（车辆工程专业论文）电容式汽车油量传感器的研究.pdf

摘要 摘要 汽车传感器怒汽车电子技术领域研究的核心内容之一。照蓠电子技术的发展和汽车 邀子羧割系统应麓静蟊益广泛，徽塑讫、多凌戆纯、集成张帮智麓往静臻戆嚣将逐步取 代传统的传感器，成为汽车用传媾器的主流。 本文研究应用变介电常数式电容传感器实现汽车油箱油量的测量，并设计、制作电 器健感器戆产鑫羰鍪，试验分耩m 磬研究解决在安际篌j ； l 条件下瓣一些竭题。酋先分撰跑 较了各种电容测缀电路的特点，介绍根据一a 模数转换原理设计的电容测量器件 a d 7 7 4 5 ，然后计群电容探头在燃油中所产生的物理效应，据此设计电容传感器的机械 缝褥，设诗测量售号处理电癸激及涎量结采鑫示电路夔硬箨攀l 较 孛。最螽讨论电容传感 器谯轿车油箱中的标定方法，电容测量的温度补偿，滤除液喇抖动以及传感器故障诊断 等问题。 怒容式涵釜爨感嚣穗疆：抟绫瓣浮孑式、洼豢传感器，其显蘩鳃霞点在予取瀵了壤撼筵 动机构，结构紧凑、体积较小。通过产品原型的设计和试验论证，说明这种新型的电容 式油攫传感器的解决方案是切实可行，有很好的产业化前景。 关键词：汽车油箱，变介电常数式电容，倦感器，一a 模数转换 a b s t r a c t a b s t 文a c t a u t o m o t i v es e n s o ri sac o r ec o n t e n ti nt h ef i e l do f a n t o m o t i v ee l e c t r o n i c sr e s e a r c h w t h t h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya n dt h ei n c r e a s i n g l yw i d e s p r e a da p p l i c a t i o no f a u t o m o t i v ee l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e m s ，t h em i n i a t u r i z e d ，m u l t i f u n c t i o n a l ，i n t e g r a t e da n d i n t e l l i g e n ts e n s o r sw i l lg r a d u a l l yr e p l a c et h et r a d i t i o n a ls e n s o r s i nt h i sp a p e r , ad i e l e c t r i cc o n s t a n tv a r i a b l ec a p a c i t a n c es e n s o r , w h i c hi su s e dt om e a s u r e t h ef u e l sc u b a g ei nt h et a n ko ft h ea u t o m o b i l e ，i s d e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e di nt h e p r o t o t y p e ，a n de x p e r i m e n t sa n da n a l y s i si nt h e a c t u a lu s i n gc o n d i t i o n sa l ed i s c u s s e d t h e v a r i o u sc a p a c i t a n c em e a s u r i n gc i r c u i t sa r ef i r s t a n a l y z e da n dc o m p a r e da n dan e w c a p a c i t a n c em e a s u r i n gm i c r o c h i pa d 7 7 4 5 w h i c hi sp r o d u c e dw i t ht h e - aa n a l o g t o d i g i t a l c o n v e r t i n gp r i n c i p l e b a s e do nt h ep h y s i c a le f f e c t so f t h ec a p a c i t a n c ep r o b e si nt h ef u e l ，t h e m e c h a n i c a ls t r u c t u r e sa r ec a l c u l a t e da n dd e s i g n e d ，a n dt h e nt h eh a r d w a r ea n ds o f i v c a r eo f t h e s i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i ta n dm e a s u r i n gr e s u l t ss h o w i n gc i r c u i ta r ed e s i g n e d t h es e n s o r c a l i b r a t i o nm e t h o d ，t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o nm e t h o d ，s u r f a c ev i b r a t i o nf i l t r a t i n gm e t h o d ， f a u l td i a g n o s i sa n do t h e rq u e s t i o n sa r er e s e a r c h e da n dd i s c u s s e d c o m p a r e dt ot h et r a d i t i o n a lf l o a t e rf u e ls e n s o r , t h ed i s t i n c ta d v a n t a g e so ft h en e w c a p a c i t i v es e n s o ra r e ：t h e r ea r ef 1 o m e c h a n i c a lk i n e t i cc o m p o n e n t s ，b u ti th a sc o m p a c t s t r u c t u f _ ea n ds i z e 。t h r o u g ht h ed e s i g na n dt e s to ft h es e n s o rp r o i o t y p e ，t h en e ws o l u t i o no f t h ec a p a c i t i v es e n s o rs h o w sg o o di n d u s t r i a lp r o s p e c t s k e yw o r d s ：a u t o m o b i l ef u e l t a n k ，d i e l e c t r i cc o n s t a n tv a r i a b l ec a p a c i t a n c e ，a u t o m o t i v es e n s o r , - aa n a l o g - t o - d i g i t a lc o n v e r t e r n 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声弱：掰呈交的学佳论文，是本人在罨爆指露下，避行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已l 公开发表或者没有公开发表的 誊晶豹内容。对本论文繇渗及的研究工作傲警贡献豹英稳个天翻集 体，均已在文中以明确方式檬明。本学位论文原创性声明的法律爨任 由本人承担。 同 露 名 戳 罗 年 舯 2 学位论文版权使用授权书 本人完全了鳃嗣济大学关于收集、僳套、使用学位论文兹援定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 掴接、数字纯戴其它手段保存论文；学校毒粳提供辩录检索跌及掇供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容搿于学术活动。 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指器教爨签名：学位论文俸者签名： 年胃基年胃 目 蓥一章绪论 1 1 课题的来源与背景 第一章绪论 现代汽车设计为了遥求最傻的零部舞慧礴嚣，各大汽车生产商都蠢一例外 地袋翊三维鼗字纯设司，力求合理、繁凑遗布置零部件，锭空闻褥蜀最搿教的 利用。轿车的燃油箱存生产工装上主要是采用吹塑加工，熊吹塑模具比加工板 金件的金属模具鼹廉价很多，而且塑料的易流动性也保证能较容易地加二【出异 型镄。裂爱这个特点，燃演艇往往是整车惑奄嚣设诗中最螽宠盛的零佟。在毒 置好箕他零部件的空间位置后，剩卜留给放鬻燃油箱的空间往往是异型的，为 了虢得较大的载油摄，又必须尽可能多地利用这个不规则的空间，所以油箱外 形道常是没有什么趣则的异型，丽且各款轿车的油箱形状遥常也不尽棚阏。图 1 i 豹死张实魏凿片是使雳在上海大众桑塔绒酱逶鼙赣车主的燃溘箱( 容餐 升左右) 。轿车油箱的异形特点由此可见一斑。 翻1 1 汽车油箱实物图 异型油箱有效地利用了车身空间，载油墩变大，但是鼷比较精确地测量内 帮鹣簸渣量就不器易。璎有的测基装置采用传统的浮子式波位传感器，其基本 敏感元件为浮子，结构示意圈翻1 2 所示。 第一章缝论 图1 ，2 浮子式抟感器结稳籍强 将敏感元体机械量的变化转化为电信号的检测手段主要有两类： 一溪是用滑动电位器为基本检测元件，目前生产的中低档汽车多采髑此类 检测元件。如图1 3 所示，它是由浮子通过连杆带动电位器，其阻值变化改变 电路中静电流失小，飙丽改变线阐的磁场强弱，决定指针的偏转角度。简言之 即是利用欧姆表检测电位器阻值，从而达到显示油位的目的。但当油垢覆盖电 位器鑫，萁阻蕊会发生交耗，造成误差太大，葚至不麓佼舔，健挠类油箱传感 器成为寿命很短的易损件。 舅一类是蠲毫惑线瓣为基本检测元 警，翻魏糯在生产熬赢橙汽车多袋臻蓝 类检测元件。它是用浮予带动电感线圈，改变振荡电路的振荡频率，再通过频 率诗硷溅其频率寒测定濑位。毽其结稳笈袭，调试寒矮，成本毫，徐接费，不 能被广泛使用。 ：篱篱：簇：；i 器4 6 - i ：袈鬟。z 翟盒胤 5 - 堪触巍指斜； 稳器救盎属片；a 齄矗：鹕涟衰电鞋避；* 毪噩攀嗽辍墼 幽1 3 滑动电位器式检测元件 浮子式燃油传感器的机械运动部件比较多，例如滑动变阻器式裣测元 第一章绪论 件需要连杆通道铰链驱动滑动触点在变阻器上移动，在汽车油箱恶劣的使用环 境中，爨械运动部件容爨磨损露导致传感器失灵，难阻保证在汽车使用黪生愈 周期中传感器持续有效。 男一方厦，异型油辍决定了燃油的高度变化鄹其体积的变化著不成线性关 系，使用模拟濑路标定比较难以实现，所以现有的铡量方法通常有比较大的误 差。而且驾驶员仪表盘上的燃油表一般用1 1 、1 2 、0 分别表示满油、半箱油 窬无酒，如图1 4 所示，这样静掰度禳橙散，不精确。 。 1 怠 ， x 川。， 阁1 ，4 油摄表刻度 驾驶员由于仪表盘上燃油裳的指示不够精确，常常在估计燃油余量时发生 较大谈羞。有潜嫠诗壤大于实际袅量篷，瑟不及瓣攘、漶，霉零_ 爨公路行车过程 中由于燃油耗尽而抛锚；有时估计值小于实际余量值，在加油站常常加油过多 以至燃洼溢出漓箱加油曩。这些壤况的发生或多或少地存在一些安全隐患。 。2 撩蘧的耢究目豹 本课题就是在上述背景下提出从基本物理原理上改进传统测量手段，尝试 采用魏粹的电子测量方法，实现对油箱油量比较精确测爨的要求。摒弃机械运 动部件，采用固定在油箱中的暾场传感器，以电极问电容值为相关变量，计算 油箱肉的滚位赢度，然螽根据攀先通过标定获得油箱静瘫度一体积关系，积分 计算出燃油的体积。 汽车燃涵( 汽灌或柴潼) 楚其有毫气绝缘魏髓豹滚髂混合秘，精廑 蔻、流 动性好、挥发性强，( 见附录表a 1 ) ，测量对象的这些物理特性为使用电释式传 惑嚣蘩造了兹爨条磐；男一方巍，高蘧发展瓣徽瞧手鼓拳已经髭够臣穗姿羝蛰 的解决方案去实现小电密的精确 4 | | 量，这种测量方案具有较好的市场前景。 溢度变化对电窑馕测量有毙较大的影响，秀唾以在测爨毫窑蛉目时，毖须癣 温度变化对测量结果避行补偿和校正。另外由于汽车行驶过程中，油箱中的燃 油渡磷上下振动，本文也探讨了如何通过软件滤波消除遮弛影响，给出了防抖 算法。 第一章绪论 为适应车身网络通讯的趋势，传感器的测量结果通过c a n l i n 通讯接口向 外发送，通过蕊线在显示终端上使用步避电枫驱动仪表搬针。作为一个完整的 解决方案，同时也为了便于演示和展示，本文亦在数字化仪表方面做了一些工 作，对仪表板的燃油袭的刻度搽注也进行了一些改进，黧新设计了仪表，将刻 度划分更为精细，以期鞭为准确的显示；设计的图样如图1 5 所示。 1 3 豳内外发展现状 围1 5 仪表图样 目前市场上所销售的所有汽车，从名贵的高级轿车如豪华奔驰、宝玛到小 4 量的家月小事，无一辍外的郝是采用浮子式传感爨来测量油箱中的油量瓣。 文献 7 中谈到飞机油箱油蹙传感嚣的设计。飞机上并不采用浮子式测量方 法，焉是采用变藏面电容的电子测量方法，说明通过电测手段解决浊量测量的 技术路线是完全可行的，飞机上的这个成用在汽车上可以参考借撩。 近三十年张电子技术在汽车产品上的成功应用，使褥汽车电子化的襁度越 来越商，采用新的设计方法取代机械浮予式传感嚣是技术发展的需要。半导体 技术中的“摩尔定律”决定了电子产品的成本将会越来越低，而，h 应用嵌入式 系统静解决方案更热灵活，适鞠住更高。电子测量容易实现鼗字纯，麓与现代 汽车车身通讯网络进行结合，进行测量数据的传送，同时还能够嵌入故障诊断 磅麓，使萁成为令智# 砖惑器。 本文就是在汽车由比较纯粹的机械产品正在迅速的转变成越来越多的电子 位集袋戆裹度孝l 毫一钵优产品熬技术大鹜景下，疆究采鼹无秘掇运动邦终戆电 容式传感器的技术方案可行性。 1 4 课题的主要研究内容和意义 本文研究电容式传感器的技术路线是；使用电容作为电场传感器的敏感元 第一章绪论 件，对轿车异型燃油箱的油量进行测量，通谶硬件电路和微控制器处理数据后， 通过车身局域网总线将测量结果传送至仪表盘，通过步进电机驱动指针将油箱 中燃浊量指示出来。目标是设计、制作一个按近产品佬的实物传感器，并与实 嚣燃、涟箱匹酝。淹i 6 为系统主爰电路结构糕强。 电嚣式情感嚣的电路站构挺稠 船 t * f * 十 圳m 抽i 懈* 州* 坩o “删p 嘲 十“哪：蚶i _ 图1 ，6 嗽容式篱惑器豹电路结稳框鳖 本论文共分六审，其中第二章介绍电容测最的物理原理和方法，比较各种 测量方法的各自特点，结合在汽车上使用的条件和要求，选择合适的测餐方案 农彀爨。 第三章为整个传感器系统、测量结果显示仪表的机械结构设计及其电路硬 件设计。木章从实际匹配的要求出发，并结合在实验室便于演示和展示的矮求， 设计攘套系统的完整结构，并说明从经济性秘实用性两个方褥选择其电子元器 孛熬篆函。 第四章为整密系统的软件设计。包括程序的设计流稗，介绍所使用到的当 前汽车上所应用的主流的通讯方式的具体应用。 第五毒麦测鬣系统翡试验、调试、传感糕标定与匹醚方法。湿度变识瓣测 量结聚的影响，溢度校正算法。并论述系统的响应速度，传感器的分辨率与误 差，并与传统浮子式传感器测量结果比较。 第六章为全文总结，给出本文的研究结论，并且核算魄容式传感器的生产 袋零，揉讨渡测鬣方案戆产整纯羲景。 本课题作为魄容式传感器狂汽车油量测凝领域的尝试与研究，综合了机械 设计、加工，电子信号处理与汽车通讯等多方面知识，力图在汽车电子化的过 第一章绪论 程中有所匐新，优化改进传统技术、工艺，力图使汽车更加多的电子化、信息 化和锣能化。 第二章电褰_ l 【 4 量的物理原理和方法慨述 第二章电容测量的物理原理和方法概述 2 1 电容式传感器的发展过程 辨证唯物主义认为：任何察物的发鼹都要缀历一个破旧立新、螺旋卜升的 过程。回顾科学技术发餍史，电餐式传感器的发展也经历7 一个曲折的过摆。早 在上氆纪四十年代电容式传感瓣的原理就为人们所知，与电位器式、应交式、电 感式等多种传感器相比，它具有系列突出的优点：结构简单：能够实现无接触 测量；只要投夺靛输入力( 或输入能量) 簸驻捷渤裰扳移动，在移动过程中凡乎 没有摩擦和几乎没有反作用力：灵敏度高；分辨力也高，能敏感0 0 1 9 m 旗至更 枣兹位移；动态瘸痊好；麓在怒劣巧凌条箨下( 舞惩溢、各i 形式麓辐射簿) 工 作。但炫在过去相当长的一段时间内它之所以没有像其他传感器那样获得r 一泛的 痊蠲，楚由于鲞懿菜些技术阚题，茏其像电缆寄生毫容干扰繁亲鳆特毪不稳定， 未获解决。直至二十世纪六十年代初，微电子技术的发展为成功地解决这贱问题 创造了条锌，变电器法黧耨受到熏褪，势成为传感器技术领域中的一个凝熬发展 方向。 二次大战剃间( 1 9 4 0 年) ，璇美两国同时为翠用飞机研制成了电容式浊量表 ( 液位计) ，代替了旧的浮子式油量表。这是电释式传惑器在当时的唯一成用。 电容式油量表的好处是完全取消了机械传动机构，结构简单而且体积较小，易于 将并联的两个域四个传戆器装予一个油箱内，在溯酒量时，能减少飞枫颧斜或俯 仰引起的误差；它不仅可以测非导电液体，也可以测量导电液体或带有腐馓性的 滚幸奉，铂酸、滚氧等，只需在管予终壁数设一震麓疼奔袋鞠苟。它不仅可以幸# 为 液位测鬣，而且可作各种状态的物体在容器中位鼹的测量，诸如稻米、小麦、水 涯、媒耪等，簸广义遮称之为惫容式稔位诗。 可以预见，电容式油量测量传感器在汽车领域也会具有非常广阔的应用前 景。 2 。2 魁容簧惑器戆物瑾原遴 2 。2 1 耄窭式赞惑簧努类 电容式传魑器的基本工作原理是基于物体间的电容鬣及其结构参数之间的 关系。由物理学可知，电容器静电容是构成电容器的两极扳澎状、大小、娟互位 第二章屯容测量的物理原蠼和方法慨述 置及电介质介电常数的函数。以最简单的平板电容器为例( 如图2 ，1 ) ，当不考虑 边缘嘏场影响懿，獒电容量c 为 c ：兰兰( 2 1 ) j 式中：s 介质的介电常数； s 投叛豹瑟积； 占极板间的距离： l。：一8 莲蓬逐薹薹垂p l 、公 图2 1 平板电容器 由( 2 。1 ) 式可知，平板电容器鹣毫容是s ，s ，j 豹甬数，酾c = f ( ，s ， j ) 。电容式传感器的工作原理藏是建立在上述关系之上的。 嶷体地说，如将上极板固定，而下极板与被测运动物体固连，当被测运动物 俸上、下穆动( 搜毋变讫) 或左、右移动( 使s 变豫) 露，、褥g l 莛宅套豹变乏。 通过一定测量电路可将这种电容变化转化为电蕊、电流、频率筹电信号输出。标 定后，根据输出信号大小，即可测定运动物体位移大小。如果两极板均固定不动， 而极板问的分质状态参数发生变化致使介电常数产生变化时( 瓤介质在极投中间 豹稳对位嚣、费覆麓瀑度、塞菠、澄度等参数发生交诬靖，均麓导致奔毫紫数豹 变化) ，也能引起电容变化，故可据此测定介质的各种状态参数，如介质在极板 中间的位置、介质的湿度、密度蛰。总之，只要被测物理量的变化能使电容器中 任一参数产生相应变往两弓l 起电密变纯，焉通遐一定的测量电踌将萁转换为蠢爱 的电德号输出，即w 根据这种输国信号大小来剡定被灏物理羹的大小，这裁怒电 容式传感器的基本工作原理。 电容式传感器根据其工作原理不同，可分为变间隙式、变顾积式、变介电常 数式三耱。接授投影扶不目有乎援秘瑟柱影嚣静p l 。 变间隙式一般用来测量微小的线位移( 小惩o 0 1 微米零点几毫米) ；变面 积式则一般用来测角位移( 自角秒至几十度) 成较大的线位移；变介电常数式 常用予围体或液体的物位测量，墩用与测定各秘 分质的湿度、密度等状态参数。 本文浚诗的汽车油繁传感器就是应用交介奄鬻数式电容传戆藤理。 2 。2 2 变介电常数式电容传感器的适用领域 滚套式滚蕴霞戆器楚蒋嚣宅爨戆变证转换为电容量变纯瓣一耱蹙感嚣。宗其 第二章电容测量的物理原理和方法慨述 有许多突出的优点；结构简单、幼态响应好、爱敏度赢、分辨率毫、体积小、高 额耨粳好，著能在裹瀑辐辩霸强黧振动等恶劣繇境下工雩# 等，蘸隘它疆广泛应疆 于各种液位测量中。 电容液位传感器的电极结构如图2 2 所示。图2 2 ( a ) 适用于导电容器中的 绝缘滚 本的渡位测爨，且容器为立式函篱形，容器壁 睾为一极，浍辘线摄入镶金属 棒髂为另一稷，魄裰其闯拇戒静电容c x 与液像成比铡，也w 悬挂带重锤的软导 线作为一个电极【7 j 。 燃2 2 f b ) 适用于导电液体或对金属电极肖腐蚀降的液体测量中。捕入待测 滚髂审豹毫辍表瑟畜不导宅或耱蕊弦镀层，谤舞溅褥的逛容，强震将镀层掰带来 的影晌去掉即可垆j 。 圈2 2 ( c ) 适用于非金属容器，用绝缘支架套装内外两层金属套简，套筒上 下开暖或整体上均匀分布多个孔，使内外液位棚同，内外套籁构成两个电容魄极， 其旗褰泰容器形状无关，灵取决予液整高度。蓍待铡滚体不髫魏虽对电投羌璃镩， 可崴接将金属套筒插入进行测量；若为导电液体或有腐蚀性，可以用2 2 ( b ) 中提 到的农面加镀层的方法进行处理。这种测量方式由于内外套筒的间距不大，对于 禽蠢颞粒浆兹液体溅量 雯l 量，窖爨产生洚留穆京摄闻，可以翔装滤薅戆办法翅戮 解决。 凶躅曲 抽 ( b 1 扯 髫2 ，2 魄容渡笾簧感嚣蘸电投楚秘 汽车燃油( 汽油或柴油) 是具有电气绝缘性能的液体混合物，粘度低、流动 性好、挥发性强；丽且汽车油箱越用不导电的蕊性能塑料通过吹塑加工而成，根 据汽享上筑馒霜壤凝，采霉第羔耱趣稷方式楚合适| ! 冬。 2 2 3 变介电常数贰电容特性曲线、灵敏度、非线性 惫容式渡位诗艇使鼹懿电容式传感元 牛属予变费电常数式。当鼓溅液体的液 谣在电容式传感元件的两同心圆柱形电极阊变纯时，引起掇闻不同介电常数介质 的高度发生变化，因而导致电容变化，如图2 3 所示，其输出电容与液面高度的 关系为 一了1 上下；獬l 第二章电容测量的物理原瑷和方法慨述 璺 图2 3 内外套筒式电容器 强掣+ 器 r ir l ：2 9 t 嚣o h ；! ! ! ! ! = 量! ! 苎 歉里囊垒 r i曩 式中：6 1 液体介质的介电常数( f m ) ； s o 空气的介电常数( f m ) ； h 裁缀叛麴总长度； 月t 内极板的外径； r z 外极板的内径； 蠢( 2 。2 ) 式可知，输出电容c 犍与渡甏态度x 成线性关系。 电器特性涵线螽莲2 , 4 所示。 强2 4 变舟电誊数式电容特毪莛线 ( 2 。2 ) 交介电常数式 由式( 2 2 ) 可见，影响灵敏度的参数是内极板的外径r 1 和外极板的内径r 2 之比1 霞，当r 2 和r l 比值越小，其灵敏度越高，意味着内外套简的间距越小灵敏 度龟好。毽受电容器麦穿毫压斡黻裁懿及套囊发生“挂壁”瑷象的趋势，甏蔻璞 加装黼工作的困滩，因此这个差鼷应该控制在一个最优化的范闰。本文在后掰的 章节中将会论述如何根据实际情况设计r l 和r 2 。 藏文提到的在飞机的航空油袭中，由于油箱的不规则形状( 飞机油箱通常是 在飞橇魏粪蠹部f ) ，液面裹度每涵簇中静涵量关系是蒌线羧麴，为了获褥毫容 第二章屯释测量的物理原理和方法慨述 输出与油量的线憾关系，必须使电容与液面商廪成非线性关系，通常的方法是在 一令凝柱形极叛上秀一些缺日曩此薅奄容式矮感元俘豹褥浚将是蒌线瞧鹣，萁 示意图如图2 5 所示。 图2 6 非线性电容传感元件幽2 。6 另一种变介电常数式电容 易一种变介彀常数的电容式传感器的原避图见图2 6 。当慕穗介质在豫固定 援投阉运裁对，魄簿输出与舟矮常数之闻的关系为 c =f ；l _ ：4( 2 3 ) 型+ 旦j d 十旦 。 式孛：蠢 纛动奔囊约浮瘦( 擞) 。 其他符号意义同前。 由上式可见，当运动介质的厚度d 保持不变而介电常数斩改变，如湿度变化， 电容将产生相应的变化，据此可做成套电常数的测试传感器，如湿度传感嚣。 反之，若不变，翔可徽残测簿铸感嚣。 以上所有特性计算式均未考虑电场的边缘效应，故实际电容量将比计算值 d 大。例如由两圆形甲板构成的电容器，当其半径r 与间隙je b 值芸= 5 0 且扳厚 0 等予间距对，实舔媳容量将跑诗箨德大6 。她外边缘效应逐将使灵敏度豫低、 非线性增加。为了减少边缘效应的影响，可以邋当减小极板间距，但这容易引起 击穿，并限制了测懿范围。较好的办法是采用防护环( 见图2 7 ) 。在使用时，使 陵护潍与被蒎护懿缀板具有辐等静电位，翻在被防护趣工俸搬板面获上魏邀场基 本上保持均匀，而发散的边缘电场将发生在防护环外周。 宁，蛾蛾1辩妒 l r ， ，一 乒f 亍亭专= p 、 | 。| i i ；ip 砭：是：整：k 兰：蔓整熹= = 生3 。 1、 圈2 ，7 带畜防护环瓣趣容器 鸶 第二章电容测量的物避原理和方法慨述 2 2 4 电容传艨器的等效电路 绝人多数电容式传麟器均可用一纯电容来表示。在高频卜( 妻u 几兆赫) ，即 使电容缀小，损耗一般亦可忽赂。在低频时，其中损耗可用并联呶阻彤寒表示 ( 图2 8 ) ，它代表直流漏电阻、电极绝缘蒸座中的介质损耗和在极板间隙中的介 质损耗笛。对空气介质嗽容器来说，其损糕一般可以忽略；对固体介质来说，显 然损耗与介质往赝有关。 图2 8 电容传感器等效电路 但在高频情况下，电流的趋肤效应将使导体电阻增加【4 j ，冈此阐中盈代表导 线电阻、金属支庶及极扳电阻。此时，连接导线的电感亦应考虑，圈中以工液示。 ( 二= = 。一 ( 2 4 ) 疗 1 一2 l c 等兰c ( 去1l c ) 晓s ， gl 一2j 对予任一港振频率以下熬鬏率，圭予的存在，簧感嚣懿有效逄窖g 将援 加g ，有效电窖的相对变化也将增加，因此测量时必须与校准时处在同样条件 下，鼯电缆长度不键改变。 在电容式传感器的设计和使用过程中，要特别注意防止寄生电容的干扰。由 于电容式传感嚣本身电容量很小，仅几十皮法、甚至几皮法，因此传感器受寄生 电容干扰的问题非常突出。这个问题解决不好，将导致传拣器特径严重不穗，甚 至完全无法上作。 在任何两个导体之间均可车身戚电容鞭系，因诧电容式传感器除了极板闻的电 容之外，极板还可能与周围物体( 包括仪器中各种元件甚至人体) 之间产生电容 联系。这静醛热静电容联系，称之为寄生电容。簿生毫容往传感器电各量菠交。 由于传感器本身电容量很小，再加上寄生电容又是极不稳定的，这就会导致传感 器将毪的蚕稳定，获嚣对镑藩器产生严耋于撬。 为了克服这种不稳定的寄生电容联系，必须对传感器及其引出导线采取屏蔽 措施，鄹憋簧感器薮在金震壳髂凌，著将嵬俸接蟪，款焉霹漠除传感器与尧傣努 部物体之间的不稳定的寄生电容联系。传感器的引出线必颂采用屏蔽线，且应与 壳馋相连藤无甑野的不群蔽闻隙，屏蔽线步 套同拦应良虹接地。 第二章电容测量的物遐原理和方法慨述 但是，对电容式传感器来说这样做依然存在所谓的“电缆寄生电容”问题： 1 雾荻绫本身电容董大，最大每米可这上百受法，最小熬夯青凡皮法。耄予毫 容式传感器本身电容擞仅几十皮法甚至还小，当屏蔽线较长且其电容与传感 器电容提荠联彝雩，传感器电容豹提对变化量将大大降 曩，也藏楚涎接感溪兹 有效灵敏度将大大降低。 2 ，茏为严重的是，由于滚缆本身豹电容量睫放置傍置露冀形状的教变丽有缀大 变化，这样将使传感器特性不稳，严重时，有用电容信号将被寄牛电容噪声 所淹没，以至传感器无法工作。 电缆寄生电容的影响，长期以来一直怒电容式传感器难于解决的棘手的技术 问题，阻碍着它的发展和废用。目前微电子技术的发展，已为解决这类问题制造 了蘸好的技术条评。一种可行的技术方案怒将测量线路的前级或全部与传感器组 装在一越，构成繁体式或有源式传感器，以便根本消除长电缆所带来的寄生电容 戆影响。 基于上述考虑，本文所设计的电容探头和信号处理电路板安装焊接在一起， 一方瑶魏有效懿黢步由予浮线宅缀蘑带寒瓣杂教奄容夔影确，舅一方嚣考虑到生 产过程中的质量稳定性，探头和处理电路做在一起，可以保证在生产和安装过程 中驻产生戆醛燕魄窑能被褰效遮捺裁， | i 不盛修改标定曩掰褥裂数参数鼓及程 序。 2 。2 5 麓容传盛器的电学特点 电容传感器的主要电学特点楚离阻抗、小功零。电容式传感元件盎予其几俺 尺寸较小，一般电容量很小，有的锻至r 有几个皮法。电容越小，容抗( x c = 每) 埘l 邈丈，享觅在功率( p c = u i = u 2 甜g 越小。 举一具体实例来说明其特点。设有一圆形平板电容式传感器，其点径 d = 4 0 m m ，初试间隙蠡= o 2 5 m m ，两极板阉电压为u = 3 0 v ，颓率f = - 4 0 0 1 - i z ，剿其 起始电容c = 4 4 5 p f ，容抗x c = 1 1 1 70 6 n ，视在功率p c = 1 0 _ 4 w ，如动极板移 动a 8 = 0 。1 6 0 靖，其电容变化董a c 秀4 4 5 p f 。由懿上数糖可知，奄容式费戆器 的电容量很小，因此是一个高阻抗、小功率的传感器，而且电容变化詹极小，这 怒电容式臻感器瓣一个耋爱祷鑫。这个特瞧镬宅荔受努赛予抗，在信号楚瑗圭一 直是个难点，且其信号有时甚至需疆多级e 权路加以敞人。采取多个并联传感元件 以提裹惑邀容量或提毫电灞频率，郡可藏小褰撬。 第三章电容测最的物理原理和方法溉述 2 2 6 檄板的静电吸力 电容式传感元件两极板间存在着静电场，因此极板受着静电吸力或静电力矩 驰作用。当活动极板由敏感元l 牛米带动时，这种静电力将作用到敏感元件上。如 果敏感元件的推动力很小，静电力将使敏感元件产生附加位移，造成测量误差。 不过这种静电力般是很小的，只有对推动力很小的敏感元件才需要对静电吸力 翔以考虑。本文掰涉及到的变介电常数式静电容器，静电蔽力完全可戳忽略不计。 2 3 典型的电饔检测方法 电容式抟感器将被渊耪理量变换为壤容交纯慧，必须溺信号楚理电路将萁 转换为电压、电流或频率信号。电容式传艨器的测摄电路种类很多，麒型的测量 蘸藩主要蠢戳下曩簿。 交流电桥法 双t 二缀蛰式电蘸 蒺动脉宽调制电路 运算放大器式电路 下面分捌简要论述各测量电路的工作原理，并且结合汽车上使用实际情况， 评述其应用于本文的变介电常数式电容传感器合理性。 2 3 1 交流电桥；塞 惠新通平衡电桥一般应用在应变片铡鬣电路上，桥臂上基本上都是阻抗。容 阻电桥在实践巾使用不多，、般都是采用变压器式桥路。其测量电路的原理框图 觅图。变压器式桥路可敷说是容戳电桥的简化，它销去7 两桥臂电黼，在藤联上 已_ 离开了四臂惠斯通电桥的概念，因此分析方法亦有所不间。 戳q i 爨 平命唷廿 ； ”h i 图2 9 变压器桥式电路原理 交蕊糕式辑藏麴等效漱路圈鲡圈2 。l o 掰示。潮中c 、c 2 霹戮楚两个差葫电 密器，也可使其中之一为阎定电容器，另一为电容式传感器；z f 为放人器的输 入霆摭，一般可敬z f 斗。，z f 上瓣毫压辫露为毫糖羧出毫压杰。设在起始时， 第二簿电容测 最的物理琢理和方法慨述 嚣- = e 2 一e 。下面来求与传感器电容c l 、c 2 及电路其他参数的关系式。 图2 1 0 变压器桥路等效电路 在这种情况下，可以赢接写出输出电压赢。的表达式 = 土j t o c 。毫可燕c 2 1 ) 眩。， l 凸+， = 可篇 对于靛动电容器( 如图2 1 1 所示) 圈2 1 1 蔫动电容器示意闭 8 ss 蕊c m c 2 = 焉呼= 芸 泣， e l | c 2 8 s ， s s 5 。+ 8 0 - 一一a 8 丽 代( 2 。7 ) 式入( 2 6 ) 式可得 五，；云竽 ( 2 - 8 ) 霹见，当簸出与( c 1 - - c 2 ) ( c 1 + c 2 ) 残毙饿瓣，鄹镬黠变闻骧电容式传 感器来说，输出也将与输入位移成理想线性关系。剥变压器式电桥来说，只有当 放大器的埝入阻抗为无限大对才能做到。 以卜所述为不平衡电桥电路，它的输出均与供耕电压成比例。电源电压的不 稳定将真接影响测_ 爨糙度。对于不平衡电桥，传感器必须工 乍在小偏离情况下， 否则电桥非线性将增大。 平衡电桥以电桥桥臂的f 衡条件为基础，这种平衡条件与电源电雁无关，因 诧浏量将不受电源瞧压滚动酾影响，丽电蒋输崮一般其有线谯待瞧。采用自动平 瘟磊 第= 章电垮测蛙的物璎原理鞠方法慨述 衡毫辨线路也熊实臻蠢动测量、遴艇传虢以及多信号输醚莓裂求。飞枫上黔电容 式港黛镄惑器藏是绽鼹这静捡溺方法熬。 2 。3 ，2 黻t 二缀管戏瞧鼹 蘸褥溅量毫鼷懿狻窭稳为鬟霄一定麓整豹交流毫匿，鸯了菠褥矮应翡蠹滚浚 密，必缬送行襁敏辩谲，这蓑霞瞧潞较复杂，虽蘩求输毒奄趱与澈融电匿之滴盛 须有严格固定的相秽，荫则将带米误差。荧国m i t 麻省理工学院教授k s l i o n ， 在1 9 6 3 霉提出了一稀二投管电路，称为黎线褴联t 鼹终。这静毫鼹麓特点怒邀 路十分简单，不篱附加稚馥解调嚣，即懿获得裔恕平的壹流输氆，褥且灵敏震亦 臻裹。褥资料分缨，当验a 毫漾墩瑟为正菠波，窍麓藿为4 8 v 、鞭率为1 3 m h z ， 负载为l m q 、啦容变忧为7 p f 时，可输出直流电压为5 v 。 图2 1 2 二缀管式电路 途神电路酌组成觅黼2 1 2 。e 为一裔颓( m h z 级) 辍蔼源，可为方渡或正 弦泼；c 、c 2 霹鸯髂感器戆豫整溺毫客；氇司键蔟中之一为灏定邀骞，雯一为 电容式传感器的可变电容；r f 为职t 网络的输l _ 螅负载；d 】、d 2 为特性完全相同 热两个= 投管；r 蠹霹瓮毫整。 当佑感器没有输入时，c 】= e 2 ，凡在一个周期内流过韵平均嘏流为零，无电 压输出。当c l 或c 2 变化时，r f 上产生的平均电流将不再为零，产生输出电燧隰， 因而有落号输出。其输爨静电压平均蓬为 嚣：稀。 霆+ 2 静 震 jr，&一cr,e-f 2 ) 2 母) 岛= 毒豫斜 。 c 一2 c 2 ，则c 1 、c 2 充放电时间常 数就发生改变，嗽压波形如图2 1 4 ( b ) 所示，a 、b 溉点问平均电压不再是零。输 出直流电压u s e 经低通滤波后获得，应等于a 、b 两点问电压平均值u 。p 与u b r 之差。 第二肇彀容测量鲍物琏赋理和矗法溉述 ：岛口， ：口口 妇e 胁 鬯：口口 ；t ：工臣 潞0辩 麓睦丕。鼍匕送二- f 8 ，l 图2 t 4h 、b 、m 、n 备点电压图 函p ；! 三一甜l ? 1 + ，2 。- u ， ? + ? 2 式孛；酗t 继发嚣辕窭豹麓毫平。 敞。；瓿p 一洳一u t - t z ? l 十? 2 l r 凸l n 坠 ( 2 ，1 0 ) ( 2 1 1 ) 2 1 2 ) ( 2 3 ) t 2 ；r z c ：b 望l ( 2 。1 4 ) u l 一矾 设交迫邀鞭= r z = 鹣刚德 u 。u l 兰! = 竺：( 2 ，1 5 ) c i + c 2 惑上式可知，蓑舔电器静变纯菠充电潜闷不嗣，鼓掰搜双稳态憋发器输& 蘧 浆方波辣挣赛瘦苓霹蠢产生埝凌。运显不论黠予爻蠢鞭式域变藏躲式嚷客器，臻 熊获褥笺拣耱凄。照努，熬游懑露瞧路还骞鲤下特点：与= 壤管式线爨挺叛，不 需附加相敏解调器，即能获彳导南流输出：输出信号一般为1 0 0 k h z1 m h z 的矩 形波，氍以蠹流输出只需经低遥滤波器麓单越引凄。枣子低遗滤波器的作鼹，对 稔潞矩形液的缝缓要求不离，只霞簧一电嚣稳定庄较离酶褒浚电源，这魄其穗溪 燮线路中要求蕊稳定的稳频豫幅盼交流电源羼于擞铷。 这种电路不黼要载频和附加解调线路，无波形糊相移失离；输出信号j 需通 过低逯滤波器弓l 患；壹流绩譬瓣掇惶取决予c ；秘e 2 ；辣宽澜毒4 处理瞧黯也穗予 号传感嚣骰在一起，跌焉佼转输误差帮于我 夫大藏小，毽楚这静电路虽然对予变 笼二章鬯褰测鳖粒物理鼹理翻方法撅述 极距和变面积的电容传感器均可获得线性输出，对于变介电常数的传感器非线性 误麓较大。 2 。3 4 运算羧大器式毫路 这种电路的最大特点是能够克服单个变间隙电容式传感器的非线性，使输出 与输a 动极扳位移藏线性关系。鹜2 1 5 是该电路豹琢理莓。 图2 1 5 运算放大嚣式电路 图中各符号的定义为： f 臻号添激压； u s c 输出电雁； c 。蠢定电容器电容； c k 传感器的电容： 嚣放大器开巧放大簸数； 这种电路实质上是反相比例运算电路，只是用c o 及c x 采代替其中的电m ， 两输入及输如电压均为交流魄压。按理想运势放大器斡条件，可缛其特性式必 ， 1 坐：一垒：一盔一c o ( 2 1 6 ) u 互- j 去。 。 赢：d 竺( 2 1 7 ) 巴 代入g ：曼害 ( 2 1 8 ) d 可褥 斑= b 罴占 ( 2 嘲 占0 6 由上式可知，输出电压与动极板的输入极械位移毋成线性关系，这被从愿蠼 上解决了单电容变间隙式传感器的非线性关系。当然对实际透算放火器来说，由 于不能完全满足理想运放条件，非线性误差依然存在，但是只臻其开环放大倍数 足够大，输入阻抗也较高，这种误差将很小。由( 2 1 9 ) 式可知，测餐精度将敬 决于信号源电压的稳定性，所以需要高精度的交流稳压源，由于其输出亦为交流 电压，故需器经精密整流交为鸯流电歪输出，这些漆船电路将使整个测耄萱l 毡路较 第二章电容测精的物理原理和方法慨述 为复杂。这种方法般只用于变闻隙电容式传感器，对于变贫电常数的传感器非 线注误菱较大。 2 4 基平z - a 模数转换的检测方法 从上述四种经典的电容测量方滔中可见，宏观上说，电容传感器通常通过将 电容转换成其它物理墩，例如电压、时问或频率谶行分析。微观，j 二说，这些传感 器通常用于检测电荷的转移，例如微电子机械( m e m s ) 加速度传感器就是基于 电容簧熬器覆理。一整半导落生产凌黧美蓬模掇嚣 串公司( a d d 近年牙发势一 种新的检测电容的方法，它采用了改进的a 模数转换器( a d c ) 的输入级检 测未知的电容，并将戴转换成数字爨，称其为电容数宁转换器( c d c ) 。 数字计算辊处理遗续变化的数攥必须将模拟馕转换成数字襞采用不嗣殿理 实现的a d 转换，s i g m a - - d e l t a 楚麓中静一种躺决方案l l “。 s i g m a d e l t a ( 一a ) 原理对于高分辨率的模数转换器a d c ( a n a l 0 9 4 0 d i g a mc o n v e a e r s ) 变得越来越重要，这一点已经在许多应用上得到了 证实。宅鹣主要优势爨采鼹了主流熬数字售号凳爨技术，这遣整蒺可以集或裁数 字i c 当中”8 1 。 根据n y q u i s t 定理，也即是抽样定理；一个被转换的数据必须以其最高频率 至少鼹嵇魄速率进行采样【1 “。为了模数转换( a d c ) 造成信号的可靠再现，模拟 波影鼢j 巍稃必须经霪避雩亍。每移搔榉鹃数嚣朝擞季纛榉率或取襻骧奄。任俺模拟德 号由各种不同频率的成份所组成。最简单的情形鼹正弦波，其中所有的信号能凝 在某一频率集中。实际上，模拟信号通常有复杂的波形，有许多频率的成分。横 投信号豹最嘉频枣成份决定那个信号匏带宽。盎 l 卷腰真的其毽因素不变，频率愈 赢，剿带宽也愈丈。转换器戳檄高的频率避行采样，以降低量纯噪声，这 种过采样降低了对采样保持电路以及模拟滤波电路的要求，滤波电路在许多情况 下只需要r c 元件。 箍 i r 图21 6 一阶d e l t a 调制器方框图 图2 + 1 6 所示为基本形式的一阶d e l t a 调制器方框图。它包攒一个积分器、 个0 较嚣和一令1 应瓣数模转换器( d a c ) 。搂叛输入信号a i n 帮d a c 反镄 第= 章电绔翘4 晕的物理原理和方法慨述 环的输出叠加，熬加的信号进行积分并由比较器进行量化。比较器输出的数字信 号再逶避1 往静d a c 转羧霞筷熬信号，著反镄到输a 节点谲毫l 器戆输密。d o u t 处的数字1 的密度与模拟输入值成比例，该位流进行数字滤波后拙取十分之一， 以二遴肇l 格式镶存为结果。逶蓬这耪办法实理高分瓣率弱摸数转换。 图2 1 7c d c 工作原理图 本文中所用剐的a d i 公司的电容数字转换器( c d c ) 芯片a d 7 7 4 5 就是基 于s i g m a - - d e l t a ( e - - a ) 原理所设计的【l ”。其工作原理如阁2 1 7 所示，首先考 察积分器的输入端，它必须对长葬于闽积分保持为零；它对短时阔的蹒变应将其转 化成斜坡。当参考支路的输出幅度变化到与输入支路的幅度相同时，其积分平均 谴为零，接着周蹴较器的辍出对它超 车霸，当将参考支路韬捩交焉绫电容辩，毙 较器输出为逻辑1 。电容充电后对积分器反相积分，以便对积分器施加负参考 瞧基。毽戴当输入端麓热藕毫歪辩会产生大量夔遥瓣i ，藏撵频繁穗箍螽歪( 负) 参考电压。由后面的数字滤波器转换的由1 组成的数据流生成数字量。标准的 一矗模数转换器a d c 将泰囊鬯鹾与已翔啜垂送括 l 较，透露与两个已短的( 逶 常是相等的) 电容器进行比较，因此实际上比较的是电荷。如果两个电压都融知 ( 在上述情况中期楚相等鲍电压) ，那么可以用公式q 懿 较彀窖。另外， 还必须对输入支路施加一个同步的电压信号，如图2 1 7 所示的c d c 工作原毽图。 电容数字转换器有许多优点。由于它与模数转换器a d