电容式汽车油量传感器的研究.pdf

同济大学硕士学位论文电容式汽车油量传感器的研究摘要摘要汽车传感器是汽车电子技术领域研究的核心内容之一。随着电子技术的发展和汽车 电子控制系统应用的日益广泛，微型化、多功能化、集成化和智能化的传感器将逐步取 代传统的传感器，成为汽车用传感器的主流。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 容传感器的产品原型，试验分析并研究解决在实际使用条件下的一些问题。首先分析比 较了各种电容测量电路的特点，介绍根据X-A模数转换原理设计的电容测量器件 AD774 5,然后计算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 结构，设计测量信号处理电路以及测量结果显示电路的硬件和软件。最后讨论电容传感 器在轿车油箱中的标定方法，电容测量的温度补偿，滤除液面抖动以及传感器故障诊断 等问题。电容式油量传感器相比传统的浮子式油量传感器，其显著的优点在于取消了机械传 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 式油量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，传感器，S-A模数转换AbstractABSTRACTAutomotive sensor is a core content in th e f ield of automotive electronics research.With th e development of electronic tech nology and th e increasingly widespread application of automotive electronic control systems,th e miniaturized,multif unctional,integrated and intelligent sensors will gradually replace th e traditional sensors.In th is paper,a dielectric constant variable capacitance sensor,wh ich is used to measure th e f bels cubage in th e tank of th e automobile,is designed and manuf actured in th e prototype,and experiments and analysis in th e actual using conditions are discussed.Th e various capacitance measuring circuits are f irst analyzed and compared and a new capacitance measuring microch ip AD774 5,wh ich is produced with th e E-A Analog-to-Digital Converting principle.Based on th e ph ysical ef f ects of th e capacitance probes in th e f uel,th e mech anical structures are calculated and designed.And th en th e h ardware and sof tware of th e signal processing circuit and measuring results sh owing circuit are designed.Th e sensor calibration meth od,temperature compensation meth od,surf ace vibration f iltrating meth od,f ault diagnosis and oth er questions are research ed and discussed.Compared to th e traditional f loater f uel sensor,th e distinct advantages of th e new capacitive sensor are:th ere are no mech anical kinetic components,but it h as compact structure and size.Th rough th e design and test of th e sensor projotype,th e new solution of th e capacitive sensor sh ows good industrial prospects.Key words:automobile f ueltank,dielectric constant variable capacitance,automotive sensor,S-A Analog-to-Digital Converter第一章绪论第一章绪论1.1 课题的来源与背景现代汽车设计为了追求最佳的零部件总布置，各大汽车生产商都无一例外 地采用三维数字化设计，力求合理、紧凑地布置零部件，使空间得到最有效的 利用。轿车的燃油箱在生产工艺上主要是采用吹塑加工，其吹塑模具比加工板 金件的金属模具要廉价很多，而且塑料的易流动性也保证能较容易地加工出异 型件。利用这个特点，燃油箱往往是整车总布置设计中最后完成的零件。在布 置好其他零部件的空间位置后，剩卜留给放置燃油箱的空间往往是异型的，为 了获得较大的载油量，又必须尽可能多地利用这个不规则的空间，所以油箱外 形通常是没有什么规则的异型，而且各款轿车的油箱形状通常也不尽相同。图 1.1的几张实物图片是使用在上海大众桑塔纳普通型轿车上的燃油箱（容积60 升左右1轿车油箱的异形特点由此可见一斑。图1.1汽车油箱实物图异型油箱有效地利用了车身空间，载油量变大，但是要比较精确地测量内 部的载油量就不容易。现有的测量装置采用传统的浮子式液位传感器，其基本 敏感元件为浮子，结构示意图如1.2所示。第一承绪论图1.2浮子式传感器结构简图将敏感元件机械量的变化转化为电信号的检测手段主要有两类：一类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用此类 检测元件。如图L3所示，它是由浮子通过连杆带动电位器，其阻值变化改变 电路中的电流大小，从而改变线圈的磁场强弱，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 位器后，其阻值会发生变化，造成误差太大，甚至不能使用，使此类油箱传感 器成为寿命很短的易损件。另一类是用电感线圈为基本检测元件，例如现在生产的高档汽车多采用此 类检测元件。它是用浮子带动电感线圈，改变振荡电路的振荡频率，再通过频 率计检测其频率来测定油位。但其结构复杂，调试麻烦，成本高，价格贵，不能被广泛使用。图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，例如滑动变阻器式检测元-2-第一章绪论件需要连杆通过较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，机械运动部件容易磨损而导致传感器失灵，难以保证在汽车使用的生命 周期中传感器持续有效e另一方面，异型油箱决定了燃油的高度变化和其体积的变化并不成线性关 系，使用模拟电路标定比较难以实现，所以现有的测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 和无油，如图L 4所示，这样的刻度很松散,不精确。工图1.4油量表刻度驾驶员由于仪表盘上燃油表的指示不够精确，常常在估计燃油余量时发生 较大误差。有时估计值大于实际余量值，而不及时加油，常常在公路行车过程 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 以至燃油溢出油箱加油口。这些情况的发生或多或少地存在一些安全隐患。1.2 课题的研究目的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 采用纯粹的电子测量方法，实现对油箱油量比较精确测量的要求。摒弃机械运 动部件，采用固定在油箱中的电场传感器，以电极间电容值为相关变量，计算 油箱内的液位高度，然后根据事先通过标定获得油箱的高度一体积关系，积分 计算出燃油的体积。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，（见附录表A1）,测量对象的这些物理特性为使用电容式传 感器创造了前提条件；另一方面，高速发展的微电子技术已经能够以相当低价 的解决方案去实现小电容的精确测量，这种测量方案具有较好的市场前景。温度变化对电容值测量有比较大的影响，所以在测量电容的同时，必须将 温度变化对测量结果进行补偿和校正。另外由于汽车行驶过程中，油箱中的燃 油液面上下振动，本文也探讨了如何通过软件滤波消除这种影响，给出了防抖 算法。-3-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CAN/LIN通讯接口向 外发送，通过总线在显示终端上使用步进电机驱动仪表指针。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，对仪表板的燃油表的刻度标注也进行了一些改进，重新设计了仪表，将刻 度划分更为精细，以期更为准确的显示；设计的图样如图1.5所示。图1.5仪表图样1.3 国内外发展现状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、宝马到小 排量的家用小车，无一例外的都是采用浮子式传感器来测量油箱中的油量的。文献7中谈到飞机油箱油量传感器的设计。飞机上并不采用浮子式测量方 法，而是采用变截面电容的电子测量方法，说明通过电测手段解决油量测量的 技术路线是完全可行的，飞机上的这个应用在汽车上可以参考借鉴。近三十年来电子技术在汽车产品上的成功应用，使得汽车电子化的程度越 来越高，采用新的设计方法取代机械浮子式传感器是技术发展的需要。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，而且应用嵌入式 系统的解决方案更加灵活，适用性更高。电子测量容易实现数字化，能与现代 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 功能，使其成为个智能传感器。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 化集成的高度机电一体化产品的技术大背景下，研究采用无机械运动部件的电 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-4第一章绪论件，对轿车异型燃油箱的油量进行测量，通过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 中燃油量指示出来。目标是设计、制作一个接近产品化的实物传感器，并与实 际燃油箱匹配。图L6为系统主要电路结构框图。电K人伟惑器的也用N种枪用图1.6电容式传感器的电路结构框图本论文共分六章，其中第二章介绍电容测量的物理原理和方法，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，选择合适的测量方案 和电路。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。本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要求，设计整套系统的完整结构，并说明从经济性和实用性两个方面选择其电子元器 件的原因。第四章为整套系统的软件设计。包括程序的设计流程，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。第五章为测量系统的试验、调试、传感器标定与匹配方法。温度变化对测 量结果的影响，温度校正算法。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，并且核算电容式传感器的生产 成本，探讨该测量方案的产业化前景。本课题作为电容式传感器在汽车油量测量领域的尝试与研究，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-5-第一章绪论程中有所创新，优化改进传统技术、工艺，力图使汽车更加多的电子化、信息 化和智能化。6-第二章电容测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：任何事物的发展都要经历一个破旧立新、螺旋上升的 过程。回顾科学技术发展史，电容式传感器的发展也经历了一个曲折的过程。早 在上世纪四十年代电容式传感器的原理就为人们所知，与电位器式、应变式、电 感式等多种传感器相比，它具有一系列突出的优点：结构简单；能够实现无接触 测量；只要极小的输入力（或输入能量）就能使动极板移动，在移动过程中几乎 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0.01 RT1甚至更 小的位移；动态响应好；能在恶劣环境条件下（高低温、各种形式的辐射等）工 作。但是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广泛的 应用，是由于当时某些技术问题，尤其像电缆寄生电容干扰带来的特性不稳定，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些问题 创造了条件，变电容法重新受到重视,并成为传感器技术领域中的一个新的发展 方向。二次大战期间（1940年），英美两国同时为军用飞机研制成了电容式油量表（液位计），代替了旧的浮子式油量表。这是电容式传感器在当时的唯一应用。电容式油最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 将并联的两个或四个传感器装于一个油箱内，在测油量时，能减少飞机倾斜或俯 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蚀性的 液体，如酸、液氧等，只需在管子外壁敷设一层防腐介质即可。它不仅可以作为 液位测量，而且可作各种状态的物体在容器中位置的测量，诸如稻米、小麦、水 泥、媒粉等，故广义地称之为电容式物位计。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 电容传感器的物理原理2.2.1 电容式传感器分类电容式传感器的基本工作原理是基于物体间的电容量及其结构参数之间的 关系。由物理学可知，电容器的电容是构成电容器的两极板形状、大小、相互位-7-第二堂电容测量的物理原理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 边缘电场影响时，其电容量C为C=（2.1）8式中：介质的介电常数；S极板的面积；S极板间的距离：图2.1平板电容器由（2.】）式可知，平板电容器的电容是,S,5的函数，即C=f（,S,万）。电容式传感器的工作原理正是建立在上述关系之上的。具体地说，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 体上、下移动（使6变化）或左、右移动（使S变化）时，将引起电容的变化。通过一定测量电路可将这种电容变化转化为电压、电流、频率等电信号输出。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，而极板间的介质状态参数发生变化致使介电常数产生变化时（如介质在极板中间 的相对位置、介质的温度、密度、湿度等参数发生变化时，均能导致介电常数的 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、密度等。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化而引起电窘变化，再通过一定的测量电路将其转换为有用 的电信号输出，即可根据这种输出信号大小来判定被测物理量的大小，这就是电 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、变面积式、变介电常 数式三种。按极板形状不同有平板和圆柱形两种。变间隙式一般用来测量微小的线位移（小至0.01微米零点几亳米）：变面 积式则一般用来测角位移（自一角秒至几十度）或较大的线位移；变介电常数式 常用于固体或液体的物位测量，也用与测定各种介质的湿度、密度等状态参数。本文设计的汽车油量传感器就是应用变介电常数式电容传感原理。2.2.2 变介电常数式电容传感器的适用领域电容式液位传感器是将非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。它具-8-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、动态响应好、灵敏度高、分辨率高、体积小、高 频特性好，并能在高温辐射和强烈振动等恶劣环境下工作等，所以它被广泛应用 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 绝缘液体的液位测量,且容器为立式圆筒形,容器壁作为一极,沿轴线插入裸金属 棒作为另一极，电极其间构成的电容Cx与液位成比例，也可悬挂带重锤的软导 线作为一个电极图2.2(b)适用于导电液体或对金属电极有腐蚀性的液体测量中。插入待测 液体中的电极表面有不导电或防腐蚀镀层，计算测得的电容，只需将镀层所带来 的影响去掉即可。图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筒，套筒上 下开口或整体上均匀分布多个孔，使内外液位相同，内外套筒构成两个电容电极，其电容和容器形状无关，只取决于液位高度。若待测液体不导电且对电极无腐蚀，可直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 到的表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 含有颗粒物的液体测量测量，容易产生滞留物在极间，可以用装滤网的办法加以 解决。图2.2电容液位传感器的电极结构汽车燃油(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；而且汽车油箱是用不导电的高性能塑料通过吹塑加工而成，根 据汽车上的使用情况，采用第三种电极方式是合适的。2.2.3 变介电常数式电容特性曲线、灵敏度、非线性电容式液位计所使用的电容式传感元件属于变介电常数式。当被测液体的液 面在电容式传感元件的两同心圆柱形电极间变化时，引起极间不同介电常数介质 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-9-第二章电容测量的物理原理和方法慨述图2.3内外套筒式电容器2 处o（力一x）2 痛ix 十 启Ri Ri2ns oh 2;r(i-o)x(2.2)C=Ri Ri式中：i液体介质的介电常数（F/M）；。空气的介电常数（F/M）：h电极板的总长度；Ri-内极板的外径；网外极板的内径：由（2.2）式可知，输出电容C将与液面高度x成线性关系。变介电常数式图2.4变介电常数式电容特性曲线由式（2.2）可见，影响灵敏度的参数是内极板的外径R】和外极板的内径Rz 之比值，当Rz和Ri比值越小，其灵敏度越高，意味着内外套筒的间距越小灵敏 度也好。但受电容器击穿电压的限制以及介质发生“挂壁”现象的趋势，而且增 加装配工作的困难，因此这个差距应该控制在一个最优化的范围。本文在后面的 章节中将会论述如何根据实际情况设计R1和R2前文提到的在飞机的航空油表中，由于油箱的不规则形状（飞机油箱通常是 在飞机机翼内部），液面高度与油箱中的油量关系是非线性的，为了获得电容-10-第二章电容测量的物理原理和方法慨述输出与油量的线性关系,必须使电容与液面高度成非线性关系，通常的方法是在 一个圆柱形极板上开一些缺口，此时电容式传感元件的特性将是非线性的，其 示意图如图2.5所示。图2.6另一种变介电常数式电容图2.5非线性电容传感元件另一种变介电常数的电容式传感器的原理图见图2.6。当某种介质在两固定 极板间运动时，电容输出与介质常数之间的关系为Sr式中：d运动介质的厚度（m）。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的改变，如湿度变化，电容将产生相应的变化，据此可做成介电常数的测试传感器，如湿度传感器。反之，若打不变，则可做成测厚传感器。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 大。例如由两圆形平板构成的电容器，当其半径R与间隙巾比值。=50且板厚 等于间施时，实际电容量将比计算值大6%。此外边缘效应还由使灵敏度降低、非线性增加。为了减少边缘效应的影响，可以适当减小极板间距，但这容易引起 击穿，并限制了测量范围。较好的办法是采用防护环（见图2.7）。在使用时，使 防护环与被防护的极板具有相等的电位，则在被防护的工作极板面积上的电场基 本上保持均匀，而发散的边缘电场将发生在防护环外周。图2.7带有防护环的电容器-II-笫二章电容测量的物理原理和方法慨述2.2.4电容传感器的等效电路绝大多数电容式传感均可用一纯电容来表示。在高频下（如几兆赫），即 使电容很小，损耗一般亦可忽略。在低频时，其中损耗可用并联电阻以来表示（图2.8）,它代表直流漏电阻、电极绝缘基座中的介质损耗和在极板间隙中的介 质损耗等。对空气介质电容器来说，其损耗一般可以忽略；对固体介质来说，显 然损耗与介质性质有关。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内，因此图中凡代表导 线电阻、金属支座及极板电阻。此时，连接导线的电感亦应考虑，图中以心表示。对于任一谐振频率以下的频率，由于的存在，传感器的有效电容Ce将增 加AC,有效电容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，即电缆长度不能改变。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 于电容式传感器本身电容量很小，仅儿十皮法、甚至几皮法，因些传感器受寄生 电容干扰而问题非常突出。这个问题解决不好，将导致传感器特雇严重不稳，甚 至完全无法工作。在任何两个导体之间均可构成电容联系，因此电容式传感器除了极板间的电 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。这种附加的电容联系，称之为寄生电容。寄生电容使传感器电容量改变。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 器特性的不稳定，从而对传感器产生严重干扰。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，即将传感器放在金属壳体内，并将壳体接地，从而可消除传感器与壳体外 部物体之间的不稳定的寄生电容联系。传感器的引出线必须采用屏蔽线，口应与 壳体相连而无断开的不屏蔽间隙，屏蔽线外套同样应良好接地。第二章电容测量的物理原埋和方法慨述但是，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.屏蔽线本身电容量大，最大每米可达上百皮法，圾小的亦有几皮法。由于电 容式传感器本身电容量仅儿十皮法甚至还小，当屏蔽线较长且其电容与传感 器电容相并联时，传感器电容的相对变化量将大大降低，也就是说传感器的 有效灵敏度将大大降低。2,尤为严重的是，由于电缆本身的电容量随放置位置和其形状的改变而有很大 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生电容噪声 所淹没，以至传感器无法工作。电缆寄生电容的影响，长期以来一直是电容式传感器难于解决的棘手的技术 问题，阻碍着它的发展和应用。目前微电子技术的发展，己为解决这类问题创造 了良好的技术条件。一种可行的技术方案是将测量线路的前级或全部与传镇器组 装在一起，构成整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 的影响。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，一方面能有效地减少由于导线电缆所带来的杂散电容的影响.另一方面考虑到生 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 中所产生的附加电容能被有效地控制，而不必修改标定后所得到的参数以及程 序。2.2.5电容传感器的电学特点电容传感器的主要电学特点是高阳抗、小功率。电容式传感元件由于其几何 尺寸较小，一般电容量很小，有的甚至只有几个皮法。电容越小，容抗(先二一二)a)C越大，视在功率(Pc=U/=tAyC)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，其直径 d=4 0mm初试间隙3o=O.25 mm,两极板间电压为U=30V,频率f=4 00Hz,则其 起始电容C=4 4.5 pF,容抗在=1 1.1?06。，视在功率&=10一叶，如动极板移 动5=0.15。时，其电容变化鼠AC为4.4 5 pF。由以上数据可知，电容式传感器 的电容量很小，因此是一个高阻抗、小功率的传感器，而且电容变化量极小，这 是电容式传感器的一个重要特征。这个特性使它易受外界干扰，在信号处理上一 直是个难点，且其信号有时甚至需要多级电路加以放大。采取多个并联传感元件 以提高总电容量或提高电源频率，都可减小容抗。-13-第二箪电容测量的物理原理和方法慨述2.2.6极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 的作用。当活动极板由敏感元件来带动时，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。不过这种静电力一般是很小的，只有对推动力很小的敏感元件才需要对静电吸力 加以考虑。本文所涉及到的变介电常数式的电容器，静电吸力完全可以忽略不计。2.3典型的电容检测方法电容式传感器将被测物理量变换为电容变化后，必须采用信号处理电路将其 转换为电压、电流或频率信号。电容式传感器的测量电路种类很多，典型的测量 电路主要有以下几种.交流电桥法 双T二级管式电路 差动脉宽调制电路 运算放大器式电路下面分别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交流电桥法惠斯通平衡电桥一般应用在应变片测量电路上，桥臂上基本上都是阻抗。容 阻电桥在实践中使用不多，一般都是采用变压器式桥路。其测量电路的原理框图 见图。变压器式桥路可以说是容阻电桥的简化，它省去了两桥臂电阻，在原理上 己离开了四臂惠斯通电桥的概念，因此分析方法亦有所不同。图2.9变压器桥式电路原理变压器式桥路的等效电路图如图2.1 0所示。图中Ci、C2可以是两个差动电 容器，也可使其中之一为固定电容器，另一为电容式传感器：Zf为放大器的输 入阻抗，一般可取Zf f 8,Zf上的电压降即为电桥输出电压dr。设在起始时，-14-第二章电容测量的物理原理和方法慨述卤=兀2=后。下面来求区与传感器电容Cl、C2及电路其他参数的关系式。图2.10变压器桥路等效电路在这种情况下，可以直接写出输出电压“，的表达式(2.6)对丁差动电容器(如图2.1 1所示)_eS eS_ So-Ab So+A5 _(27)C1+C2 _S,S So获热+/代(2.7)式入(2.6)式可得.,AJU,二 E(2.8)6。可见，当输出与(C1-C2)/(C1+C2)成比例时，即使对变间隙电容式传 感器来说，输出也将与输入位移成理想线性关系。对变压器式电桥来说，只有当 放大器的输入阻抗为无限大时才能做到。以上所述为不平衡电桥电路，它的输出均与供桥电压成比例。电源电压的不 稳定将百:接影响测量精度。对于不平衡电桥，传感器必须工作在小偏离情况下，否则电桥非线性将增大。平衡电桥以电桥桥臂的平衡条件为基础，这种平衡条件与电源电压无关，因 此测量将不受电源电压波动的影响，而电桥输出一般具有线性特性。采用自动平-15-第二章电容侧量的物理原理和方法慨述衡电桥线路也能实现自动测量、远距传输以及多信号输出等要求。飞机上的电容 式油量传感器就是使用这种检测方法的。2.3.2双T二级管式电路电桥测量电路的输出均为具有一定相位的交流电压，为了获得相应的直流输 出，必须进行相敏解调，这就使电路较复杂，且要求输出电压与激励电压之间必 须有严格固定的相移，否则将带来误差。美国MIT麻省理工学院教授K.S.Lion,在1963年提出了一种二极管电路.称为非线性双T网络。这种电路的特点是电 路十分简单，不需附加相敏解调器，即能获得高电平的直流输出，而且灵敏度亦 很高。据资料介绍，当输入电源电压为正弦波，有效值为4 6V、频率为1.3MHz、负载为1 MC、电容变化为7pF时，可输出直流电压为5 V。图2J2二级管式电路这种电路的组成见图2.12。E为一高频（MHz级）振荡源，可为方波或正 弦波；G、Cz可为传感器的两差动电容；也可使其中之一为固定电容，另一为 电容式传感器的可变电容：Rf为双T网络的输出负载；D】、4为特性完全相同 的两个二极管；R为固定电阻。当传感器没有输入时，G=C2,凡在一个周期内流过的平均电流为零，无电 压输出。当Cl或C2变化时,RI上产生的平均电流将不再为零,产生输出电压,因而有信号输出。其输出的电压平均值为瓦=欣=.Cl C2）（2.9）（夫+2吊）由（2.9）式可见，输出电压不仅与电源电压E的幅值大小有关，而且还与 电源频率有关，因此除了要求稳压外，还须稳频。另外输出与（Q-C2）有关，而 不是与有关，因此对这种差动电容式传感器来说，原理上也只 能减少非线性，而不能完全消除非线性。一般来说，该电路适用于各种电容式传感器。它的应用特点和要求：（1）电 源、传感器电容、负载均可同时在一点接地：（2）二极管D2工作于高电平-16-第二章电容测量的物理原理和方法慨述下，能减小非线性失真；(3)其灵敏度与电源频率有关，因此电源频率要求稳定;(4)将Di，D2,R布置在C1，C2附近，能消除电缆寄生电容影响，线路简单。因为该电路对电源频率要求严格，因而在汽车上的应用受到限制。2.3.3差动脉宽调制电路图2.13脉宽调制电路该电路的原理图如图2.1 3所示。它由比较器Ai、A2、双稳态触发器及电容 充放电回路组成。G、C2为传感器的差动电容，双稳态触发器的两个输出端用 作线路输出。设电源接通时，双稳态触发器A端为高电位，B端为低电位,因 此A点通过R1对Ci充电，直至M点上的电位等于参考电压Uf时，比较器A1 产生一脉冲触发双稳态触发器翻转，A点成低电位，B点成高电位。此时M点 电位经二极管D】从Uf迅速放电至零，而同时B点的高电位经Rz向C?充电。当 N点电位充电至Uf时，比较器A2产生一脉冲，使触发器乂翻转一次，使A点 成高电位，B点成低电位，又重复上述过程。如此周而复始，在双稳态触发器的 两输出端各自产生一宽度受G、C2调制的脉冲方波。下面说明此方波脉冲与G、C2的关系。当Ci=Cz时，线路上各点电压波形如图2.1 4(a)所示，A、B两点间 的平均电压为零。但当C1、C2值不相等时，如C/C2,则Ci、C2充放电时间常 数就发生改变，电压波形如图2.1 4(b)所示，A、B两点间平均电压不再是零。输 出直流电压Use经低通滤波后获得，应等于A、B两点间电压平均值Uap与Ubp 之差。-17-第二章电容测量的物理原理和方法慨述图2.14 A、B、M、N各点电压图”.一 Ui Ti+Ti2.1 0)Ubp=Ti+Tz 式中：5一触发器输出的高电平。7TL 7T2Usc=Uap-U&，=Ux-一 八十 722.1 2)Ti=RCAn UlU i-Uf(2.1 3)TiRiCAn-Ux-Uf(2.1 4)设充电电阻R】=R2=R，则得Cl 4-Ci(2.1 5)(2.11)由上式可知，差动电容的变化使充电时间不同，从而使双稳态触发器输出短 的方波脉冲宽度不同而产生输出。而且不论对于变面积式或变间隙式电容器，均 能获得线性输出。此外，脉冲调宽电路还有如下特点：与二极管式线路相似，不 需附加相敏解调器，即能获得直流输出：输出信号-一般为1 00kHz1 MHz的矩 形波，所以直流输出只需经低通滤波器简单地引出。由于低通滤波器的作用，对 输出矩形波的纯度要求不高，只需要一电压稳定度较高的直流电源，这比其他测 量线路中要求高稳定的稳频稳幅的交流电源易于做到.这种电路不需要载频和附加解调线路，无波形和相移失真；输出信号只需通 过低通滤波器弓I出：直流信号的极性取决于a和C2；脉宽调制处理电路也便于 与传感器做在一起，从而使传输误差和干扰大大减小，但是这种电路虽然对于变 !8-第二章电容测I量的物理原理和方法慨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 误差较大。2.3.4运算放大器式电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 与输入动极板位移成线性关系。图2.1 5是该电路的原理图。图2.1 5运算放大器式电路|rR,/为导体长度，=8.854x1。-尸/而，根据AD774 5量程匹配要求，可以确定所产生的物理效应的范围：JCi=Cxi+AC=1 3pFC2=Cr2+AC=21 pF两式相减得 Cd-Ca=8pF(3.3)(3.1)式代入(33)式得-oTln Ri=8pFRi2 JTS rBtnzm E o/“)=8pF即(3.4)R根据附录 A 表 1：i“=2.2xl()T2尸/用，=1x10-I2F/w 代入式(3.4)计算得-=8.35-25-第三章结构设计与电路硬件设计根据演示和展示的要求，取/=0.2m于是可算得 In=835 x0.2=1.67Ri即=e1 67=5.1 32 5（3.5）式（3.5）是设计内外套筒半径的尺寸比例约束，但是两筒的间距不能太小，否则发生毛细（虹吸）现象，而导致无法测量。下面通过分析毛细（虹吸）现象产生的原因，计算两筒的最小间距，确定合 理的Ri、R2尺寸。3.4 毛细现象的影响根据现有条件，内外双套筒结构电容探头采用铜管制作。汽油或柴油对铜这 种材料是浸润液体。浸润液体在细管里升高的现象和不浸润液体在细管里降低的 现象，叫做毛细现象。能够产生明显毛细现象的管叫做毛细管。毛细现象的产生是由于液体表面张力引起的。液体表面类似张紧的橡皮膜，如果液面是弯曲的，它就有变平的趋势。因此凹液面对下面的液体施以拉力，凸 液面对下面的液体施以压力.表面张力，一般是指在液一气表面上，液体存在收缩表面的力，其方向与液 面相切，垂直分界线，是一对方向相反、大小相等的内力。它是液体表层大量分 子作用力的宏观表现。由于表层分子受到内部分子的吸引，使液体表面积尽量缩 小，合力指向液体内部。汽油表面张力系数7=27.7X1 0-5牛顿/厘米，其分子间相互作用是范德华引 力。浸润液体在毛细管中的液面是凹形的，它对下面的液体施加拉力，使液体沿 着管壁上升，当向上的拉力跟管内液柱所受的重力相等时，管内的液体停止上升，达到平衡。当液体润湿毛细管管壁时，则液体沿内管上升，其上升高度可按下式计算E h-2yc os6/rpg 6）式中：产为液体表面张力系数；p为液体密度：g为重力加速度；。为接触角；r为毛细管内径。如图3.3所示。-26-第三章结构设计与电路硬件设计图3.3毛细现豫示意图取y=27.7 x 10一5牛顿/厘米,p=0.735g/ml g=9.8X 103 kg/m3 8=60。若由于毛细现象，汽油上升导致电容变化所带来的误差为2%,即h=H 总高度X2%=0.2X2%=4 X 103m统一单位带入，算得毛细管内径2/cos9 _ 2 x 27.7 x 1 O*3 x cos 600 pgh 735 x 9.8 x 0.2 x 2%=lxl0_3w=Imw(3.7)可见由于汽油的表面张力系数很小，如果两极板的间距”=&2一吊而加，产生的毛细现象和“挂壁现象”对电容变化值所带来的影响可以忽略不计.根据实际情况，取R2=1 0mm,Rj=2mm,进行机械加工。其极板间距 d=R2-Ri=8mm,远远超出式（3.7）的结果，完全可以忽略由于毛细现象和“挂 壁现象”所带来的附加电容的影响。3.5 传感器探头的设计作为面向产品的快速原型设计，本传感器除了满足其理论研究的基本要求 外，还需要同时兼具演示和展示的功能。所以，首先用有机玻璃材料制作了一个 类似实际汽车油箱的异形容器，直观明了。所设计的传感器以此为试验基础，根 据其几何关系进行标定、测试等试验研究。上文计算确定了内外双套筒结构探头的尺寸，下面论述选择合适的材料进行 机械加H以及在原型件机械加工中应当注意的几个问题。-27-第三章结构设计与电路硬件设计图3.5探头装配图如图3.4,考虑到绝缘能力以及方便机械加工，固定内