浅析电容式场效应转速传感器创新设计.doc

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1、 长安大学继续教育学院毕业设计论文 浅析电容式场效应转速传感器创新设计李聪长安大学继续教育学院汽车运用与维修专业2009级摘要 本课题运用静电学理论通过大量示意图形递进式的对各个款式的传感器原理进行了详细的分析并建立了与其对应的特性方程组且相应的解出了其触发信号发生波形的函数式，然后简要的叙述了每个款的优点，最后对传感器在实际使用中影响其性能的主要影响因素进行了简要分析并提出了一些改进措施。 关键词 高斯通量定理 电势差公式 场荷分布示意图 Abstract this topic has carried on the detailed analysis using the electrosta

2、tics theory through the massive hint graph progressive-like to each designs sensor principle, has established with its corresponding characteristic equation set, and corresponding solved its trigger pip to have the profile function type, and the brief narration each funds merit, has existed finally

3、to the actual use in the major effect factor has carried on the summary analysis and proposed some corrective measure. Key word Gauss flux theorem potential difference formula Field Holland distributed schematic drawing Three dimensional three-dimensional schematic drawing目 录一.静电学基本理论和公式-7二.传感器工作原理第

4、一款电容式单管内导体触发场效应传感器设计-9 第二款电容式双管内二极管触发场效应传感器设计-14第三款电容式双管内导体二极管无隙触发场效应传感器设计-17第四款电容式外屏蔽腔触发场效应传感器设计-20第五款电容式外二极管触发场效应传感器设计-24第六款电容式外屏蔽腔二极管无隙触发场效应传感器设计-28第七款电容式无管感应电源触发场效应传感器设计-31第八款电容式无管感应电源导体无隙触发场效应传感器设计-34第九款电容式单管感应电源二极管触发场效应传感器设计-36第十款电容式单管感应电源二极管导体无隙触发场效应传感器设计-40第十一款电容式单管公共极板触发场效应传感器设计-43第十二款电容式单管

5、混合无隙触发场效应传感器设计-49三.电容式场效应传感器实际影响因素分析及其改进措施-53结束语-59致 谢-61参考文献-62文献综述-63一静电学基本理论和公式电场内任意一点的电场强度在数值上等于一个单位电量的电荷在该点受到的作用力，电场强度的方向与正电荷在该点受到的方向相同。即,其中为放在电场中某点的试探电荷，为在这一点受到的力。电场叠加原理：一组点电荷在某一点共同产生的电场，等于每个电荷在这一点产生的矢量和。即电势：静电场内某一点的电势等于一个单位的正电荷从无穷远处沿任一条路径移到该点的过程中静电力所做的功。电势差公式：在静电场中任意两点a和b的电势差，在数值上等于一个单位的正电荷从a

6、沿任意一条路径移到b的过程中，电场力所做的功，即。其中与分别为a点与b点的电势。电通量：在电场中任意任取一很小的面积元，由于很小，上各点的场强的方向成角，则电场对电通量为=高斯通量定理：电场对任意封闭曲面的电通量只取决于被包围在封闭曲面内部的电荷，且等于包围在封闭曲面内的电通量的代数和除于真空电容率，与封闭曲面外的电荷无关，用公式表示为：静电平衡理论：处在静电场中所有导体达到静电平衡时，内部场强处处为零，且内部点各的电势处处相等，导体外面附近的场强沿导体表面的分量即切向分量为零，也即此时电场线与导体表面垂直，导体表面也是一个与导体内部电势相等的等势面。静电场的唯一性定理：静电场中所有导体的形状

7、和排列位置和带电量都已确定时，那么各导体上的电荷分布是唯一确定的。孤立导体的电容：当电荷在导体体表面的分布时，必须保证满足导体的静电平衡条件。对于孤立导体，电荷在导体表面的相对分布情况，由导体的几何形状唯一确定，因而带一定电量的导体外部空间的电场分布以及导体的电势完全确定。根据静电场的叠加原理，当孤立导体的电量增加若干倍时，导体的电势也曾加若干倍，即孤立导体的电势与其电量成正比（为孤立导体的电容）。非孤立导体的电容：当带电导体周围存在其他导体或其它带电体时，该带电导体的电势不仅与自身所带的电荷有关，且与周围的导体以及带电体都有关。不论其它导体是否带电，由于静电感应这些导体上都会产生一定分布的电

8、荷，而且这些感应电荷的分布将因其他带电体的情况改变而改变，从而间接的改变所考察带电导体的电势，因此在一般情况下非孤立导体的带电荷与其电势并不成正比。理想想电容器：对于两个导体组成的导体组，当周围不存在其它导体或带电体时，而其中一个导体带电量为时，另一导体带电量为时，这两导体间的电势差与其带电量成正比，即电量与电势差的比值是一个衡量即：.平行板电容器：当两平行极板的面积，足够大，两极板间的距离足够小，即，如图1.11所示意。 图1.11 此时电容器内部即两极板间的电场强度由极板上的电荷分布决定，且当电容器两极板上带等量异种电荷差不多都均匀的分布在两极板的内侧，且从一个极板上发出的电场线几乎全部终

9、止在另一极板上，即除了其边缘处外电容器两极板间场强是均匀的。若极板的电量为,在忽略上述边缘效应后极板间的场强与两极板之间的电势差分别为和故平行板电容器的电容为。二.传感器工作原理第一款电容式单管内导体触发场效应传感器设计 电容器极板 触发导体 极板间信号电压 充电电源 设图1.12 图1.12所示意的是面积为S距离为D的两片电容器极板构成的平行板电容器，且其极板间放着一块上下表面与极板形状相同度为d的导体，并用电压为的充电电源通过一个二极管对电容器的两极板进行充电，达到静电平衡时的场荷分布。 设 图1.13 图1.13所示意的是当导体向右移出两极板间后达到静电平衡时的场荷分布，并设，由于触发导

10、体逐渐向右移出的过程中，电容器的有效电容量将减小，此时由可知极板间电压将升高，即大于向其充电的电源的电压，但由于二极管的单向导电性，将使电容器不会反向通过二极管向电压为的电源放电，所以其电压将保持其升高值不变，也就是说，当触发导体没有移动时即其移动量等于零时，电容器的电容量最大也即此时电容器两极板上的电荷量达到最大，此时可由平行板电容器公式和求得此电量值为：。 为了研究方便先将图1.13等效为和并联而成，如图1.44所示意。C2C1图 1.44 左右由平行板电容器公式可知 又由可得两极板间电压 图1.15信号的函数图像xUyy00.10.20.30.40.50.60.70.80.911.511

11、.0711.1541.251.3641.51.6671.8752.1432.53211.0531.1111.181.251.3331.4281.5381.6671.8182 表1.16信号的函数数据表 图1.17 实用立体示意图图1.17所示意的是传感器的实用立体示意图。其最大的特点是:结构紧凑、电容量大。优点：信号发生波形陡峭、强度高，触发部分结构简单，单一的二极管造成的反向漏电量对传感器的触发信号造成的失真度相对较小，。第二款电容式双管内二极管触发式场效应传感器设计 电容器极板 内触发感应极板 设： 图1.18图1.18所示意的是将图1.12中的导体改为用二极管T2将两片导体极板连接在一起

12、（组成电容器的内感应触发极板）达到静电平衡时的场荷分布。 设 图1.19图1.19所示意的是当内感应极板从外极板之间向右逐渐移出Sx时达到静电平衡时的场荷分布。当内感应极板逐渐向右移出电容器极板之间的过程中，由于二极管的单向导电作用，使得初始时在两感应极板上感应出的静电荷不能反向通过二极管相中合，从而使两感应极板间出现与外极板间场强方向相反的电场，即，有使电容器总的电容量增大的倾向；而外极板的左边部分则由于极板间的有效距离增大，从而有使电容器总的电容量减小的倾向。因此就其总体而言很难定性的分析出电容器总的有效电容量是增大还是减小。现设内感应极板在往复移动的过程中外极板上的电荷量最大值为：其中是

13、未知常数；此时由于二极管的单向导电作用，使得外极板上的电荷量保持此最大值不变。为了研究方便先将图1.19等效为是由与的并联如图2.11所示意。 C2C1 图 2.11左右设：内感应极板内表面的电荷密度大小为，而其外表面有电荷分布的区域电荷密度大小为。由静电平衡理论可知表面的电荷量等于内感应极板内表面的电荷量，其电荷密度大小为。由高斯通量公式、和电势差公式可得两极板间的电压为, 两端的电压为 ，又由于与两端电压相等且为，则有又由于内感应极板上的带电量为其内外表面带电量之和即 联立 将和代人上式求解得又由于电容器极板上的电压总不会小于向其充电的电源电压,也即的最小值为，从的函数式中很容易看出当时为

14、最小值，也即为 也就是说当内感应极板从外极板中移出的过程中，电容器的电容量是不断减小的。至此可得 xUyy00.10.20.30.40.50.60.70.80.911.511.0071.0271.061.1191.21.3161.5151.7442.1733211.0051.021.051.0871.1291.221.3211.471.682 图2.12信号的函数图像 表2.13信号的函数数据表优点：信号发生波形很陡峭、强度高、触发部分的结构比较简单。第三款电容式双管内导体二极管无隙触发场效应传感器设计 电容器极板 内触发感应极板 触发导体 绝缘隔离片 设 图2.1 4图2.14所示意的是分别

15、将1.12图与1.18图中的电容器极板间的触发导体和与内触发感应极板用绝缘隔离片连接在一起组成触发体,达到静电平衡时的场荷分布。 设 图2.15图2.15所示意的是当触发体向右移动时达到静电平衡时的场荷分布。当触发体逐渐向右移动的过程中，很难定性的分析出电容器电容量的变化趋势，因此设在往复移进移出电容器极板的过程中，电容器极板上所带电荷量的最大值为 。为了研究方便现将图2.15 等效为由电容器和的并连如图2.16所示意 C2C1图2.16 左右设:内触发感应极板内表面的电荷密度大小为，外表面有电荷分布的区域电荷密度的大小为。 由于电容器极板上的电荷量的大小必与于内触发感应极板上的电荷量大小相等

16、且为最大值即又由静电平衡理论可知极板表面的电荷量大小与内触发感应极板内表面的电荷量大小相等，由此可得极板的电荷密度大小等于。 由高斯公式和电势差公式可得极板间的电压为，极板间的电压为。又由于与并连，故其两极板的电压相等且为则有 联立 将和代人上式求解可得 又 为了求得，现对求导数并令其等于零分析极值即 由的函数式很容易看出，时所得的值不是最大值，因此一定为最小值且最小值必为电源电压即 至此由 可得 图2.17信号的函数图像xUyy00.10.20.30.410.60.70.80.911.22.251.5521.251.11.02311.0231.0971.251.5522.251.51.51.

17、271.1361.061.01311.0131.061.1361.271.521.251.1471.0771.031.00811.0081.031.0771.1471.25 表2.18信号的函数数据表优点：触发信号波形为凹形在进行数字信号处理时能提高波形的分频率。实现了触发体的无隙触发，从而改善了因边缘效应对传感器信号发生波形造成的非线性失真。 第四款电容式外屏蔽腔触发场效应传感器设计 图2.19 图2.19所示意的是两片面积为距离为的导电极板构成的电容器，并用电压为的电源通过二极管对其充电达到静电平衡时的场荷分布。由静电平衡理论容易知道正极板上方的区域为电势等于正极板的正等势区域，同样，下方

18、是电势等于负极板电势的负等势区域。电容器极板 外屏蔽腔触发极板 连接导线 设图3.11 图3.11所示意的是在图2.19中的正等势区域分别放了一片外屏蔽腔触发极板且极板间距离为，并用导线将其连接在一起组成一个外屏蔽触发腔，达到静电平衡时的场荷分布。由于两片外屏蔽触发极板分别放在两电容器极板的外侧正方向上的正负等势区域与中，也即两片外屏蔽腔触发极板上的电势将分别等于其所处的等势区域的电势；此时在静电场力的作用下电势高的外屏蔽触发极板上的正电荷必然会通过连接导线流向电势低的外屏蔽腔触发极板上，直到极板上的电势相等时方达静电平衡。设:电容器极板内表面的电荷密度的大小为，外表面有电荷分布的区域电荷密度

19、大小为。由于两外屏蔽腔触发极板间的电压始终为零既有；又由于此刻电容器极板间的电压为，可知其极板内表面的电荷密度大小为并将其代人后又可得此刻其外表面的电荷密度大小为，则整个电容器极板上的总电荷量为。 设 图3.12图3.12 示意的是当外屏蔽触发腔逐渐向右移动达到静电平衡时的场荷分布。由于两外屏蔽腔触发极板间的场强方向与电容器极板间的场强方向相反，即有增大电容器的有效电容量的效应，因此随着外屏蔽腔触发极板向右移动的过程中电容器的有效电容量随之减小，也就是说当外屏蔽腔触发极板与电容器极板重合时即，外屏蔽触发腔的移动量等于零时电容器的电容量达到最大，此时其极板上的带电量也达到最大即 ；又由于二极管的

20、单向导电作用故其电荷量将始终保持此最大值不变，所以当外屏蔽触发腔逐渐向右移动时电容器极板上的总电荷量的关系表达式为。联立 将和代人上式求解可得又 xUyy00.10.20.30.40.50.60.70.80.911.511.0711.1541.251.3641.51.6671.8752.1432.53211.0531.1111.181.251.3331.4281.5381.6671.8182 图3.13信号的函数数据表 图3.14信号的函数图像 图3.15 立体示意图图3.15所示意的产品立体示意图。优点是电容量大。优点：触发信号发生波形陡峭、强度高、触发部分结构简单、单一的二极管产生的反向漏

21、电对传感器的触发信号发生波形造成失真度相对较小、并且其外屏蔽触发腔具有一定的屏蔽作用（抗电磁干扰）等。第五款电容式外二极管触发场效应传感器设计电容器极板外感应触发极板 设 图3.16图3.16所示意的是将图2.19中的连接导线上串联了一只二极管后达到静电平衡时的场荷分布情况。 设图3.17图3.17所示意的是当外感应触发极板逐渐向右移动时的场荷分布。此时由于二极管的单向导电作用，使得两外感应触发极板上感应出的静电荷不能反向通过二极管相中合，于是就在两外感应触发极板间产生了方向与电容器两极板间场强方向相反的电场。设电容器极板内表面的电荷密度大小为，外表面有电荷分布的区域电荷密度大小为。并令外感应

22、触发极板相对于电容器极板往复移进移出的过程中电容器极板上电荷量的最大值为 为了研究方便现将图3.17图等效为电容器和的并连如图3.18所示意。C1C2C1图3.18左右由高斯通量公式和电势差公式可得的外感应触发极板间的电压为 ，部分的外感应触发极板间的电荷密度为 ，故其电压为 又由于电容器与的两感应极板间的电压相等既有 联立 将和代入上式求解可得又由于 由于的最小值为，从其函数中可以看出当时存在最小值即至此可得 xUyy00.10.20.30.40.50.60.70.80.911.511.0071.0271.061.1191.21.3161.5151.7442.1733211.0051.021

23、.051.0871.1291.221.3211.471.682 表3.19信号的函数数据表 图4.11信号的函数图像优点：触发信号发生波形陡峭强度高、触发部分结构简单 。第六款电容式外屏蔽腔二极管无隙触发场效应传感器设计 电容器极板 右感应触发极板 左感应触发极板 绝缘隔离片 连接导线 图4.12 设:图4.12所示意的是将图3.16中的外感应触发极板与图2.19中的外屏蔽触发腔用本图中的绝缘隔离片连成一个触发腔体后达到的静电平衡时的场荷分布。设 图4.13 图4.13所示意的是当出触发腔体逐渐向右移动时达到静电平衡时的场荷分布。 设电容器极板内表面的电荷密度大小为，其外表面与右感应触发极板正

24、对的部分电荷密度大小为而与左感应触发极板正对的部分电荷密度大小为 。并令触发腔体相对电容器极板往复移进移出的过程中，电容器极板上的电荷量最大值为 ，由于二极管的单向导电作用此最大值将在电容器极板上始终保持不变，也即电容器极板上的电荷量表达式为 。 又由于左感应触发极板间的电压始终为零，则由高斯通量公式与电势差公式可得其关系式 。又由于右感应触发极板移出的部分上的电荷密度为因此对于整个右感应触发极板上可得其电压的关系式为联立 现将和代入上式求解可得又由于 为求得，现对求导数，并令其为零求其极值即 得 因为当时的函数值小于 时的函数值，也就是说此时一定不存在最大值，因此只能是最小值，并且其最小值等

25、于通过二极管向其充电的电源电压即至此由 xUyy00.10.20.30.410.60.70.80.911.22.251.5521.251.11.02311.0231.0971.251.5522.251.51.51.271.1361.061.01311.0131.061.1361.271.521.251.1471.0771.031.00811.0081.031.0771.1471.25 表4.14信号的函数数据表 图4.15信号的函数图像优点：触发信号波形为凹形在进行数字信号处理时能提高波形的分频率、由于实现了触发体的无隙触发，从而改善了因边缘效应对传感器信号发生波形造成的非线性失真、触发腔体本

26、身具有一定的屏蔽功能。第七款电容式无管感应电源触发场效应传感器设计 图4.16 图4.16所示意的是两片正对面积为，距离为的两平行板构成的电容器，并用放在其极板间电压为的电源对其充电后达到静电平衡时的场荷分布。 信号感应极板 触发电容器极板 信号引线 设 图4.17 图4.17所示意的是分别从放在触发电容器极板外侧正负等势区域中的信号感应极板上各引出一根信号线且达到静电平衡时的场荷分布。 设 图4.18 图4.18所示意的是当触发电容器极板向右移动时达到静电平衡时的场荷分布。为了研究方便现将图4.18等效为电容器和的并连如图4.19所示意。C2左右图4.19C1C1C1C1C1设：触发电容器极

27、板外表面有电荷分布的区域的电荷密度大小为。又由静电平衡理论可知和的两信号感应极板上的电荷量大小相等并且其电压也相等且为，既有现将和代入上式求解可得又由于 图5.11信号的函数图像xUyy00.10.20.30.40.50.60.70.80.91 1.510.9640.9230.8750.8180.750.6660.5550.430.250 210.94740.88880.8230.750.6660.5710.4610.3330.1810表5.12信号的函数数据表优点：触发信号发生波形基位为零、因为没无二极管，所以触发信号发生波形的失真度相对很小。第八款电容式无管感应电源导体无隙触发场效应传感器

28、设计信号感应极板 触发电容器极板 触发导体 信号引线 绝缘隔离片 设图5.13 图5.13所示意的是将图4.17中的触发电容器极板用绝缘隔离片和触发导体连接在一起组成触发体，达到静电平衡时的场荷分布。设 图5.14图5.14所示意的是当触发体向右移动时达到静电平衡的场荷分布。为了研究方便现将图5.14等效为电容器和的并连如图5.15所示意。C1C2 左右图5.15设：触发电容器极板外表面有电荷分布区域的电荷密度的大小为。则的信号感应极板上的电荷密度为。又由于电容器和上的电压相等为，既有=现将和代入上式求解可得又由于 图5.16信号的函数图像 xUyy 00.10.20.30.40.50.60.

29、70.80.91x110.90.80.70.60.50.40.30.20.10 图5.17信号的函数数据表 优点：触发信号发生波形基位为零且与触发体的厚度无关因此其结构可以做的很紧凑、由于没有使用二极管，所以触发信号发生波形的失真度相对很小、由于实现了触发体的无隙触发，从而消除了因边缘效应对传感器信号发生波形造成的非线性失真。第九款电容式单管感应电源二极管触发场效应传感器设计 信号感应极板 触发电容器极板 信号引线 设 图5.18图5.18所示意的是将图4.17的触发电容器极板间的充电电源电压为的电源改成了电源与二极管的串连后达到静电平衡时的场荷分布。设图5.19 图5.19所示意的是当触发电容器极板逐渐向右移动时达到静电平衡时的场荷分布。 将图5.19等效为两个电容器和的串连如图6.11所示意。C2C1图6.11左右设：触发电容器极板内表面的电荷密度大小为，而外表面有电荷分布的区域电荷密度大小为。令触发体在往复移进移出的过程中触发电容器极板上的带电量的最大值为，也即等于其内外表面的电量和为，由静电平衡理论可知电容器表面的电荷密度为。又由于电容器和信号感应极板间的电压相等为，即由静电场的高斯通量公式和电势差公式可得 联立 现将和代入上式求解可得设触发电容器极板间的电压为则由于的最小值为现对其求导数并令之等于零求极值即求解得和，因为和，所以才是所求的值。现将其代人上述的函