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用于流体压力测量的电容传感器

  叙述了电容应变式流体压力传感器的基本原理,给出了一种电容应变式流体压力传感器的检测电路,并分析 了流体压力大小与传感器输出电压的关系。实验结果表明,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。
 
  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。