汽车工程测试技术基础-第6章-电容式传感器(精)

汽车工程测试基础2020/1/[e-mail]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：汽车工程测试基础2020/1/[e-mail]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。r6.1.1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2020/1/[e-mail]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ε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，通过测量电路就可转换为电量输出变极距型变面积型变介电常数型dACr0电容式传感器可分为：汽车工程测试基础2020/1/[e-mail]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12(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)(i)(j)(k)(l)结构形式汽车工程测试基础2020/1/[e-mail]6.1电容式传感器--电容式传感器的工作原理dbxCdrC22dDxC/ln2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汽车工程测试基础2020/1/[e-mail]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，则电容器的初始电容值为：06.1电容式传感器--电容式传感器的工作原理ArddACr00汽车工程测试基础2020/1/[e-mail])/11()/11(00000000ddCdddAddACC如果两极板间间距减小，设电容增量为，则有：C)/11(/1/1/11000000ddddddddddCC－6.1电容式传感器--电容式传感器的工作原理汽车工程测试基础2020/1/[e-mail]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：1/0dd])()(1[3020000ddddddddCC11x2311(1)nnxxxx(1,1)x汽车工程测试基础2020/1/[e-mail]6.1电容式传感器--电容式传感器的工作原理00ddCC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：汽车工程测试基础2020/1/[e-mail]6.1电容式传感器--电容式传感器的工作原理00ddCCddCC00])()(1[3020000ddddddddCC此时ΔC与Δd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。10dd汽车工程测试基础2020/1/[e-mail]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Δd变化所引起的ΔC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ddCC00汽车工程测试基础2020/1/[e-mail]6.1电容式传感器--电容式传感器的工作原理000ddACgg式中：εg——云母的相对介电常数，εg=7；ε0——空气的介电常数，ε0=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2020/1/[e-mail]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1000kV/mm，而空气仅为3kV/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20~100pF之间，极板间距离在25~200μm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2020/1/[e-mail]2、改变极板相对有效面积式（S型）电容传感器假定初始状态时电容器的电容量为:改变极板间相对有效面积后，电容器的电容量为Cx，则有：dabC00axCCdxbCdxbabdxabCx000)(axCCCCx006.1电容式传感器--电容式传感器的工作原理dACr0汽车工程测试基础2020/1/[e-mail]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。axCCCCx00汽车工程测试基础2020/1/[e-mail]6.1电容式传感器--电容式传感器的工作原理汽车工程测试基础2020/1/[e-mail]0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r6.1电容式传感器--电容式传感器的工作原理dACr0汽车工程测试基础2020/1/[e-mail]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DdHh1变介质型电容式传感器L0Ld0r1r2汽车工程测试基础2020/1/[e-mail]6.1电容式传感器--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。DdHh1C1C2+汽车工程测试基础2020/1/[e-mail]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汽车工程测试基础2020/1/[e-mail]前面已得到：电容的相对变化量为0011ddCC当|Δd/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汽车工程测试基础2020/1/[e-mail]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ΔC/C0与输入位移Δd之间成非线性关系，当|Δd/d0|1时可略去高次项，得到近似的线性关系：00ddCC电容传感器的灵敏度为:001ddCCK000dACr汽车工程测试基础2020/1/[e-mail]6.2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δ为:%100%100|/|)/(0020dddddd要提高灵敏度，应减小起始间隙d0，但非线性误差却随着d0的减小而增大。汽车工程测试基础2020/1/[e-mail]6.2电容式传感器的灵敏度及非线性在实际应用中，为了提高灵敏度，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Δd时，电容器C1的间隙d1变为d0-Δd，电容器C2的间隙d2变为d0+Δd,则00d1d2C1C2S汽车工程测试基础2020/1/[e-mail]])()(1[])()(1[30200023020001ddddddCCddddddCC])()([250300021ddddddCCCC])()(1[2402000ddddddCC若,略去高次项，上式可变为:1/0dd002ddCC6.2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：电容量的相对变化值为：则这种差动式传感器的灵敏度为：002/ddCCK汽车工程测试基础2020/1/[e-mail]6.2电容式传感器的灵敏度及非线性差动的好处灵敏度得到一倍的改善002CdCd001CdCd0100%dd20100%dd线性度得到改善汽车工程测试基础2020/1/[e-mail]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汽车工程测试基础2020/1/[e-mail]6.3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LCf211、汽车工程测试基础2020/1/[e-mail]6.3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=C0±ΔC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fufu汽车工程测试基础2020/1/[e-mail]6.3电容式传感器的测量电路当被测信号为0时，ΔC=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，ΔC≠0，振荡器频率有相应变化，此时频率为ffLCCCCf0021)(21汽车工程测试基础2020/1/[e-mail].