完整版电容式传感器课程设计方案

引言
硅压力传感器具有精度高、稳定性好等优点，在工业中广泛应用。

但是，由于硅材料本身的限制，使其无法用于高温和腐蚀等特殊环境中。

而陶瓷电容式压力传感器采用特殊陶瓷材料制作，具有抗腐蚀、耐高温等优点，弥补了硅压力传感器的上述缺点，可用于高温、腐蚀等特殊环境下。

现今，国内有大量的需求，但是还没有国内厂家能够生产。

因此，开发出一种实用的陶瓷压力传感器具有非常重要的现实意义。

陶瓷压力传感器通常采用多电容结构，在陶瓷膜片上同时烧结两个电容，一个作为参考电容，以消除温度对传感器输出的影响；另一个为测量电容，其变化量与传感器所受压力的变化量近似成正比，通过检测变化量就能得到传感器所受的压力。

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1 电容式传感器设计的目的与任务
1.1电容式传感器设计的目的
⑴巩固所学知识，加强对传感器原理的进一步理解；
⑵理论与实际相结合，“学以致用”；
⑶综合运用知识，培养独立设计能力；
⑷着重掌握典型传感器的设计要点，方法与一般过程；
⑸培养学生精密机械与测控电路的设计能力。

1.2电容式传感器设计的要求
⑴设计时必须从实际出发，综合考虑实用性、经济性、安全性、先进性及操作维修方便。

如果可以用比较简单的方法实现要求，就不必过分强调先进性。

并非是越先进越好。

同样，在安全性、方便性要求较高的地方，应不惜多用一些元件或采用性能比较好的元件，不能单纯考虑简单、经济；
⑵独立完成作业。

设计时可以收集、参考传感器同类资料，但必须深入理解，消化后再借鉴。

不能简单地抄袭；
⑶在课程设计中，要随时复习传感器的工作原理。

积极思考。

不能直接向老师索要答案和图纸。

⑷设计传感器测头机械机构方案，绘制总装图（CAD为工具），编写传感器设计说明书。

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2 传感器设计方案的选择
设计一台电容式传感器 设计要求如下： ⑴量程范围：0～25Mpa ⑵工作电压 5V ⑶相应时间 <1ms ⑷稳定性 <0.2% ⑸温度范围 -40～125℃ ⑹抗绝缘性 >2KV ⑺相对误差 1% ⑻张力 S=100×106N/m
一种测量介质介电常数变化的电容式传感器结构如图。

设电容器极板面积为S ，间隙为a ，当有一厚度为d ，相对介电常数为r 的固体介质通过极板间隙，相当于电容串联，因此电容器的电容值为：
r
r d a S
S
S C εεεεε+
-=
+
=
0001 （2-1）
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（1）若改变固体介质的相对介电常数，则有电容量的相对变化为：
])((1[)
(1133233232 +∆-∆+∆-⨯∆=∆+⨯⨯∆=∆r
r r r r r r r r
r
r
r
N N N N N N C C εεεεεεεεεεεε
其中d d a N r /)(11
2-+=ε为灵敏度因子，随间隙比d/(a-d)增大而增大。

)
(/113d a d N r -+=ε为非线性因子，随间隙比d/(a-d)增大而减小。

⑵ 若传感器保持r 不变，改变介质厚度，则可用于测量介质厚度变化，此时
])(1[)(
11
244444 +∆+∆+⨯∆=∆-⨯⨯∆=∆d
d N d d N N d d d d N N d
d C C
其中，d
d a N r r /)(11
4-+-=
εε，为灵敏度因子和非线性因子。

⑶ 若被测介质充满两极板间，则d=a ，此时初始电容为
d
S
C r 00εε=
若r r r
εεε∆+→，则r C C C C ε=∆+→,即
d S
C d S C C C r r r r 0000)(εεεεεε∆+
=∆+=∆+=
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可见，d
S
C r 0εε∆=
∆
与r 成线性关系。

测量液体介质介电常数的变化即属此情况，如测原油含水率。

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3 传感器机械设计各部分参数的确定
3.1 平行板电容器介质厚度（极板间距离）的确定
它是由电场来决定的，即
w
w
E U
=δ （3-1）
式中 δ——极板间距离（mm ）
w E ——工作电场强度（Kv/mm ） w U ——工作电压（V ）
对于直流，脉冲或功率不大的交流电容式传感器，应该首先根据介质的瞬时耐压强度b E ，确定工作电场w E ，这是现根据下式确定电容的测试电场强度t E ，即
KV KV E E 75.04
3k 1
bcp t ===
(3-2)
式中 b c p E ——介质的平均瞬时耐压强度
1k ——测试电场强度时的安全系数
对于介质厚和极板面积小的电容器选取1k ≥2，当介质和面积较大时，选取1k =4，再根据下式确定w E :
mm /38.02
75.0k 2t w KV KV E E ===
（3-3） 式中 2k ——测试场强安全系数，一般选2k =1.5—3
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将上述两式代入w
w
E U =δ得：
mm 013.0k k k bcp
w 21t 2w w w ====E U E U E U δ （3-4）
3.2电容式传感器极板面积的确定
由δ
ε1
01A C =
可得： 250
11m 1094.2-⨯==εδC A （3-5）
式中 1C ——初始电容为 F 12
1020-⨯
0ε——常数 m /1085.812F -⨯
m 006.04
11==
A D π
（3-6）
3.3电容式传感器极板半径的确定
由公式
%1.0p s 8a c d 2
c =⋅=δ
得： m 002.0p
%1s 8a =⨯=δ （3-7）
式中 s ——张力m /10100s 6N ⨯=
P ——量程范围P=25Mpa
m 004.0a 22==D （3-8）
252
22m 1026.14
-⨯==D A π （3-9）
求得实际
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F A C p 92
02==
δ
ε （3-10） 3.4电极金属材料选择的原则
(1)电阻率小
(2)材料对介质的化学作用和化学老化和催化作用小 (3)价格低
(4)力学性能好，压延性好，柔韧，机械强度高 (5)导热系数和热容量大 (6)密度小 (7)容易焊接 (8)熔点和沸点适当
常用金属材料有银，铜，金，铝，青铜，铅等。

4电容式传感器结构的设计
电容式传感器的结构很简单，通常是由动极板和固定极板组成两极式或三级式，极板可以由玻璃。

石英或者陶瓷上面镀以金属构成结构可以做的很紧凑小巧，能接受很多的温度变化及辐射等恶劣条件同时也可以在很多液体中使用。

4.1电容式传感器结构的设计原则
（1）在结构设计和确定几何尺寸时，应尽力提高传感器的电容量，因为这样可以降低它的灵敏度。

为了提高它的电容量，极板间的距离根据工艺和结构设计条件尽可能的减小，某些传感器的间隙可小至10um-20um，在极其小的间隙下，很小的极距变化就足以引起极为显著的电容变化。

（2）因为极距很小，在结构设计时必须严防能够引起气隙锈蚀的潮气，尘土和蒸汽流入。

为防止极板间击穿可加入绝缘介质，绝缘介质应选用介电常数大的材料，以利于提高电容量值，因而提高了灵敏度。

（3）结构设计的重要问题之一是电极板的绝缘和固定，陶瓷绝缘材料具有很好的绝缘性能，它的表面电阻很大程度上和污染和湿度有关，所以在选择极板的固定方法时，需要预先考虑到怎样使表面绝缘电阻对全部漏电阻有最小影响，一般绝缘材料选用聚四氟乙烯。

（4）为了使极板间距离不随温度变化，必须选用具有相应线膨胀系数的
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材料，以减小传感器的零点偏移。

（5）在确定电容的情况下，传感器的输出阻抗随电源频率的层高而降低，所以极板电源电压的选择应不低于500v-1000v 。

而绝大多数测量电路的工作频率为HZ HZ 751010-
(6)传感器的容许的工作电压取决于极板的击穿电压，在额定电压下和极板间距为0.1mm-1.0mm 时，空气隙的击穿电压为2Kv/mm —3Kv/mm,对于大多数电解质，在额定温度下，纯粹电气击穿电压为100Kv/mm —500Kv/mm,结构中有电介质的传感器，容许工作电压和传感器的几何参数，热参数和电气参数均有关，容许工作电压随频率的增高而降低，其值反比于ω。

（7）结构确定后，电容传感器的初始电容一般为20uF-100uF 。

4.2电容式传感器的典型结构
4.2.1电容式压力传感器的结构
（1）单电容式压力传感器
图三所示为一种单电容式压力传感器的结构形式。

传感器内部安装的振荡线圈和传感器电容构成LC 回路，采用调频测量电路，当被压力作用在膜片上时，这种压力变化通过电容的变化而转为频率的变化输出。

图3 一种单电容式传感器图4 测量低电压的单电容式传感器该传感器采用一种周边固支张紧式膜片，膜片可做的很薄，因此其灵敏度很高，膜片可采用塑料镀金层的方法制成，由于采用球面形状做固定电极，当传感器过载时，膜片的变形形态恰好使得膜片紧贴球面，因而能适应很高的过载而不被破坏。

(2)单电容高压式传感器
图5 所示为一种单电容高压式传感器
图5
它可测 4ｘ8
10Pa的高压，传感器的动极板4采用带活塞的重建式膜片。

采用高活塞式为了减小膜片的直接受压面积，从而可使膜片厚度减薄，以提高灵敏度。

利用重建式膜片结构可以使硬中心部分基本达到平移工作状态，以改变传感器的线性。

固定极板表面用环氧树脂黏贴钛酸钡片，固定极板背面根据等效动能原理黏贴加速度补偿惯性质量块。

传感器电极附有边缘效应保护环，保护环与固定电极等电位，绝缘采用聚四氟乙烯。

测量电路采用运算放大器是电路与传感器整体封装。

该传感器具有可测高压，固有频率高，
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灵敏度高的特点。

同时采用了加速度及温度补偿措施，故可用于动态高压力及具有高加速度的飞行体高压力的遥测。

4.3电容式传感器结构的稳定性设计
4.3.1温度对结构尺寸参数的影响及补偿措施
因为电容式传感器的结构主要由两个电极或三个电极组成，他们决定了
输出电容的大小，而传感器的电容为：
常数====000|),(),,(εδδεδ
εA f A f A
C （4-1） 而面积f A =（作用量，温度）及极距f =δ（作用量，温度）所以有
)()()(21温度作用量作用量，温度f f f C +==
其中：2f （温度）函数是不希望存在的，特别是对间隙很小的变间隙式电容传感器，所以在结构设计中要消除，下面以变间隙式传感器为例，讨论温度误差的影响及补偿措施。

图6电容式传感器的温度误差
设在0t 时：（1）间隙为0δ，（2）固定极板的厚度为1t ，（3）绝缘材料的厚度为2t （4）膜片距绝缘底部之间的壳体长度为L,则图中几何尺寸有
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210t t L --=δ （4-2）
由于个零件的材料不同，因此具有不同的温度系数，当温度变化t ∆后，间隙0δ变为t δ，则有
)1()1()1(2211t t t t t L t t L t ∆+-∆+-∆+=αααδ
式中21,,t t L ααα一各零件材料的线膨胀系数
此时间隙变化量为
t t t L t t L t t ∆---=∆)(222110αααδδδ (4-3)
由于间隙变化而引起的电容相对变化，既传感器的温度误差为：
t
t L L t t C C C e t L L t t t t t ∆-+++=-=-=)()
(22022110000ααδαααδδδ （4-4）
补偿的目的是使误差0=t e ，由上式可知必有
02211=-+L t t L t t ααα (4-5)
为了消除边缘效应的影响，在结构设计时，可以采用带有保护环的结构，如图
7
图7
保护环与固定极板同心，但电器上互相绝缘，而两者之间间隙越小越好。

同时始终要保持固定环极与保护环为等电位，以保证中间工作区式中活的均匀的电场分布，从而克服了边缘效应，为了减小极板厚度，往往不用整块技
术材料做电极，而是用石英或陶瓷等非金属材料一层金属做电极.
结论
通过这次课程设计，我对传感器书本上的知识又复习了一遍，而且更重要对电容式传感器的新的认识，获得了更多的经验。

我从中学会了如何去根绝具体的数据进行查表，从而进行课程设计。

不仅学会知道团队精神的重要性，更重要的是在这次的课程设计中，针对一些材料的选用，数据的算法等方面与同组其他同学进行了交流与沟通，提高了自己的工作效率，不仅学术方面有很大的提高，在言语沟通上也提高了不少。

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参考文献
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