用于流體壓力測(cè)量的電容傳感器
關(guān)鍵詞：電容傳感器；流體壓力；輸出電壓；測(cè)量 電容傳感器以其動(dòng)作能量低、相對(duì)變化量大、溫度影響小和動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，常用來(lái)檢測(cè)機(jī)械位移、物體尺寸、壓力、料位以及材料的物理參數(shù)等。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種新型結(jié)構(gòu)的電容傳感器不斷被研制與開發(fā)出來(lái)，這使電容傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛。本文從電容傳感器的結(jié)構(gòu)出發(fā)，利用應(yīng)變膜片制作電容傳感器的電極，設(shè)計(jì)了一種新型的電容傳感器。試驗(yàn)結(jié)果表明，該傳感器具有精度高、線性度好、靈敏度大等優(yōu)點(diǎn)，尤其適于微壓力和大動(dòng)態(tài)力的測(cè)量。??
1?基本原理??
電容應(yīng)變式流體壓力傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，電極為圓形極板，半徑為R，在被測(cè)流體壓力P的作用下，敏感膜片產(chǎn)生彎曲變形，在距中心任意x處的撓度為：
其中：μ為敏感膜片材料的泊松比；E為敏感膜片材料的楊氏模量；h為敏感膜片的厚度。
顯然，在x＝0處，撓度最大，即：
壓力傳感器的電氣特性，可用2個(gè)電容C1和C2來(lái)等效，壓力P作用于膜片產(chǎn)生變形，通過(guò)導(dǎo)桿帶動(dòng)可動(dòng)極板產(chǎn)生位移，改變了C1和C2的值，即：
其中：d0為兩極板的初始距離；Δd為動(dòng)極板的位移；c0為電容的初始值；ε0為空氣的介電常數(shù)；A為極板的有效面
把式(7)略去高次小量，得：
由式(9)可知：電容的變化量ΔC與壓力P成線性關(guān)系。??
2?壓力傳感器??
電容壓力傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，不足之處是存在非線性。為了盡可能地減小非線性誤差，制作電容傳感器時(shí)，采取了以下主要措施：??
(1)工藝方面，在玻璃上蒸鍍一層金屬膜片作為電容電極，目的是消除電容極板的變形，保證極板有很好的平面度。??
(2)敏感膜片采用白寶石，因?yàn)榘讓毷墙^緣體，應(yīng)變與應(yīng)力呈線性關(guān)系，穩(wěn)定性好。??
(3)用敏感膜片中心位置的最大撓度作為可動(dòng)極板的位移，減小理論性誤差。??
(4)在結(jié)構(gòu)方面，采用差動(dòng)形式，既提高了靈敏度，又減小了非線性誤差。??由式(9)可得，電容傳感器的靈敏度系數(shù)為
3?檢測(cè)電路??
為了能檢測(cè)出電容的變化量ΔC，檢測(cè)電路采用雙T型交流電橋，如圖2所示。
D1和D2是特性完全相同的兩個(gè)二極管，R1＝R2＝R，C1和C2是傳感器的兩個(gè)差動(dòng)電容。e是高頻電源，他提供對(duì)稱的方波信號(hào)，正半周時(shí)，D1導(dǎo)通，對(duì)C1充電；負(fù)半周時(shí)，D2導(dǎo)通，對(duì)C2充電，同時(shí)，通過(guò)R1和RL放電，在RL上形成放電電流i1；下個(gè)正半周時(shí)，C2通過(guò)R2和RL放電，在RL上形成放電電流i2。當(dāng)傳感器沒(méi)有輸入，即C1＝C2時(shí)，一個(gè)周期內(nèi)，放電電流i1和i2的大小相等，方向相反，流過(guò)RL的平均電流為0；若傳感器的輸入不為0，即C1和C2 不相等時(shí)，在一個(gè)周期內(nèi)，放電電流i1和i2的大小不相等，那么流過(guò)RL的平均電流不為0，其輸出電壓的平均值為
當(dāng)RL一定時(shí)，輸出電壓UO與電容的變化量ΔC成線性關(guān)系。K2與電源的電壓和頻率有關(guān)，所以要求電源要穩(wěn)定。??
4?實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
45V、頻率為1.5MHz，電容變化為±5pF情況下，不需放大環(huán)節(jié)，在1 MΩ負(fù)載上就可得到5V以上的輸出，測(cè)壓范圍約為－10～60kPa。??
(3)實(shí)驗(yàn)曲線如圖3所示，當(dāng)P＝0時(shí)，流過(guò)RL的平均電流為0，輸出UO＝0；當(dāng)施加壓力P時(shí)，流過(guò)RL的平均電流不為0，UO隨P呈線性變化。
(4)傳感器的分辨率小于1 Pa，已成功應(yīng)用于位移的微變檢測(cè)，也適用于其他微壓力和大動(dòng)態(tài)力的測(cè)量。
編輯：admin 最后修改時(shí)間：2017-12-13
