1、汽车工程测试基础2022-10-291GongYuanM第六章第六章 电容式传感器电容式传感器6.4 6.4 电容式传感器的应用电容式传感器的应用6.3 6.3 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路6.2 6.2 电容式传感器的灵敏度及非线性电容式传感器的灵敏度及非线性6.1 6.1 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理主要内容：主要内容：汽车工程测试基础2022-10-292GongYuanM6.1 6.1 电容式传感器电容式传感器-电容式传感器的工作原理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：平行极板电容器，当忽略电容器边缘效应时，其电容量
2、为：可见，若改变可见，若改变A A、d d或或 参数中的任一参数，电容器的电参数中的任一参数，电容器的电容量均会随之改变。容量均会随之改变。r6.1.1 6.1.1 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理r-极板间介质的相对介电常数0-真空介电常数A-相对有效面积d-两金属极板间的距离dACr0汽车工程测试基础2022-10-293GongYuanM6.1 6.1 电容式传感器电容式传感器-电容式传感器的工作原理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，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
3、路就可转换为电量输出变极距型变极距型变面积型变面积型变介电常数型变介电常数型dACr0电容式传感器可分为：汽车工程测试基础2022-10-294GongYuanM6.1 6.1 电容式传感器电容式传感器-电容式传感器的工作原理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结构形式汽车工程测试基础2022-10-295GongYuanM6.1 6.1 电容式传感器电容式传感器-电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理dbxC drC22 dDxC/ln2 平面线位移型平面线位移型角位移型角位移型圆柱体线位移型圆柱体线位移型差动式圆柱差动式圆柱体线位移型体线位移型汽车工程测试基础2
4、022-10-296GongYuanM1 1、改变极板间距式（、改变极板间距式（d d型）电容传感器型）电容传感器假定电容器极板面积为假定电容器极板面积为A A，初始极板间距为初始极板间距为d d0 0,介电常数为介电常数为 ，则，则电容器的初始电容值为：电容器的初始电容值为：06.1 6.1 电容式传感器电容式传感器-电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理ArddACr00汽车工程测试基础2022-10-297GongYuanM)/11()/11(00000000ddCdddAddACC如果两极板间间距减小如果两极板间间距减小 ，设电容增量为，设电容增量为 ，则有：，则有：dC)/11
5、(/1/1/11000000ddddddddddCC6.1 6.1 电容式传感器电容式传感器-电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理汽车工程测试基础2022-10-298GongYuanM6.1 6.1 电容式传感器电容式传感器-电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理如果如果 ，则上式按泰勒级数展开为：，则上式按泰勒级数展开为：1/0dd)()(13020000ddddddddCC11 x2311(1)nnxxxx (1,1)x 汽车工程测试基础2022-10-299GongYuanM6.1 6.1 电容式传感器电容式传感器-电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理00ddCC
6、电容量与极板间距离的关系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：近似线性关系式：汽车工程测试基础2022-10-2910GongYuanM6.1 6.1 电容式传感器电容式传感器-电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理00ddCCddCC00)()(13020000ddddddddCC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。10dd汽车工程测试基础2022-10-2911GongYuanM6.1 6.1 电容式传感器电容式传感器-电容式传感器的工
7、作原理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 ddCC00汽车工程测试基础2022-10-2912GongYuanM6.1 6.1 电容式传感器电容式传感器-电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理000ddACgg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云母片的厚度。图5-4 放置云母片的电容器 gdgd0 0汽车工程测试基础2022-10-2913G
8、ongYuanM6.1 6.1 电容式传感器电容式传感器-电容式传感器的工作原理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。汽车工程测试基础2022-10-2914GongYuanM2 2、改变极板相对有效面积式（、改变极板相对有效面积式（S S型）电容传感器型）电容传感器 假定初始状态时电假定初始状态时电容器的电容量为容器的
9、电容量为:改变极板间相对有效面改变极板间相对有效面积后，电容器的电容量积后，电容器的电容量为为C Cx x，则则有：有：dabC00axCCdxbCdxbabdxabCx000)(axCCCCx006.1 6.1 电容式传感器电容式传感器-电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理dACr0汽车工程测试基础2022-10-2915GongYuanM6.1 6.1 电容式传感器电容式传感器-电容式传感器的工作原理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以适用于大位移测量。这种传感器也可以做成差动式。
10、电容器还可做成扇形、柱面形和成差动式。电容器还可做成扇形、柱面形和圆筒形。圆筒形。axCCCCx00汽车工程测试基础2022-10-2916GongYuanM6.1 6.1 电容式传感器电容式传感器-电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理汽车工程测试基础2022-10-2917GongYuanMkhCC0图示是一种传感器测定液面高度的工作示意图，假定电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容器的初始电容值为C C0 0，介电常数改变后电容器的电容介电常数改变后电容器的电容值为：值为：电容器的结构特性常数电容器的结构特性常数k k与电容与电容器结构、真空介电常数
11、及被测介器结构、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，电容器的电容量质性质确定后，电容器的电容量仅与被测介质高度有关仅与被测介质高度有关3 3、改变极板间介电常数式（、改变极板间介电常数式（型）电容传感器型）电容传感器r6.1 6.1 电容式传感器电容式传感器-电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理dACr0汽车工程测试基础2022-10-2918GongYuanM6.1 6.1 电容式传感器电容式传感器-电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理电容式液位变换器结构原理图电容式液位变换器结构原理图 DdHh1变介质型电容式传感器 L
12、0Ld0r1r2汽车工程测试基础2022-10-2919GongYuanM6.1 6.1 电容式传感器电容式传感器-电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理dDnhCdDnhdDnHdDnhHdDnhC1)(21)(2121)(2121011式中：C0由变换器的基本尺寸决定的初始电容值,即 dDnHC120可见：此变换器的电容增量正比于被测液位高度h。DdHh1C1C2+汽车工程测试基础2022-10-2920GongYuanM6.4 6.4 电容式传感器的应用电容式传感器的应用6.3 6.3 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路6.1 6.1 电容式传感器的工作原理电容式传感器的
13、工作原理电容式传感器电容式传感器6.2 6.2 电容式传感器的灵敏度及非线性电容式传感器的灵敏度及非线性汽车工程测试基础2022-10-2921GongYuanM前面已得到：电容的相对变化量为 0011ddCC当|d/d0|1时，按级数展开，可得 30200001ddddddddCC6.2 电容式传感器的灵敏度及非线性电容式传感器的灵敏度及非线性汽车工程测试基础2022-10-2922GongYuanM6.2 电容式传感器的灵敏度及非线性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|1时可略去高次项，得到近似的线性关系：00ddCC电
14、容传感器的灵敏度为:001ddCCK000dACr汽车工程测试基础2022-10-2923GongYuanM6.2 电容式传感器的灵敏度及非线性电容式传感器的灵敏度及非线性如果考虑式的线性项与二次项，则 0001ddddCC由此可得出传感器的相对非线性误差为:%100%100|/|)/(0020dddddd要提高灵敏度，应减小起始间隙要提高灵敏度，应减小起始间隙d d0 0，但非线性误差却随但非线性误差却随着着d d0 0的减小而增大。的减小而增大。汽车工程测试基础2022-10-2924GongYuanM6.2 电容式传感器的灵敏度及非线性电容式传感器的灵敏度及非线性 在实际应用中，为了提高
15、灵敏度，减小非线性误差，大都采用差动式结构；在差动式平板电容器中，当动极板位移d时，电容器C1的间隙d1变为d0-d，电容器C2的间隙d2变为d0+d,则 00d1d2C1C2S汽车工程测试基础2022-10-2925GongYuanM)()(1)()(130200023020001ddddddCCddddddCC)()(250300021ddddddCCCC)()(1 2402000ddddddCC若若 ,略去高次项，上式可变为略去高次项，上式可变为:1/0dd002ddCC6.2 电容式传感器的灵敏度及非线性电容式传感器的灵敏度及非线性电容器总的电容变化量为：电容器总的电容变化量为：电容量
16、的相对变化值为：电容量的相对变化值为：则这种差动式传感器的灵敏度为：则这种差动式传感器的灵敏度为：002/ddCCK汽车工程测试基础2022-10-2926GongYuanM6.2 电容式传感器的灵敏度及非线性电容式传感器的灵敏度及非线性差动的好处差动的好处灵敏度得到一倍的改善002CdCd001CdCd0100%dd20100%dd线性度得到改善汽车工程测试基础2022-10-2927GongYuanM6.4 6.4 电容式传感器的应用电容式传感器的应用6.3 6.3 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路6.1 6.1 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理电容式传感器电容式传
17、感器6.2 6.2 电容式传感器的灵敏度及非线性电容式传感器的灵敏度及非线性汽车工程测试基础2022-10-2928GongYuanM6.3 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分,当输入量导致电容量发生变化时，振荡器的振荡频率就发生变化。可将频率作为输出量用以判断被测非电量的大小，但此时系统是非线性的，不易校正，因此必须加入鉴频器，将频率的变化转换为电压振幅的变化，经过放大就可以用仪器指示或记录仪记录下来。如图3.3.3-1所示。图中调频振荡器的振荡频率为 LCf211、调频电路调频电路汽车工程测试基础2022-10-2929GongYuanM6
18、.3 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路式中：C振荡回路的总电容，C=C1+C2+Cx，其中C1为振荡回路固有电容,C2为传感器引线分布电容,Cx=C0C为传感器的电容。图3.3.3-1 调频式测量电路原理框图 鉴频器限幅放大器振荡器CxLCx电容变换器fufu汽车工程测试基础2022-10-2930GongYuanM6.3 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路 当被测信号为0时，C=0，则C=C1+C2+C0，所以振荡器有一个固有频率f0,其表示式为 LCCCf)(210210当被测信号不为0时，C0，振荡器频率有相应变化，此时频率为 ffLCCCCf0021)(21汽车工
19、程测试基础2022-10-2931GongYuanM6.3 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路 由于运算放大器的放大倍数非常大，而且输入阻抗Zi很高,运算放大器的这一特点可以作为电容式传感器的比较理想的测量电路。如图3.3.3-2示。由运算放大器工作原理可得 如果传感器是一只平板电容，则Cx=S/d，代入上式，可得 2、运算放大器式电路、运算放大器式电路ixoUCCUdSCUUio汽车工程测试基础2022-10-2932GongYuanM6.3 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路cbICiUiIcxICxoUA图3.3.3-2 运算放大器式电路原理图ixoUCCUdSCUU
20、ioUQC/tIQ汽车工程测试基础2022-10-2933GongYuanM6.3 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路3、二极管双、二极管双T形交流电桥形交流电桥 如图3.3.3-3。e是高频电源，它提供了幅值为U的对称方波，VD1、VD2为特性完全相同的两只二极管，固定电阻R1=R2=R，C1、C2为传感器的两个差动电容。汽车工程测试基础2022-10-2934GongYuanM6.3 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路图3.3.3-3 二极管双T形交流电桥 VD2VD1eC1C2ABR2R1RLUR2RLR1I1I2(a)(b)(c)C1C2UR1RLR2C1C21I2
21、I汽车工程测试基础2022-10-2935GongYuanM6.4 6.4 电容式传感器的应用电容式传感器的应用6.3 6.3 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路6.1 6.1 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理电容式传感器电容式传感器6.2 6.2 电容式传感器的灵敏度及非线性电容式传感器的灵敏度及非线性汽车工程测试基础2022-10-2936GongYuanM电容式传感器的优点：体积小、功耗低、精度高、稳定性好、所需驱动机械力电容式传感器的优点：体积小、功耗低、精度高、稳定性好、所需驱动机械力小小6.4 电容式传感器的应用电容式传感器的应用 电容式传感器的缺点：电容式传
22、感器的缺点：（1 1）极板间距尽可能小，制造装配困难；）极板间距尽可能小，制造装配困难；（2 2）测量电路中接线与其它元件的寄生电容易引起测量误差。）测量电路中接线与其它元件的寄生电容易引起测量误差。（3 3）采用高频测量电路，放大与传输时排除分布电容的干扰困难；）采用高频测量电路，放大与传输时排除分布电容的干扰困难；（4 4）结构与调整复杂。）结构与调整复杂。电容式传感器的应用电容式传感器的应用（1 1）直接测量位移和角位移；）直接测量位移和角位移；（2 2）通过一些中间转换手段，还可用于振动、噪声、压力等物理量的测量。）通过一些中间转换手段，还可用于振动、噪声、压力等物理量的测量。汽车工程
23、测试基础2022-10-2937GongYuanM6.4 电容式传感器的应用电容式传感器的应用 PP汽车工程测试基础2022-10-2938GongYuanM6.4 电容式传感器的应用电容式传感器的应用 hmaxd0CACLCHC0PHPLCACLCHC0C0CA汽车工程测试基础2022-10-2939GongYuanM6.4 电容式传感器的应用电容式传感器的应用 00000CCCCCCCCCCCCCCCAAHAALLALA;hmaxd0CACLCHC0PHPL汽车工程测试基础2022-10-2940GongYuanM6.4 电容式传感器的应用电容式传感器的应用 图图3-26 电容式称重传感器
24、电容式称重传感器汽车工程测试基础2022-10-2941GongYuanM6.4 电容式传感器的应用电容式传感器的应用 图图3-27 电容式称重传感器电容式称重传感器F汽车工程测试基础2022-10-2942GongYuanM6.4 电容式传感器的应用电容式传感器的应用 质量块（动极板）质量块（动极板）aC1C2m汽车工程测试基础2022-10-2943GongYuanM6.4 电容式传感器的应用电容式传感器的应用 质量块（动极板）质量块（动极板）aC1C2m汽车工程测试基础2022-10-2944GongYuanM6.4 电容式传感器的应用电容式传感器的应用 汽车工程测试基础2022-10-
25、2945GongYuanM6.4 电容式传感器的应用电容式传感器的应用 汽车工程测试基础2022-10-2946GongYuanM3.3.4 电容式传感器的应用电容式传感器的应用 汽车工程测试基础2022-10-2947GongYuanM6.4 电容式传感器的应用电容式传感器的应用 Veridicom的指纹传感芯片表面由的指纹传感芯片表面由300300个电容传感个电容传感器组成。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。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：电容感应原理指纹传感芯片：电容感应原理汽车工程测试基础2022-10-2948GongYuanM6.4 电容式传感器的应用电容式传感器的应用 汽车工程测试基础2022-10-2949GongYuanM6.4 电容式传感器的应用电容式传感器的应用 指纹识别的笔记本电脑指纹识别的笔记本电脑汽车工程测试基础2022-10-2950GongYuanM6.4 电容式传感器的应用电容式传感器的应用
