电容传感器的原理及在汽车行业中的应用

赵海发 李小伟

（武汉理工大学 武汉  430070）

摘要：本文论述了电容传感器的原理及特点并从汽车测试用和汽车上用两方面论述了电容传感器在汽车行业中的应用。

关键词：汽车 电容传感器 倾角传感器 加速度传感器 压力传感器

0  引言

随着电子技术的发展，汽车电子化程度不断提高，传统的机械系统已经难以解决某些与汽车功能要求有关的问题，因而将逐步被电子控制系统代替。传感器作为汽车电控系统的关键部件，其优劣直接影响到系统的性能。目前，普通汽车上大约装有几十到近百只传感器，豪华轿车上则更多，这些传感器主要分布在发动机控制系统、底盘控制系统和车身控制系统中。在20世纪60年代，机油压力传感器、油量传感器和水温传感器开始应用于汽车上，

1  电容传感器的工作原理

传感器按其工作原理的不同分为发电式传感器和电参式传感器两大类，将非电量转化为电动势的传感器称为发电式传感器；将被测量转换为电参量（如电阻、电容、电感）的变化称为电参量式传感器，电容传感器就是其中典型的一个例子。

1.1定义

电容式传感器是将被测量（如尺寸、压力等）的变化转换成电容变化量的一种传感器。实际上,它本身（或与被测物结合）就是一个可变电容器 。

图1平板电容器

它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。其最简单的形式是由两个平行电极组成、极间以空气为介质的电容器。（如图1所示）

1.2工作原理

平行板电容器之电容为：

其中：

S——极板的遮盖面积，单位为m²；

ε——极板间介质的介电系数；

δ——两平行极板间的距离，单位为m；

ε₀ ——真空的介电常数，ε₀ =8.854×10-12 F/m；

ε_r ——极板间介质的相对介电常数，对于空气介质，ε_r ≈1。

从上式可知，当S、δ和ε三者中任一个量发生变化时，都会引起电容的变化。根据这一原理制成了电容式传感器，如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。根据其改变参数不同，可将电容式传感器分为下三种：

（1） 改变极板之距离(δ)的极距型传感器;

（2） 改变极板遮盖面积（s）的面积型传感器；

（3） 改变电介质之介电常数（ε）的介质型传感器

极距变化型一般用来测量微小的线位移或由于力、压力、振动等引起的极距变化如电容式压力传感器。面积变化型一般用于测量角位移或较大的线位移。介质变化型常用于物位测量和各种介质的温度、密度、湿度的测定。

2  电容传感器的特点

2.1温度稳定性好

传感器的电容值一般与电极材料无关，仅取决于电极的几何尺寸，且空气等介质损耗很小，只要从强度、温度系数等机械特性考虑，合理选择材料和几何尺寸，其他因素(因本身发热极小) 影响甚微。