汽车工程测试技术基础-第6章-电容式传感器

1、第六章 电容式传感器,6.4 电容式传感器的应用,6.3 电容式传感器的测量电路,6.2 电容式传感器的灵敏度及非线性,6.1 电容式传感器的工作原理,主要内容：,2020/7/1,1,GongYuanMing,6.1 电容式传感器-电容式传感器的工作原理,平行极板电容器，当忽略电容器边缘效应时，其电容量为：,可见，若改变A、d或 参数中的任一参数，电容器的电容量均会随之改变。,6.1.1 电容式传感器的工作原理,2020/7/1,2,GongYuanMing,6.1 电容式传感器-电容式传感器的工作原理,当被测参数变化使得S、 d或发生变化时， 电容量C也随之变化。如果保持其中两个参数不变，

2、而仅改变其中一个参数， 就可把该参数的变化转换为电容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出,变极距型,变面积型,变介电常数型,电容式传感器可分为：,2020/7/1,3,GongYuanMing,6.1 电容式传感器-电容式传感器的工作原理,电容式传感元件的各种结构形式,结构形式,2020/7/1,4,GongYuanMing,6.1 电容式传感器-电容式传感器的工作原理,平面线位移型,角位移型,圆柱体线位移型,差动式圆柱 体线位移型,2020/7/1,5,GongYuanMing,1、改变极板间距式（d型）电容传感器,假定电容器极板面积为A，初始极板间距为d0,介电常数为 ，则电容器的初始

3、电容值为：,6.1 电容式传感器-电容式传感器的工作原理,2020/7/1,6,GongYuanMing,如果两极板间间距减小 ，设电容增量为 ，则有：,6.1 电容式传感器-电容式传感器的工作原理,2020/7/1,7,GongYuanMing,6.1 电容式传感器-电容式传感器的工作原理,如果 ，则上式按泰勒级数展开为：,2020/7/1,8,GongYuanMing,6.1 电容式传感器-电容式传感器的工作原理,电容量与极板间距离的关系,略去高次项，可得到电容增量与极板间距变化量之间的近似线性关系式：,2020/7/1,9,GongYuanMing,6.1 电容式传感器-电容式传感器的工

4、作原理,此时C与d近似呈线性关系，所以变极距型电容式传感器只有在 很小时，才有近似的线性关系。,2020/7/1,10,GongYuanMing,6.1 电容式传感器-电容式传感器的工作原理,在 d0 较小时，对于同样的d 变化所引起的C 可以增大，从而使传感器灵敏度提高。 但 d0 过小，容易引起电容器击穿或短路。为此，极板间可采用高介电常数的材料（云母、 塑料膜等）作介质, 如图下图所示，此时电容C变为,2020/7/1,11,GongYuanMing,6.1 电容式传感器-电容式传感器的工作原理,式中： g云母的相对介电常数，g=7； 0空气的介电常数，0=1； d0空气隙厚度； dg云

5、母片的厚度。,2020/7/1,12,GongYuanMing,6.1 电容式传感器-电容式传感器的工作原理,云母片的相对介电常数是空气的7倍，其击穿电压不小于1000 kV/mm，而空气仅为3 kV/mm。因此有了云母片，极板间起始距离可大大减小。 一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在20100pF之间， 极板间距离在25200m 的范围内。最大位移应小于间距的1/10， 故在微位移测量中应用最广。,2020/7/1,13,GongYuanMing,2、改变极板相对有效面积式（S型）电容传感器,6.1 电容式传感器-电容式传感器的工作原理,2020/7/1,14,GongYuanMing

6、,6.1 电容式传感器-电容式传感器的工作原理,这种传感器输入与输出间具有线性关系，所以适用于大位移测量。这种传感器也可以做成差动式。电容器还可做成扇形、柱面形和圆筒形。,2020/7/1,15,GongYuanMing,6.1 电容式传感器-电容式传感器的工作原理,2020/7/1,16,GongYuanMing,图示是一种传感器测定液面高度的工作示意图，假定电容器的初始电容值为C0，介电常数改变后电容器的电容值为：,电容器的结构特性常数k与电容器结构、真空介电常数及被测介质有关。当传感器结构与被测介质性质确定后，电容器的电容量仅与被测介质高度有关,3、改变极板间介电常数式（ 型）电容传感器

7、,6.1 电容式传感器-电容式传感器的工作原理,2020/7/1,17,GongYuanMing,6.1 电容式传感器-电容式传感器的工作原理,电容式液位变换器结构原理图,变介质型电容式传感器,2020/7/1,18,GongYuanMing,6.1 电容式传感器-电容式传感器的工作原理,式中： C0由变换器的基本尺寸决定的初始电容值, 即,可见：此变换器的电容增量正比于被测液位高度h。,C1,C2,+,2020/7/1,19,GongYuanMing,6.4 电容式传感器的应用,6.3 电容式传感器的测量电路,6.1 电容式传感器的工作原理,电容式传感器,6.2 电容式传感器的灵敏度及非线性

8、,2020/7/1,20,GongYuanMing,前面已得到： 电容的相对变化量为,当|d/d0|1时，按级数展开，可得,6.2 电容式传感器的灵敏度及非线性,2020/7/1,21,GongYuanMing,6.2 电容式传感器的灵敏度及非线性,可见，输出电容的相对变化量C/C0与输入位移d之间成非线性关系，当|d/d0|PL模片上凸hmax时，CA=C(h)=?,2020/7/1,39,GongYuanMing,6.4 电容式传感器的应用,电容式称重传感器,图3-26 电容式称重传感器,2020/7/1,40,GongYuanMing,6.4 电容式传感器的应用,在弹性钢体上高度相同处打

9、一排孔，在孔内形成一排平行的平板电容，当称重时，钢体上端面受力，圆孔变形，每个孔中的电容极板间隙变小，其电容相应增大。由于在电路上各电容是并联的，因而输出反映的结果是平均作用力的变化，测量误差大大减小(误差平均效应）,2020/7/1,41,GongYuanMing,6.4 电容式传感器的应用,两个固定极板间有一个用弹簧片支撑的质量块m，质量块的两端面经抛光后作为动极板，当传感器测量竖直方向的振动时，由于m的惯性作用，使其相对固定电极产生位移，两个差动电容器C1和C2的电容发生相应的变化,其中一个变大，另一个变小。,电容式加速度传感器,2020/7/1,42,GongYuanMing,6.4

10、电容式传感器的应用,电容式加速度传感器,2020/7/1,43,GongYuanMing,6.4 电容式传感器的应用,右图为用于测量非导电介质的同轴双层电极电容式液位计。内电极和与之绝缘的同轴金属套组成电容的两极，外电极上开有很多流通孔使液体流入极板间。 1、2-内、外电极； 3-绝缘套； 4-流通孔。,2020/7/1,44,GongYuanMing,6.4 电容式传感器的应用,指纹识别目前最常用的是电容式传感器，也被称为第二代指纹识别系统。它的优点是体积小、成本低，成像精度高，而且耗电量很小，因此非常适合在消费类电子产品中使用。 右图为指纹经过处理后的成像图：,2020/7/1,45,Go

11、ngYuanMing,3.3.4 电容式传感器的应用,2020/7/1,46,GongYuanMing,6.4 电容式传感器的应用,Veridicom的指纹传感芯片表面由300300个电容传感器组成。 当个人把他的手指放在传感器上时，手指充当电容器的另外一极。由于手指上指纹纹路及深浅的存在，导致硅表面电容阵列的各个电容电压的不同，通过测量并记录各点的电压值就可以获得具有灰度级的指纹图象。,指纹传感芯片：电容感应原理,2020/7/1,47,GongYuanMing,6.4 电容式传感器的应用,指纹识别的汽车： 西门子公司研制出了有指纹识别技术的汽车，采用了此项技术的汽车不仅门锁装置不再需要钥匙，同时还具有根据指纹及预储的信息，自动调整汽车驾驶员的座椅高度、前后距离，各个反光镜位置及自动接通车载电话等功能。,2020/7/1,48,GongYuanMing,6.4 电容式传感器的应用,用户在操