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(méi)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(jiǎn)單：一個(gè)簡(jiǎn)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(zhǎng)）
d = 板間隔（米）
ε0 是一個(gè)常數(shù)，但改變?nèi)魏纹渌兞慷紩?huì)影響 C 的值。這就是電容式接近感應(yīng)的基礎(chǔ)。
通過(guò)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(jiǎn)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(huì)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(cè)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(jiǎn)單單板 (a)、間接測(cè)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(jiàn)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(cè)得的電容會(huì)增加直到超過(guò)閾值，從而觸發(fā)模擬開(kāi)關(guān)閉合等開(kāi)/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(cè)的手勢(shì)。 隨著手指或物體移過(guò)目標(biāo)區(qū)域，會(huì)改變?nèi)克膫€(gè)傳感器的電容。 多通道檢測(cè)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(duì)于液位感應(yīng)，圖 1(b) 所述的間接測(cè)量方法比較流行。 傳感器和接地板相鄰并且電場(chǎng)線會(huì)穿過(guò)液體，當(dāng)液位升降時(shí)就會(huì)改變電容。
直接感應(yīng)也可用于測(cè)量液體；在此情況下，兩個(gè)傳感器板都會(huì)浸入液體中。 這兩種技術(shù)都有其不足：直接方法無(wú)法測(cè)量導(dǎo)電性液體，而間接方法會(huì)讓傳感器暴露于外部環(huán)境。
液位檢測(cè)基于比率測(cè)量且通常使用三個(gè)電容傳感器/接地對(duì)。 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(cè)量可能需要多達(dá)三個(gè)傳感器。 測(cè)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(duì)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(zhuān)業(yè)化的模擬前端 (AFE)，以對(duì)電容式傳感器信號(hào)進(jìn)行采樣并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字值。 除了對(duì)傳感器輸出定期采樣，器件還應(yīng)提供激勵(lì)信號(hào)以對(duì)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(duì)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(kāi)關(guān)不同，電容傳感器是模擬器件，因此任何噪聲都會(huì)影響測(cè)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(duì)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(duì)象表示，對(duì)電場(chǎng)造成非預(yù)期變化。
減輕此問(wèn)題的一個(gè)簡(jiǎn)單方法是主動(dòng)屏蔽，也稱(chēng)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(shì)下驅(qū)動(dòng)的輸出，因此屏蔽層與傳感器之間無(wú)電勢(shì)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(duì)。
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(lái)自信號(hào)的噪聲。 低電平有效輸出會(huì)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(huì)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(wú)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(huì)帶來(lái)挑戰(zhàn)。 許多工業(yè)廠房和辦公區(qū)都會(huì)出現(xiàn)污染，汽車(chē)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(cè)量負(fù)載的絕對(duì)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(kāi)關(guān)，即使變化率很慢也不例外。
濾波可通過(guò)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(lái)檢測(cè)電容變化。 這些器件可通過(guò)數(shù)字方式在輸入級(jí)過(guò)濾掉非常低和非?？斓碾娙葑兓?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(huì)造成 LC 振蕩電路的共振頻率轉(zhuǎn)變。
盡管變化很簡(jiǎn)單，但向電容傳感器添加諧振元件可帶來(lái)某些重大優(yōu)勢(shì)。 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(guò)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(cè)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(duì)諸如洗滌劑、肥皂和油墨之類(lèi)導(dǎo)電性液體進(jìn)行可靠檢測(cè)。
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(duì)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(shì)但又需要“即插即用”解決方案的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)師，現(xiàn)在可擁有各種各樣針對(duì)特定應(yīng)用的預(yù)封裝傳感器選擇。 通過(guò)將傳感器和接口結(jié)合到單個(gè)封裝中，可簡(jiǎn)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(kāi) (NO) 開(kāi)關(guān)的 NPN 晶體管；該開(kāi)關(guān)會(huì)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(lái)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(jiǎn)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(wèn)題，以確保達(dá)到最佳性能。
