2完整版电容式传感器课程设计

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 d a S

S

d

S d a 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。

)

(/11

3d 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 bcp 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