完整版電容式傳感器課程設(shè)計(jì)方案

1、引言硅壓力傳感器具有精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)中廣泛應(yīng)用。但是,由于硅材料本身的限制，使其無法用于高溫和腐蝕等特殊環(huán)境中。而陶瓷電 容式壓力傳感器采用特殊陶瓷材料制作，具有抗腐蝕、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ) 了硅壓力傳感器的上述缺點(diǎn)，可用于高溫、腐蝕等特殊環(huán)境下?，F(xiàn)今，國內(nèi) 有大量的需求，但是還沒有國內(nèi)廠家能夠生產(chǎn)。因此，開發(fā)出一種實(shí)用的陶 瓷壓力傳感器具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。陶瓷壓力傳感器通常采用多電容結(jié)構(gòu)，在陶瓷膜片上同時燒結(jié)兩個電容, 一個作為參考電容， 以消除溫度對傳感器輸出的影響；另一個為測量電容, 其變化量與傳感器所受壓力的變化量近似成正比，通過檢測變化量就能得到 傳感器所受的壓力。1

2、電容式傳感器設(shè)計(jì)的目的與任務(wù)1.1電容式傳感器設(shè)計(jì)的目的 鞏固所學(xué)知識，加強(qiáng)對傳感器原理的進(jìn)一步理解；理論與實(shí)際相結(jié)合，“學(xué)以致用”； 綜合運(yùn)用知識，培養(yǎng)獨(dú)立設(shè)計(jì)能力； 著重掌握典型傳感器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，方法與一般過程； 培養(yǎng)學(xué)生精密機(jī)械與測控電路的設(shè)計(jì)能力。1.2電容式傳感器設(shè)計(jì)的要求 設(shè)計(jì)時必須從實(shí)際出發(fā)，綜合考慮實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性、安全性、先進(jìn)性及操作維修方便。如果可以用比較簡單的方法實(shí)現(xiàn)要求，就不必過分強(qiáng)調(diào)先 進(jìn)性。并非是越先進(jìn)越好。同樣，在安全性、方便性要求較高的地方，應(yīng)不 惜多用一些元件或采用性能比較好的元件，不能單純考慮簡單、經(jīng)濟(jì)；獨(dú)立完成作業(yè)。設(shè)計(jì)時可以收集、參考傳感器同類資料，但必須

3、深入 理解，消化后再借鑒。不能簡單地抄襲；在課程設(shè)計(jì)中，要隨時復(fù)習(xí)傳感器的工作原理。積極思考。不能直接向老師索要答案和圖紙。設(shè)計(jì)傳感器測頭機(jī)械機(jī)構(gòu)方案，繪制總裝圖（CAD為工具），編寫傳感 器設(shè)計(jì)說明書。2傳感器設(shè)計(jì)方案的選擇設(shè)計(jì)一臺電容式傳感器設(shè)計(jì)要求如下：量程范圍：025Mpa工作電壓5V相應(yīng)時間1ms 穩(wěn)定性0.2%溫度范圍-40125C抗絕緣性2KV相對誤差1%張力 S=100 x 106N/m一種測量介質(zhì)介電常數(shù)變化的電容式傳感器結(jié)構(gòu)如圖。設(shè)電容器極板面積為S,間隙為a,當(dāng)有一厚度為d,相對介電常數(shù)為r的固體介質(zhì)通過極板間隙，相當(dāng)于電容串聯(lián)，因此電容器的電容值為:SrSS + d a

4、d zr(2-1)(1) 若改變固體介質(zhì)的相對介電常數(shù)，則有電容量的相對變化為:-n21A z1N3DZ）2 -（Ns）3其中二1(a-d)/d為靈敏度因子，隨間隙比d/(a-d)增大而增大。N廠譏7頁)為非線性因子隨間隙比d/(a-d)增大而減小。若傳感器保持r不變，改變介質(zhì)厚度，則可用于測量介質(zhì)厚度變化,此時N41也d1- N4（） d其中，N4T 3嘰r _1d、21r(a_d)/d為靈敏度因子和非線性因子。若被測介質(zhì)充滿兩極板間，則d=a,此時初始電容為Cor ；oSd若 ： r，則 C，c9 二 Cr，即rr 0r 00,dd與r成線性關(guān)系。測量液體介質(zhì)介電常數(shù)的變化即屬此情況，如測

5、原油 含水率。3傳感器機(jī)械設(shè)計(jì)各部分參數(shù)的確定3.1平行板電容器介質(zhì)厚度（極板間距離）的確定它是由電場來決定的，即式中(3-1)8極板間距離（mm）Ew工作電場強(qiáng)度（Kv/mm ）Uw 工作電壓（V）對于直流，脈沖或功率不大的交流電容式傳感器，應(yīng)該首先根據(jù)介質(zhì)的瞬時耐壓強(qiáng)度Eb，確定工作電場Ew，這是現(xiàn)根據(jù)下式確定電容的測試電場強(qiáng)度Et，即式中EbcpEbcp3KVEtbcp0.75KVk14介質(zhì)的平均瞬時耐壓強(qiáng)度(3-2)ki測試電場強(qiáng)度時的安全系數(shù)對于介質(zhì)厚和極板面積小的電容器選取 k1 2,當(dāng)介質(zhì)和面積較大時，選取人=4,再根據(jù)下式確定Ew：旦二 0.75KV = 0.38KV/mmw

6、k22(3-3)式中k2測試場強(qiáng)安全系數(shù)，一般選k2 = 1.53將上述兩式代入;-得:丄二騷= 1 = 0.013mmEwEtEbcp3.2電容式傳感器極板面積的確定由Ci可得:2.94 10m2式中Ci初始電容為20 10_12F常數(shù) 8.85 10_12F /mDA = 0.006 m3.3電容式傳感器極板半徑的確定pl由公式訂京0.1%得:8S 1 %二 0.002m式中s張力 S= 100 106N/mP量程范圍P=25Mpa求得實(shí)際D2 = 2a = 0.004m2-5 2y26 10 m(3-4)(3-5)(3-6)(3-7)(3-8)(3-9)(3-10)C2 二二 9pF3.

7、4電極金屬材料選擇的原則(1) 電阻率小(2) 材料對介質(zhì)的化學(xué)作用和化學(xué)老化和催化作用小價格低(4) 力學(xué)性能好，壓延性好，柔韌，機(jī)械強(qiáng)度高(5) 導(dǎo)熱系數(shù)和熱容量大(6) 密度小(7 )容易焊接(8)熔點(diǎn)和沸點(diǎn)適當(dāng)常用金屬材料有銀，銅，金，鋁，青銅，鉛等。4電容式傳感器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)電容式傳感器的結(jié)構(gòu)很簡單，通常是由動極板和固定極板組成兩極式或 三級式，極板可以由玻璃。石英或者陶瓷上面鍍以金屬構(gòu)成結(jié)構(gòu)可以做的很 緊湊小巧，能接受很多的溫度變化及輻射等惡劣條件同時也可以在很多液體 中使用。4.1電容式傳感器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則（1）在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和確定幾何尺寸時，應(yīng)盡力提高傳感器的電容量，因?yàn)檫@樣可以降低

8、它的靈敏度。為了提高它的電容量，極板間的距離根據(jù)工藝和 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)條件盡可能的減小，某些傳感器的間隙可小至10um-20um,在極其小的間隙下，很小的極距變化就足以引起極為顯著的電容變化。（2）因?yàn)闃O距很小，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時必須嚴(yán)防能夠引起氣隙銹蝕的潮氣， 塵土和蒸汽流入。為防止極板間擊穿可加入絕緣介質(zhì)，絕緣介質(zhì)應(yīng)選用介電 常數(shù)大的材料，以利于提高電容量值，因而提高了靈敏度。（3）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要問題之一是電極板的絕緣和固定，陶瓷絕緣材料具 有很好的絕緣性能，它的表面電阻很大程度上和污染和濕度有關(guān)，所以在選 擇極板的固定方法時，需要預(yù)先考慮到怎樣使表面絕緣電阻對全部漏電阻有 最小影響，一般絕緣材料選用

9、聚四氟乙烯。（4）為了使極板間距離不隨溫度變化，必須選用具有相應(yīng)線膨脹系數(shù)的材料，以減小傳感器的零點(diǎn)偏移(5) 在確定電容的情況下，傳感器的輸出阻抗隨電源頻率的層高而降低， 所以極板電源電壓的選擇應(yīng)不低于500v-1000v。而絕大多數(shù)測量電路的工作頻率為 105HZ 一 107HZ(6) 傳感器的容許的工作電壓取決于極板的擊穿電壓，在額定電壓下和極板間距為時，空氣隙的擊穿電壓為 2Kv/mm3Kv/mm,對于大 多數(shù)電解質(zhì)，在額定溫度下，純粹電氣擊穿電壓為100Kv/mm 500Kv/mm,結(jié)構(gòu)中有電介質(zhì)的傳感器，容許工作電壓和傳感器的幾何參數(shù)，熱參數(shù)和電 氣參數(shù)均有關(guān)，容許工作電壓隨頻率的

10、增高而降低，其值反比于。(7) 結(jié)構(gòu)確定后，電容傳感器的初始電容一般為20uF-100uF。4.2電容式傳感器的典型結(jié)構(gòu)電容式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)(1)單電容式壓力傳感器圖三所示為一種單電容式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)形式。傳感器內(nèi)部安裝的振蕩線圈和傳感器電容構(gòu)成LC回路，采用調(diào)頻測量電路，當(dāng)被壓力作用在膜片上時，這種壓力變化通過電容的變化而轉(zhuǎn)為頻率的變化輸出。:引翥圖3 一種單電容式傳感器圖4測量低電壓的單電容式傳感器該傳感器采用一種周邊固支張緊式膜片，膜片可做的很薄，因此其靈敏 度很高，膜片可采用塑料鍍金層的方法制成，由于采用球面形狀做固定電極, 當(dāng)傳感器過載時，膜片的變形形態(tài)恰好使得膜片緊貼球面，因而

11、能適應(yīng)很高 的過載而不被破壞。(2)單電容高壓式傳感器圖5所示為一種單電容高壓式傳感器圏5 21種單屯脅式髙壓力傳感器1 一半體；2壓緊摞嘉；3導(dǎo)向環(huán)* 4動極片；5鈦噸領(lǐng)片飛6定擁片：了一絶緣套；呂一保護(hù)環(huán)；9外絕緣鑾；10調(diào)誓螺冊：11 絕緣賓：12紫銅墊圏；13丸角縹曄；14-&大電略；審一懊件質(zhì)祐塊；I連接休；乃一壓第血【8引出線。圖5它可測4 x io8Pa的高壓，傳感器的動極板4采用帶活塞的重建式膜片 采用高活塞式為了減小膜片的直接受壓面積，從而可使膜片厚度減薄，以提 高靈敏度。利用重建式膜片結(jié)構(gòu)可以使硬中心部分基本達(dá)到平移工作狀態(tài)， 以改變傳感器的線性。固定極板表面用環(huán)氧樹脂黏貼

12、鈦酸鋇片，固定極板背 面根據(jù)等效動能原理黏貼加速度補(bǔ)償慣性質(zhì)量塊。傳感器電極附有邊緣效應(yīng) 保護(hù)環(huán)，保護(hù)環(huán)與固定電極等電位，絕緣采用聚四氟乙烯。測量電路采用運(yùn) 算放大器是電路與傳感器整體封裝。該傳感器具有可測高壓，固有頻率高，靈敏度高的特點(diǎn)。同時采用了加速度及溫度補(bǔ)償措施，故可用于動態(tài)高壓力 及具有高加速度的飛行體高壓力的遙測。4.3電容式傳感器結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)溫度對結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的影響及補(bǔ)償措施因?yàn)殡娙菔絺鞲衅鞯慕Y(jié)構(gòu)主要由兩個電極或三個電極組成，他們決定了 輸出電容的大小，而傳感器的電容為：；ACf（；o,A, ）= f（A, ）| ；0 =常數(shù)而面積A=f （作用量，溫度）及極距二f （作用量

13、，溫度）所以有C二f （作用量，溫度 ）=f1（作用量） f2（溫度）其中：f2 （溫度）函數(shù)是不希望存在的，特別是對間隙很小的變間隙式電 容傳感器，所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要消除，下面以變間隙式傳感器為例，討論溫 度誤差的影響及補(bǔ)償措施。圖6電容式傳感器的溫度誤差設(shè)在to時：（1）間隙為0，（2）固定極板的厚度為ti，（3）絕緣材料的厚度為t2（4）膜片距絕緣底部之間的殼體長度為L,則圖中幾何尺寸有(4-2)由于個零件的材料不同，因此具有不同的溫度系數(shù)，當(dāng)溫度變化：t后,間隙變?yōu)?、t，則有、廠 L(1 ：t)J(1 ： t)-t2(1： t2，t)式中：L,：t2 各零件材料的線膨脹系數(shù)此時間隙變化

14、量為t t 一 0 (Lr L 一 t2 一 七2t2)，t(4-3)由于間隙變化而引起的電容相對變化，既傳感器的溫度誤差為:e =Ct-Co 5-06tCo-0；-0 (L L - t2 t2)“(tr ti t t2 L： l)(4-4)補(bǔ)償?shù)哪康氖鞘拐`差殳=0,由上式可知必有tt1 七2： t2 一L = 0(4-5)為了消除邊緣效應(yīng)的影響,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，可以采用帶有保護(hù)環(huán)的結(jié)構(gòu)，如圖7均勻場面積定極板/保護(hù)極(H HIHHHHj丄匸動極板被測休動極板卜保護(hù)環(huán)保護(hù)環(huán)與固定極板同心，但電器上互相絕緣，而兩者之間間隙越小越好。同時始終要保持固定環(huán)極與保護(hù)環(huán)為等電位，以保證中間工作區(qū)式中活的均 勻的電場分布，從而克服了邊緣效應(yīng)，為了減小極板厚度，往往不用整塊技 術(shù)材料做電極，而是用石英或陶瓷等非金屬材料一層金屬做電極結(jié)論通過這次課程設(shè)計(jì)，我對傳感器書本上的知識又復(fù)習(xí)了一遍，而且更重 要對電容式傳感器的新的認(rèn)識，獲得了更多的經(jīng)驗(yàn)。我從中學(xué)會了如何去根 絕具體的數(shù)據(jù)進(jìn)行查表，從而進(jìn)行課程設(shè)計(jì)。不僅學(xué)會知道團(tuán)隊(duì)精神的重要 性，更重要的是在這次的課程設(shè)計(jì)中，針對一些材料的選用，數(shù)據(jù)的算法等 方面與同組其他同學(xué)進(jìn)行了交流與溝通，提高了自己的工作效率，不僅學(xué)術(shù) 方面有很大的提高，在言語溝通上也提高了不少。參考文獻(xiàn)1強(qiáng)錫富，傳感器第3版M。北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008年：35 5