电容式压力传感器的检测电路及仿真.docx

电容式压力传感器的检测电路及仿真.docx

《电容式压力传感器的检测电路及仿真.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电容式压力传感器的检测电路及仿真.docx（16页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

电容式压力传感器的检测电路及仿真

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

摘要....................................................................................................I

1绪论.......................................................................................................3

2压力传感器的结构...............................................................................3

3压力传感器的工作原理.......................................................................3

4电容式压力传感器...............................................................................5

4.1电容式传感器的原理及其分类.....................................................................5

4.1.1电容式传感器的原理...........................................................................5

4.1.2电容式传感器的分类...........................................................................6

4.2电容式压力传感器的工作原理.....................................................................7

4.3电容式压力传感器的特性.............................................................................7

4.4电容式压力传感器的等效电路.....................................................................8

5电容式压力传感器的检测电路..........................................................9

5.1检测电路.........................................................................................................9

5.2结果分析.......................................................................................................11

5.3影响电容传感器精度的因素及提高精度的措施.......................................12

5.3.1边缘效应的影响.................................................................................12

5.3.2寄生电容的影响.................................................................................12

5.3.3温度影响.............................................................................................12

6电容式压力传感器的应用.................................................................13

7电容式压力传感器的发展.................................................................13

8结论.....................................................................................................14

致谢.................................................................................................16

参考文献.................................................................................................17

II

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:

μ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dr，周长为2πr的窄圆环，其电容为

+W（r），则

4

（1）式中C0为初始值，即C0=επr2/d。

当压力减少时，膜片向下变形，间隙为d

（2）

本科论文

若Wmax/d≤1，省略高阶小量，则

（1），

（2）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=εSd（5）

式中:

ε——电容极板间介质的介电常数，ε=ε0εr，其中ε0为真空介电常数，εr极板间介质的相对介电常数；

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ε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。

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）、（f）、（g）和（h）为变面积型，图（a）和（e）为变极距型，而图（i）～（l）则为变介电常数型。

图2电容式传感元件的各种结构形式（a）（b）（c）（d）（e）（f）

那么什么是电容式压力传感器呢？

电容式压力传感器（capacitivetype（g）（h）（i）（j）（k）（l）pressuretransducer）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（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，在此忽略。

CS由（3）式得

若dmWmax，则由（4）式得

（6）

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：

∆dC=C0+C0d0（7）∆C1=C01-∆d

当|Δd/d0|<<1时，上式可按级数展开，可得d0

23⎡⎤∆C∆d∆d⎛∆d⎫⎛∆d⎫⎪⎪⎢1+=+++⎥⎪⎪C0d0⎢d0⎝d0⎭⎝d0⎭⎥⎣⎦（8）（9）

由式（9）可见，输出电容的相对变化