102，采用主动防护以实现最高的灵敏度。 （感应 Microchip Technology 提供图片）

在图 4 中，双通道 MTCH102 会读取单个传感器：第二个通道配置为主动屏蔽。 推荐使用 R1 (4.7 kΩ) 以增加输入上的抗噪能力。 MTSA 引脚上的电压决定触摸或接近传感器的灵敏度。 V_DD 将提供最低灵敏度；V_SS 将提供最高灵敏度。

恶劣环境下改善操作

虽然电容式接近感应可以在无机械零件的情况下实现全密封式接口，但累积污染、结露或滴水都可能会带来挑战。  许多工业厂房和办公区都会出现污染，汽车应用中可能出现极端的气候条件，湿手和漏水在许多白色家电应用中几乎是标准作业程序。

图 5：NXP PCF8883 电容式传感器 IC 自校准功能可将温度及湿度变化导致的误触发减到最少。 （感谢 NXP 提供图片）

触摸感应中的一种普通方法是，在传感器输入引脚测量负载的绝对电容并将其与阈值比较，以决定是否出现触摸。 如果传感器板保持清洁并且控制好环境的温度及湿度，此方法效果很好。 然而，空气中的温度及湿度变化可影响传感器的表面泄漏、改变电容并误触发开关，即使变化率很慢也不例外。

滤波可通过帮助消除因污染或泄漏导致的电容变化，从而避免假触发，这与有效输入造成的情况不同。 例如，NXP PCF8883 及 PCF8885 电容式传感器使用自校准技术来检测电容变化。 这些器件可通过数字方式在输入级过滤掉非常低和非常快的电容变化。 因此，性能受污垢、湿度、凝结温度或可能影响性能的电极损坏等因素影响较小。

提升抗电磁干扰能力

电容感应应用中限制灵敏度的另一个挑战是，传感器的噪声敏感性以及在高水平电磁干扰 (EMI) 环境中保持性能。

修改传感器电路以包括频率敏感的谐振电感振荡电路，是增加 EMI 抗扰度的有用方法。 传感器电容变化然后会造成 LC 振荡电路的共振频率转变。

尽管变化很简单，但向电容传感器添加谐振元件可带来某些重大优势。 凭借其固有的窄带特点，LC 谐振器提供了出色的 EMI 抗扰度。 此外，如果噪声源的频率已知，转变传感器的工作频率就可以在不使用外部电路的情况下将它们过滤掉。 这将帮助增加系统的灵敏度并降低其复杂度。

TI 的 FDC2212 抗 EMI 感应 IC 就采用了这一原理。 它是多通道抗噪、抗 EMI、高分辨率、高速电容数字转换器系列的一员，可以测量基于 LC 谐振器的传感器的振荡频率。 此器件输出与频率成正比的数字值，并将其发送至下游 MCU 以供其转换成等效电容。

此系列中的器件可抑制噪声和干扰，并支持广泛的激励频率范围。 这尤其适合用于对诸如洗涤剂、肥皂和油墨之类导电性液体进行可靠检测。

图 6：FDC211x 和 FDC2212x 器件使用电感振荡电路作为感应电路的一部分，以降低 EMI 敏感性。 （感谢 Texas Instruments 提供图片）

FDC221x (x = 1, 2, 4) 经优化已经实现高达 28 位的高分辨率。 另一组零件 FDC211x 系列则针对使用快速移动目标的应用，能够提供高达 13.3 ksps 的采样率。

自足式电容传感器

希望获得电容式感应优势但又需要“即插即用”解决方案的系统级设计师，现在可拥有各种各样针对特定应用的预封装传感器选择。 通过将传感器和接口结合到单个封装中，可简化设计。例如，Omron 的 E2K-L 是一个用于液位感应的电容式接近传感器系列，封装后可适合安装到指定直径的管道上。 它包括配置为常开 (NO) 开关的 NPN 晶体管；该开关会在管内液体达到传感器的水平位置时闭合。 图 7 显示了安装到不同管道上的两个器件。

图 7：Omron 的 E2K 传感器封装后可夹持在管道外壁，并在液位达到其位置时发出指示。 （感谢 Omron Automation 提供图片）

结论

电容感应是一种灵活的技术，正变得越来越流行，特别适合必须在危险环境中使用的设计。 传感器可以像印刷电路板上的导电区域那样简单，市面上提供了多种低成本集成接口芯片选择。 但是，设计师必须注意 EMI 及噪声问题，以确保达到最佳性能。