2025/11/21第三章電容式傳感器匯報(bào)人:MrLuCONTENTS目錄3.1平板電容式傳感器3.2圓筒電容式傳感器本章導(dǎo)學(xué)本章導(dǎo)學(xué)電容式傳感器是將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成電容量變化的一種裝置。電容實(shí)際上就是兩塊相對(duì)的極板，中間填充有電介質(zhì)。電容量的大小和極板的相對(duì)面積、極板間的距離以及電介質(zhì)的介電常數(shù)有關(guān)，當(dāng)被測(cè)物理量引起上面三個(gè)參數(shù)中的一個(gè)或者幾個(gè)變化時(shí)，電容器的電容值就會(huì)發(fā)生改變，當(dāng)外加電源時(shí)，就可以通過(guò)輸出電壓或者電流反映出被測(cè)參數(shù)的大小。學(xué)習(xí)目標(biāo)1．掌握電容式傳感器的分類方法；2．掌握變介質(zhì)型、變極距型、變面積型平板電容式傳感器工作原理；3．掌握變介質(zhì)型、變面積型圓筒電容式傳感器的工作原理；4．熟悉平板電容式傳感器在新能源汽車傳感檢測(cè)中的典型應(yīng)用；5．能夠利用平板電容式傳感器的理論知識(shí)對(duì)新能源汽車傳感檢測(cè)中的壓力、位置、振動(dòng)等檢測(cè)原理及特點(diǎn)進(jìn)行分析。4．熟悉圓筒電容式傳感器在新能源汽車傳感檢測(cè)中的典型應(yīng)用；5．能夠利用圓筒電容式傳感器的理論知識(shí)對(duì)新能源汽車傳感檢測(cè)中的液位檢測(cè)的原理及特點(diǎn)進(jìn)行分析。課前小討論：電容器的電容量大小和極板的相對(duì)面積S、極板間的距離d以及電介質(zhì)的介電常數(shù)ε有關(guān)，當(dāng)被測(cè)量引起上述參數(shù)變化時(shí)，電容值即會(huì)發(fā)生改變，用這種原理可以實(shí)現(xiàn)新能源汽車上諸多參數(shù)的測(cè)量，那么它們的變化規(guī)律是什么樣的,主要可以實(shí)現(xiàn)哪些參數(shù)的測(cè)量呢？3.1平板電容式傳感器平板電容式傳感器由絕緣介質(zhì)分開的兩個(gè)平行金屬板組成，按照被測(cè)量改變的參數(shù)不同可以分為變極距型、變面積型和變介電常數(shù)型，主要用于新能源汽車上的橫向加速度、加速度、空氣濕度、差壓的測(cè)量。平板電容式傳感器的結(jié)構(gòu)如圖3-1所示，由絕緣介質(zhì)分開的兩個(gè)平行金屬板組成，在不考慮邊緣效應(yīng)的情況下，其電容量C的計(jì)算公式為

（3-1）式中C—平板電容器的電容量（F）S—兩平行板所覆蓋的面積（m2）d—兩平行板之間的距離（m）ε—電容極板間介質(zhì)介電常數(shù)（F/m）；εr—電容極板間介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)，對(duì)于空氣εr=1；ε0—自由空間（真空）介電常數(shù)，約為8.85×10?12F/m。工作原理及特性：變極距型電容傳感器原理對(duì)于變極距型電容傳感器來(lái)說(shuō)，極板間的相對(duì)面積S、電介質(zhì)的介電常數(shù)ε不變，只有極距d是變化的。假設(shè)電容極板間的距離由初始值d減小了?d，那么電容量是增加的，假設(shè)增加的電容量大小為?C，則有

（3-2）電容的變化量與極距是非線性關(guān)系。

在傳感器的實(shí)際使用中，通常保持上述兩個(gè)參數(shù)不變，而只改變其中一個(gè)參數(shù)，把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換成電容量的變化，通過(guò)測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為電量輸出。因此，平板電容式傳感器可分為三種類型:變極板間距離的變極距型、變極板間覆蓋面積的變面積型和變介質(zhì)介電常數(shù)的變介質(zhì)型。工作原理及特性：變極距型電容傳感器原理當(dāng)?dd?1時(shí),式(3-2)可簡(jiǎn)化為：

（3-3）

此時(shí)，由于初始電容C0和初始極距d0為常數(shù)。因此，?C與?d近似呈線性關(guān)系，所以變極距型電容式傳感器只有在?dd很小時(shí)才有近似的線性關(guān)系。另外，從公式（3-3）可以看出，為了增加系統(tǒng)的靈敏度，可以通過(guò)減小極板間極距d的方法，但極距d過(guò)小，容易引起電容器擊穿或短路。為此，極板間可采用高介電常數(shù)的材料(云母、塑料膜等)做介質(zhì)。3.變面積型當(dāng)被測(cè)量通過(guò)移動(dòng)動(dòng)極板引起兩極板有效覆蓋面積S發(fā)生變化時(shí)，

將導(dǎo)致電容量變化。當(dāng)可動(dòng)極板移動(dòng)距離?x后，兩極板間的電容量的改變量為：

（3-4）式中ε為介質(zhì)介電常數(shù)（F/m）;A—電容極板的寬度（m）;B—電容極板的長(zhǎng)度（m）;?x—電容可動(dòng)極板長(zhǎng)度的變化量（m）。可以看出，平板式電容傳感器的輸出特性是線性的，適合測(cè)量較大的位移，其靈敏度為常數(shù)。增大極板長(zhǎng)度b或減小間距d，均可使靈敏度提高。極板寬度a的大小不影響靈敏度但也不能太小，否則邊緣效應(yīng)的影響增大，非線性將增大。4.變介質(zhì)型電容式傳感器根據(jù)在兩極板間所加介質(zhì)（

其介電常數(shù)為ε1

）

的分布位置不同，可分為并聯(lián)型和串聯(lián)型兩種類型，如圖3-5所示。串聯(lián)型結(jié)構(gòu)如圖3-5（a）所示，串聯(lián)型結(jié)構(gòu)如圖3-5（b）所示。4.變介質(zhì)型電容式傳感器串聯(lián)型結(jié)構(gòu)如圖3-5（a）所示，

可以認(rèn)為是上下兩個(gè)兩層不同介質(zhì)（ε0、ε1

）

電容式傳感器的串聯(lián)，其電容值為：

（3-5）未加入介質(zhì)時(shí)初始電容為：

（3-6）此時(shí)，電容值的改變量為：

（3-7）因此，介質(zhì)改變后的電容改變量與所加介電常數(shù)ε1成非線性關(guān)系。4.變介質(zhì)型電容式傳感器串聯(lián)型結(jié)構(gòu)如圖3-5（b）所示，

可認(rèn)為是左右兩個(gè)不同介質(zhì)（ε0、ε1）

電容式傳感器的并聯(lián)，其電容值為：

（3-8）未加入介質(zhì)時(shí)初始電容為：

（3-9）此時(shí)，電容值的改變量為：

（3-10）因此，介質(zhì)改變后的電容改變量與所加介電常數(shù)ε1及S1（或長(zhǎng)度）成線性關(guān)系。3.1.2．新能源汽車上的平板電容式傳感器1.橫向加速度傳感器2.加速度傳感器3.空氣濕度傳感器4.差壓傳感器5.壓力傳感器1.橫向加速度傳感器橫向加速度傳感器是組合傳感器印刷電路板上的一個(gè)極小的部件。其結(jié)構(gòu)如圖3-6所示。一個(gè)帶活動(dòng)板的電容器板被懸掛起來(lái),可以來(lái)回?cái)[動(dòng)，借助兩個(gè)固定安裝的電容器片圍住可動(dòng)的電容器片，這樣就形成了兩個(gè)串聯(lián)電容器K1和K2。借助電極就可以測(cè)量出這兩個(gè)電容器的電容量大小。1.橫向加速度傳感器當(dāng)沒有加速度作用于這個(gè)系統(tǒng)時(shí),兩只電容器測(cè)得的電荷量C1和C2相等，見圖3-7（a）。當(dāng)在汽車行駛方向上出現(xiàn)了橫向加速度的影響,活動(dòng)板的慣性會(huì)使固定板對(duì)面的部分以與加速度方向相反的方向移動(dòng)。由此兩塊極板之間的間距改變,使某一電容器的電容值發(fā)生變化，如圖3-7（b）所示。2.加速度傳感器電容式加速度傳感器由殼體、彈簧、慣性質(zhì)量塊以及電容器組成。其中，慣性質(zhì)量塊一端通過(guò)彈簧與殼體相連，一端作為電容器的動(dòng)極板。電容器的靜極板固定在殼體上，隨殼體以相同速度運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成變極距式平板電容器。當(dāng)車輛產(chǎn)生加速度時(shí)，因電容的極板間距是隨慣性質(zhì)量的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而變化的,因此傳感器中的電容也將隨之變化。這種傳感器具有體積小、質(zhì)量輕的特點(diǎn),可以測(cè)量從靜態(tài)加速度到幾百赫茲的動(dòng)態(tài)加速度。2.加速度傳感器差動(dòng)電容式加速度傳感器的原理與電容式加速度傳感器類似，也是采用變極距型電容式傳感器的結(jié)構(gòu)。但是有兩個(gè)電容，即有兩個(gè)固定極板，中間質(zhì)量塊的兩個(gè)端面作為兩個(gè)動(dòng)極板。當(dāng)傳感器殼體隨被測(cè)對(duì)象在垂直方向做直線加速度運(yùn)動(dòng)，則改變兩個(gè)電容量的大小，一個(gè)增加一個(gè)減小。其該變量的大小和加速度大小相關(guān)。3.空氣濕度傳感器濕度是描述空氣中水蒸氣含量的物理量，常見濕度表示方式有絕對(duì)濕度、相對(duì)濕度、露點(diǎn)溫度等。對(duì)濕度的檢測(cè)就是確定車內(nèi)水蒸氣所占的比例，該值取決于空氣溫度。空氣越熱，吸收的水蒸氣就越多。當(dāng)水蒸氣含量較多的空氣冷卻下來(lái)后，水分就會(huì)冷凝，形成細(xì)小水滴并附著在風(fēng)窗玻璃上。在外界溫度很低的情況下，風(fēng)窗玻璃上部的1/3會(huì)變得非常冷，在車內(nèi)出現(xiàn)起霧現(xiàn)象。目前，許都車輛的智能空調(diào)系統(tǒng)都增加了自動(dòng)化除霜除霧功能，通過(guò)濕度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)車內(nèi)空氣，在溫差變化大的秋冬季節(jié)上路行駛，能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)車窗除霧，保持前方視角干凈實(shí)現(xiàn)更安全的用車環(huán)境。為了能夠滿足自動(dòng)除霜除霧功能的自適應(yīng)控制的需要，在后視鏡的根部安裝空氣濕度傳感器，對(duì)車內(nèi)空氣濕度、傳感器處的溫度以及風(fēng)窗玻璃溫度進(jìn)行采集，三個(gè)測(cè)量值所有功能都集中在傳感器殼體中。3.空氣濕度傳感器法國(guó)HumirelHS1101LF型號(hào)的電容式濕度傳感器外觀如圖3-10所示。該濕度傳感器是通過(guò)薄層的平板電容式傳感器實(shí)現(xiàn)測(cè)量的，當(dāng)該電容器吸收水蒸氣后，其電介質(zhì)的介電常數(shù)發(fā)生改變，從而改變了電容器的電容量。其工作原理如圖3-11所示。3.空氣濕度傳感器通過(guò)外加電路，將電容值的改變量以電信號(hào)形式輸出，其值和空氣濕度呈現(xiàn)一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。電容值和空氣濕度的關(guān)系如圖3-12所示。3.空氣濕度傳感器測(cè)量空氣濕度的同時(shí)，還需要檢測(cè)濕度位置附近的溫度，通常采用紅外輻射的原理實(shí)現(xiàn)風(fēng)窗玻璃溫度的測(cè)量。其檢測(cè)原理如圖3-13所示，因?yàn)樗形矬w都會(huì)根據(jù)其溫度發(fā)射紅外輻射，其輻射能量的大小與自身溫度有關(guān)，物體的溫度越高，其發(fā)射的紅外輻射越強(qiáng)，特別是在波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅外區(qū)域。因此，利用紅外接收設(shè)備對(duì)風(fēng)窗玻璃溫度發(fā)射的紅外輻射檢測(cè)，即可得到封窗玻璃的實(shí)時(shí)溫度值。4.差壓傳感器差壓傳感器用于檢測(cè)尾氣捕集器前后差壓信號(hào)，送至ECU，ECU根據(jù)該壓力差判斷捕集器中顆粒的積聚程度，決定“再生”觸發(fā)時(shí)刻及額外燃料注入量。電容式差壓傳感器由一個(gè)膜片動(dòng)電極和兩個(gè)在凹形玻璃上電鍍成的固定電極組成差動(dòng)電容器，如圖3-14所示。當(dāng)被測(cè)壓力作用于膜片并使之產(chǎn)生位移時(shí)，使兩個(gè)電容器的電容量一個(gè)增加，一個(gè)減小。該電容值的變化經(jīng)測(cè)量電路轉(zhuǎn)換成電壓或電流輸出，進(jìn)而反映了壓力的大小。在膜片左右兩室中通常充滿硅油(化學(xué)名叫聚二甲基硅氧烷，是一種石油制品，凝固點(diǎn)低，化學(xué)性能穩(wěn)定，對(duì)金屬無(wú)腐蝕作用，常用于儀表內(nèi)部傳遞壓力)。當(dāng)左右兩室分別承受壓力PH、PL時(shí)，由于硅油的不可壓縮性和流動(dòng)性，就能將差壓?P=PH?PL傳遞到膜片上。當(dāng)左右壓力相等，即差壓?P=0時(shí)，測(cè)量膜片左右兩電容器的電容量完全相等，即CL=CH;在?P>0時(shí)，膜片變形，如圖3-14所示，動(dòng)極板由初始位置向左偏移,即動(dòng)極板向低壓側(cè)靠近，其結(jié)果是使CL增加、CH減小。該電容值的變化經(jīng)測(cè)量電路轉(zhuǎn)換成電壓或電流輸出，

電信號(hào)大小反映了壓力的大小。3.2圓筒電容式傳感器3.2圓筒電容式傳感器3.2.1．工作原理及特性圓筒電容式傳感器的結(jié)構(gòu)如圖3-16所示，由絕緣介質(zhì)分開的兩個(gè)同心的圓筒型金屬板組成。3.2.1．工作原理及特性圓筒電容式傳感器的電容量的計(jì)算公式為：

（3-11）式中C—圓筒電容器的電容量（F）；l—內(nèi)外圓筒所覆蓋的高度（m）；R,r—外極板和內(nèi)極板的半徑（m）；εr—電容極板間介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)，對(duì)于空氣εr=1；ε0—自由空間（真空）介電常數(shù)，約為8.85×10?12F/m。在實(shí)際使用中，圓筒電容式傳感器可分為兩種類型:變內(nèi)外圓筒所覆蓋的高度的變面積型和變介質(zhì)介電常數(shù)的變介質(zhì)型。3.2.1．工作原理及特性2.變面積型變面積型圓筒電容式傳感器的結(jié)構(gòu)如圖3-17所示。

當(dāng)被測(cè)量通過(guò)移動(dòng)內(nèi)極板圓筒引起兩極板內(nèi)外圓筒所覆蓋的高度l發(fā)生變化

（相當(dāng)于內(nèi)外圓筒間相對(duì)面積發(fā)生改變），導(dǎo)致電容器的電容量發(fā)生變化。當(dāng)內(nèi)圓筒極板向下移動(dòng)距離?x后，此時(shí)的電容量為：

（3-12）即，電容量的增量為：

（3-13）式中?x—內(nèi)圓筒極板向下移動(dòng)的距離（m）?？梢钥闯?，變面積型圓筒電容式傳感器的輸出特性是線性的，其靈敏度為常數(shù)，且取決于R/r，R與r越接近，靈敏度越高。另外，雖然內(nèi)、外圓筒原始覆蓋長(zhǎng)度l與靈敏度無(wú)關(guān)，但是因?yàn)檫吘壭?yīng)將影響到傳感器的特性，因此不能太小。3.2.1．工作原理及特性3.變介質(zhì)型因此，

可認(rèn)為是上下兩個(gè)不同介質(zhì)（ε0、ε1）

電容式傳感器的并聯(lián)，其電容值為：

（3-14）未加入介質(zhì)時(shí)初始電容為：

（3-15）此時(shí)，電容值的改變量為：

（3-16）由式(3-16)可見，電容改變量C與被測(cè)液位的高度h或介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)成線性關(guān)系。即，變介質(zhì)型平板結(jié)構(gòu)和圓筒結(jié)構(gòu)(相當(dāng)于并聯(lián)型)的電容改變量與介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)成線性關(guān)系，串聯(lián)型平板結(jié)構(gòu)的電容改變量與介質(zhì)的介電常數(shù)成非線性關(guān)系。圓筒電容式傳感器在新能源汽車上的主要應(yīng)用是燃油液位檢測(cè)。這種傳感器設(shè)置在燃油箱內(nèi)。外觀如圖3-19所示。它由桿體外殼、進(jìn)油孔