用于流体压力测量的电容传感器
关键词：电容传感器；流体压力；输出电压；测量 电容传感器以其动作能量低、相对变化量大、温度影响小和动态响应快等优点，常用来检测机械位移、物体尺寸、压力、料位以及材料的物理参数等。随着科学技术的发展，各种新型结构的电容传感器不断被研制与开发出来，这使电容传感器的应用领域更加广泛。本文从电容传感器的结构出发，利用应变膜片制作电容传感器的电极，设计了一种新型的电容传感器。试验结果表明，该传感器具有精度高、线性度好、灵敏度大等优点，尤其适于微压力和大动态力的测量。??
1?基本原理??
电容应变式流体压力传感器的结构如图1所示，电极为圆形极板，半径为R，在被测流体压力P的作用下，敏感膜片产生弯曲变形，在距中心任意x处的挠度为：
其中：μ为敏感膜片材料的泊松比；E为敏感膜片材料的杨氏模量；h为敏感膜片的厚度。
显然，在x＝0处，挠度最大，即：
压力传感器的电气特性，可用2个电容C1和C2来等效，压力P作用于膜片产生变形，通过导杆带动可动极板产生位移，改变了C1和C2的值，即：
其中：d0为两极板的初始距离；Δd为动极板的位移；c0为电容的初始值；ε0为空气的介电常数；A为极板的有效面
把式(7)略去高次小量，得：
由式(9)可知：电容的变化量ΔC与压力P成线性关系。??
2?压力传感器??
电容压力传感器结构简单，灵敏度高、动态响应快，不足之处是存在非线性。为了尽可能地减小非线性误差，制作电容传感器时，采取了以下主要措施：??
(1)工艺方面，在玻璃上蒸镀一层金属膜片作为电容电极，目的是消除电容极板的变形，保证极板有很好的平面度。??
(2)敏感膜片采用白宝石，因为白宝石是绝缘体，应变与应力呈线性关系，稳定性好。??
(3)用敏感膜片中心位置的最大挠度作为可动极板的位移，减小理论性误差。??
(4)在结构方面，采用差动形式，既提高了灵敏度，又减小了非线性误差。??由式(9)可得，电容传感器的灵敏度系数为
3?检测电路??
为了能检测出电容的变化量ΔC，检测电路采用双T型交流电桥，如图2所示。
D1和D2是特性完全相同的两个二极管，R1＝R2＝R，C1和C2是传感器的两个差动电容。e是高频电源，他提供对称的方波信号，正半周时，D1导通，对C1充电；负半周时，D2导通，对C2充电，同时，通过R1和RL放电，在RL上形成放电电流i1；下个正半周时，C2通过R2和RL放电，在RL上形成放电电流i2。当传感器没有输入，即C1＝C2时，一个周期内，放电电流i1和i2的大小相等，方向相反，流过RL的平均电流为0；若传感器的输入不为0，即C1和C2 不相等时，在一个周期内，放电电流i1和i2的大小不相等，那么流过RL的平均电流不为0，其输出电压的平均值为
当RL一定时，输出电压UO与电容的变化量ΔC成线性关系。K2与电源的电压和频率有关，所以要求电源要稳定。??
4?实验结果与分析
45V、频率为1.5MHz，电容变化为±5pF情况下，不需放大环节，在1 MΩ负载上就可得到5V以上的输出，测压范围约为－10～60kPa。??
(3)实验曲线如图3所示，当P＝0时，流过RL的平均电流为0，输出UO＝0；当施加压力P时，流过RL的平均电流不为0，UO随P呈线性变化。
(4)传感器的分辨率小于1 Pa，已成功应用于位移的微变检测，也适用于其他微压力和大动态力的测量。
编辑：admin 最后修改时间：2017-12-13
