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1、本科论文电容式压力传感器的检测电路及仿真摘要本文详细的描述了电容式压力传感器的结构，工作原理，特性，发展现状和趋势 等。并且在此基础上提出了电容式压力传感器的检测电路及其仿真方法，详细的 分析了压力大小与电路输出电压之间的关系。关键词：传感器，工作原理，特性，检测电路，发展I本科论文目录摘要I1绪论32压力传感器的结构33压力传感器的工作原理34电容式压力传感器54.1电容式传感器的原理及其分类54.1.1电容式传感器的原理54.1.2电容式传感器的分类64.2电容式压力传感器的工作原理74.3电容式压力传感器的特性74.4电容式压力传感器的等效电路85电容式压力传感器的检测电路95.1检测电
2、路95.2结果分析115.3影响电容传感器精度的因素及提高精度的措施125.3.1边缘效应的影响125.3.2寄生电容的影响125.3.3温度影响126电容式压力传感器的应用137电容式压力传感器的发展138结论14致谢16参考文献17II本科论文1绪论科学技术的不断发展极大地丰富了压力测量产品的种类，现在，压力传感器的敏 感原理不仅有电容式、压阻式、金属应变式、霍尔式、振筒式等等但仍以电容 式、压阻式和金属应变式传感器最为多见。金属应变式压力传感器是一种历史较 长的压力传感器，但由于它存在迟滞、蠕变及温度性能差等缺点，其应用场合受 到了很大的限制。压阻式传感器是利用半导体压阻效应制造的一种新
3、型的传感 器，它具有制造方便，成本低廉等特点，因此在非电物理量的测试、控制中得到 了广泛的应用。尤其是在航天、航空、常规武器、船舶、交通运输、冶金、机械 制造、化工、轻工、生物医学工程、自动测量与计量、称量等技术领域。电容式 压力传感器是应用最广泛的一种压力传感器。2压力传感器的结构压力传感器的结构如图1所示。固定电极的半径为r0，厚度为h的膜片组成可 动电极，固定电极与可动电极间距离为d，用绝缘体将可动电极固定。图1压力传感器结构图 3压力传感器的工作原理 在流体压力p的作用下，膜片弯曲变形，则在r处的挠度为 式中卫为弹性元件材料的泊松比，E为杨氏模量。在r = 0处，挠度最大，为本科论文由
4、于膜片弯曲，改变了可动电极与固定电极之间的距离，任意r处，当压力增加 时，两极板之间的距离为d - W ( r)，故在r处取宽度为d r，周长为2nr的窄圆 环，其电容为+W ( r)，贝4 (1)式中CO为初始值，即CO =snr2/ d。当压力减少时，膜片向下变形，间隙 为 d (2): 1_L2W tnsx廉maxarc ta ii,AX2*zrJ-+l曰J本科论文若Wmax/ d 1，省略高阶小量，则，式可化为 可见，电容相对变化量与被测压力p成正比。4电容式压力传感器4.1电容式传感器的原理及其分类4.1.1电容式传感器的原理科学技术的不断发展极大地丰富了压力测量产品的种类，现在，压
5、力传感器的敏 感原理不仅有电容式、压阻式、金属应变式、霍尔式、振筒式等等但仍以电容 式、压阻式和金属应变式传感器最为多见。金属应变式压力传感器是一种历史较长的压力传感器，但由于它存在迟滞、蠕变 及温度性能差等缺点，其应用场合受到了很大的限制。压阻式传感器是利用半导体压阻效应制造的一种新型的传感器，它具有制造方 便，成本低廉等特点。电容式传感器是将被测量的变化转换成电容量变化的一种装置，实质上就是一个 具有可变参数的电容器。由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器， 如果不考虑边缘效应，其电容量为C=sSd (5)式中：电容极板间介质的介电常数，=0sr，其中0为真空介电常数，sr极板间介
6、质的相对介电常数；S两平行板所覆盖的面积；d两平行板之间的距离。当被测参数变化使得式(5)中的S、d或发生变化时，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。C = Q 1 士扌 I= +丄，互皿(=+门-巴托 Co - 3 d - 15 Eh3 d P本科论文4.1.2电容式传感器的分类电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介电常数型三种。图2所示为常用 电容器的结构形式。图(b)、(c)、(d)、(g)和(h)为变面积型，图(a)和(e)为变 极距型，而图 (1)则为变介电常数型。那么什么是
7、电容式压力传感器呢？电容式压力传感器(capacitive type (g)(h)(i)( j )( k)( l )pressure transducer )利用电容敏感元件将被测压力转换成与之 成一定关系的电量输出的压力传感器。它一般采用圆形金属薄膜或镀金属薄膜作 为电容器的一个电极，当薄膜感受压力而变形时，薄膜与固定电极之间形成的电 容量发生变化，通过测量电路即可输出与电压成一定关系的电信号。电容式压力 传感器属于极距变化型电容式传感器，可分为单电容式压力传感器和差动电容式 压力传感器。1单电容式压力传感器它由圆形薄膜与固定电极构成。薄膜在压力的作用下变形，从而改变电容器的容 量，其灵敏度
8、大致与薄膜的面积和压力成正比而与薄膜的张力和薄膜到固定电极 的距离成反比。另一种型式的固定电极取凹形球面状，膜片为周边固定的张紧平 面，膜片可用塑料镀金属层的方法制成(图1)。这种型式适于测量低压，并有 较高过载能力。还可以采用带活塞动极膜片制成测量高压的单电容式压力传感 器。这种型式可减小膜片的直接受压面积，以便采用较薄的膜片提高灵敏度。它 还与各种补偿和保护部以及放大电路整体封装在一起，以便提高抗干扰能力。这 种传感器适于测量动态高压和对飞行器进行遥测。单电容式压力传感器还有传声 器式(即话筒式)和听诊器式等型式。2差动电容式压力传感器 它的受压膜片电极位于两个固定电极之间，构成两个电容器
9、(图2)。在压力本科论文的作用下一个电容器的容量增大而另一个则相应减小，测量结果由差动式电路输 出。它的固定电极是在凹曲的玻璃表面上镀金属层而制成。过载时膜片受到凹面 的保护而不致破裂。差动电容式压力传感器比单电容式的灵敏度高、线性度好， 但加工较困难(特别是难以保证对称性)，而且不能实现对被测气体或液体的隔 离，因此不宜于工作在有腐蚀性或杂质的流体中。4.2电容式压力传感器的工作原理膜片上有两个电极，工作电极为圆形，参考电极为环形，工作电极与公共电极组 成敏感电容CS，参考电极与公共电极组成参考电容CR。被测压力通过导管均 匀作用在膜片上，引起膜片变形，从而引起敏感电容CS变化。CR变化很小
10、， 在此忽略。CS由式得 若d m Wmax，则由式得4.3电容式压力传感器的特性由可知电容的相对变化量为：AdC=CO+COdO (7) ACl=C01-AdI U当|Ad/dO|l日时，上式可按级数展开，可得d023门 ACAdAdII 1+=+ + + I I I COdoI由式(9)可见，输出电容的相对变化量AC/C0与输入位移Adto之间成非线性关系，本科论文当|Ad/dO|l时可略去高次项，得到近似的线性关系，如下式所示： 电容传感器的灵敏度为：ACAd=C0d0AC/C01K=Add0(10)(11)它说明了单位输入位移所引起的输出电容相对变化的大小与d0呈反比关系。女口 果考虑
11、式(9)中的线f性项与二次项，贝9ACAdl Adi I =1+ C0d0d0丿(12)由此可得出传感器的相对非线性误差8 为：(Ad/dO)2Ad8=x 100%= x 100%|Ad/d0|d0 (13)由式(11)与式(12)可以看出：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。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。4.4电容式压力传感器的等效电路电容式传感器的等效电路可以用图3电路表示。图中考虑了电容器的损耗和电感 效应，Rp为并联损耗电阻，它代表极板间的泄漏电阻和介质损耗。这些损耗在低 频时影响较大，随着工作频率增咼，容抗减小
12、，其影响就减弱。Rs代表串联损 耗，即代表引线电阻、电容器支架和极板电阻的损耗。电感L由电容器本身的电 感和外部引线电感组成。8 RsLp本科论文图3电容式传感器的等效电路由等效电路可知，它有一个谐振频率，通常为几十兆赫。当工作频率等于或接近 谐振频率时，谐振频率破坏了电容的正常作用。因此，工作频率应该选择低于谐 振频率，否则电容传感器不能正常工作。传感元件的有效电容Ce可由下式求得（为了计算方便，忽略Rs和Rp）:111 1 I Ce=l 21-LC II AS2LCACAC ACe=+=22222 丨 1-LC（1-LC）（1-LC）在这种情况下，电容的实际相对变化量为： ll=jL+jC
13、ejC （14） ACeAC/C=Ce1-2LC（15）式（15）表明电容式传感器的实际相对变化量与传感器的固有电感L的角频率w有 关。因此，在实际应用时必须与标定的条件相同。5电容式压力传感器的检测电路5.1检测电路传感器的测量电路如图4所示。1）电桥的工作电压UL（16）由电路可知，反相比例放大器的输入电压为Ue,故其输出电压Uo为本科论文故加到电桥上的工作电压UL为：图4检测电路（17）2）电桥单臂工作时的输出电压Ua平衡时，由于CR CS = C1 C2，故Ua3) 电路输出电压与被测压力的关系将(6)式代入(19)式得：(19)由(20)式可知，被测压力与输出电压成正比，通过测输出电
14、压Ua,可求被测压 力p的大小。(20)5.2结果分析此传感器在W ( r)編d情况下，忽略高阶小量，线性较好，线性度小于0。5 %(为保证其线性度，在实验检测中一般应限制相对位移满足0。1 W ( r) / d 0。2)。在压力p发生变化时，所引起的传感器电容相对变化值由式可知，仅为 位移传感器相对变化量的1/ 3。测量范围大约为-440kPa。实验数据曲线如图3 所示。当p = 0时，电容桥式电路平衡，CR0 CS0 = C1 C2。当加上压力p 后，CS发生变化，电路平衡被破坏，Ua与p呈线性关系。本科论文图5实验结果曲线5.3影响电容传感器精度的因素及提高精度的措施5.3.1边缘效应的
15、影响边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低，而且产生非线性。为了消除边缘效应 的影响，可以采用带有保护环的结构。保护环与定极板同心、电气上绝缘且间隙 越小越好，同时始终保持等电位，以保证中间各种区得到均匀的场强分布，从而 克服边缘效应影响。为减小极板厚度，往往不用整块金属板做极板，而用石英或 陶瓷等非金属材料，蒸涂一层金属膜作为极板。5.3.2寄生电容的影响电容式传感器测量系统寄生参数的影响，主要是指传感器电容极板并联的寄生电 容的影响。由于电容传感器电容量很小，寄生电容就要相对大得多，往往使传感 器不能正常使用。消除和减小寄生电容影响的方法可归纳为以下几种：1 缩小传感器至测量线路前置极的距离将集成电流的发展、超小型电容器应用于测量电路。可使得部分部件与传感器做 成一体，这既减小了寄生电容值，又使寄生电容值也固定不变了。2驱动电缆法这实际上是一种等电位屏蔽法。其原理电路图如图
