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电容式压力传感器的检测电路及仿真摘要本文详细的描述了电容式压力传感器的结构，工作原理，特性，开展现状和趋势等。并且在此根底上提出了电容式压力传感器的检测电路及其仿真方法，详细的分析了压力大小与电路输出电压之间的关系。关键词：传感器，工作原理，特性，检测电路，开展摘要I1绪论32压力传感器的结构33压力传感器的工作原理34电容式压力传感器54.1 电容式传感器的原理及其分类5电容式传感器的原理5电容式传感器的分类54.2 电容式压力传感器的工作原理64.3 电容式压力传感器的特性64.4 电容式压力传感器的等效电路74.5 式压力传感器的检测电路85.1 检测电路85.2 结果分析853影响电容传感器精度的因素及提高精度的措施8边缘效应的影响9寄生电容的影响9温度影响96电容式压力传感器的应用107电容式压力传感器的开展108结论11致谢12参考文献131绪论科学技术的不断开展极大地丰富了压力测量产品的种类，现在，压力传感器的敏感原理不仅有电容式、压阻式、金属应变式、霍尔式、振筒式等等但仍以电容式、压阻式和金属应变式传感器最为多见。金属应变式压力传感器是一种历史较长的压力传感器，但由于它存在迟滞、蠕变及温度性能差等缺点，其应用场合受到了很大的限制。压阻式传感器是利用半导体压阻效应制造的一种新型的传感器，它具有制造方便，本钱低廉等特点，因此在非电物理量的测试、控制中得到了广泛的应用。尤其是在航天、航空、常规武器、船舶、交通运输、冶金、机械制造、化工、轻工、生物医学工程、自动测量与计量、称量等技术领域。电容式压力传感器是应用最广泛的一种压力传感器。2压力传感器的结构压力传感器的结构如图1所示。固定电极的半径为1<),厚度为h的膜片组成可动电极，固定电极与可动电极间距离为d,用绝缘体将可动电极固定。图1压力传感器结构图3压力传感器的工作原理在流体压力P的作用下，膜片弯曲变形，那么在r处的挠度为式中：U为弹性元件材料的泊松比，E为杨氏模量。在r=O处，挠度最大，为由于膜片弯曲，改变了可动电极与固定电极之间的距离，任意r处，当压力增加时,两极板之间的距离为d-W(r),故在r处取宽度为dr,周长为2r的窄圆环，其电容为(1)式中CO为初始值，即C0=£11r2d0当压力减少时，膜片向下变形，间隙为d+W(r),那么假设附皿dWl,省略高阶小量，那么，(2)式可化为可见，电容相对变化量与被测压力P成正比。4电容式压力传感器4.1 电容式传感器的原理及其分类4.1.1 电容式传感器的原理科学技术的不断开展极大地丰富了压力测量产品的种类，现在，压力传感器的敏感原理不仅有电容式、压阻式、金属应变式、霍尔式、振筒式等等但仍以电容式、压阻式和金属应变式传感器最为多见。金属应变式压力传感器是一种历史较长的压力传感器，但由于它存在迟滞、蠕变及温度性能差等缺点，其应用场合受到了很大的限制。压阻式传感器是利用半导体压阻效应制造的一种新型的传感器，它具有制造方便，本钱低廉等特点。电容式传感器是将被测量的变化转换成电容量变化的一种装置，实质上就是一个具有可变参数的电容器。由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为(5)SCz=式中：电容极板忸介质的介电常数，£=£O£r,其中O为真空介电常数,£r极板间介质的相对介电常数；S两平行板所覆盖的面积；d两平行板之间的距离。当被测参数变化使得式(5)中的S、d或£发生变化时，电容量C也随之变化。如果保持其中两个参数不变，而仅改变其中一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出。4.1.2电容式传感器的分类电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介电常数型三种。图2所示为常用电容器的结构形式。图(b)、(c)、(d)、(g)和（三）为变面积型，图（八）和(e)为变极距型，而图那么为变介电常数型。图2电容式传感元件的各种结构形式那么什么是电容式压力传感器呢？电容式压力传感器(capacitivetypepressuretransducer)利用电容敏感元件将被测压力转换成与之成一定关系的电量输出的压力传感器。它一般采用圆形金属薄膜或镀金属薄膜作为电容器的一个电极，当薄膜感受压力而变形时，薄膜与固定电极之间形成的电容量发生变化，通过测量电路即可输出与电压成一定关系的电信号。电容式压力传感器属于极距变化型电容式传感器，可分为单电容式压力传感器和差动电容式压力传感器。1单电容式压力传感器它由圆形薄膜与固定电极构成。薄膜在压力的作用下变形，从而改变电容器的容量，其灵敏度大致与薄膜的面积和压力成正比而与薄膜的张力和薄膜到固定电极的距离成反比。另一种型式的固定电极取凹形球面状，膜片为周边固定的张紧平面，膜片可用塑料镀金属层的方法制成(图1)。这种型式适于测量低压，并有较高过载能力。还可以采用带活塞动极膜片制成测量高压的单电容式压力传感器。这种型式可减小膜片的直接受压面积，以便采用较薄的膜片提高灵敏度。它还与各种补偿和保护部以及放大电路整体封装在一起，以便提高抗干扰能力。这种传感器适于测量动态高压和对飞行器进行遥测。单电容式压力传感器还有传声器式(即话筒式)和听诊器式等型式。2差动电容式压力传感器它的受压膜片电极位于两个固定电极之间，构成两个电容器(图2)。在压力的作用下一个电容器的容量增大而另一个那么相应减小，测量结果由差动式电路输出。它的固定电极是在凹曲的玻璃外表上镀金属层而制成。过载时膜片受到凹面的保护而不致破裂。差动电容式压力传感器比单电容式的灵敏度高、线性度好，但加工较困难(特别是难以保证对称性)，而且不能实现对被测气体或液体的隔离，因此不宜于工作在有腐蚀性或杂质的流体中。4.2电容式压力传感器的工作原理膜片上有两个电极，工作电极为圆形，参考电极为环形，工作电极与公共电极组成敏感电容CS,参考电极与公共电极组成参考电容CR。被测压力通过导管均匀作用在膜片上，引起膜片变形，从而引起敏感电容CS变化。CR变化很小，在此忽略。CS由(3)式得假设dmWmax,那么由(4)式得(6)4.3电容式压力传感器的特性由A/7C=C0+c°r可知电容的相对变化量为：()(8)当AddOv<l时，上式可按级数展开，可得(9)由式(9)可见，输出电容的相对变化量AC/CO与输入位移Ad之间成非线性关系，当AddO<vl时可略去高次项，得到近似的线性关系，如下式所示：(10)电容传感器的灵敏度为：(11)它说明了单位输入位移所引起的输出电容相对变化的大小与do呈反比关系。如果考虑式(9)中的线性项与二次项，那么(12)由此可得出传感器的相对非线性误差为：(13)由式(11)与式(12)可以看出：要提高灵敏度，应减小起始间隙d,但非线性误差却随着d的减小而增大。在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性误差，大都采用差动式结构。4.4电容式压力传感器的等效电路电容式传感器的等效电路可以用图3电路表示。图中考虑了电容器的损耗和电感效应，Rp为并联损耗电阻，它代表极板间的泄漏电阻和介质损耗。这些损耗在低频时影响较大，随着工作频率增高，容抗减小，其影响就减弱。Rs代表串联损耗，即代表引线电阻、电容器支架和极板电阻的损耗。电感1.由电容器本身的电感和外部引线电感组成。图3电容式传感器的等效电路由等效电路可知，它有一个谐振频率，通常为几十兆赫。当工作频率等于或接近谐振频率时，谐振频率破坏了电容的正常作用。因此，工作频率应该选择低于谐振频率，否那么电容传感器不能正常工作。传感元件的有效电容Ce可由下式求得(为了计算方便，忽略Rs和Rp):(14)在这种情况下，电容的实际相对变化量为：(15)式(15)说明电容式传感器的实际相对变化量与传感器的固有电感1.的角频率3有关。因此，在实际应用时必须与标定的条件相同。5电容式压力传感器的检测电路5.1 检测电路传感器的测量电路如图4所示。1)电桥的工作电压U1.由电路可知，反相比例放大器的输入电压为Ue,故其输出电压U。为(16)故加到电桥上的工作电压U1.为：(17)图4检测电路2)电桥单臂工作时的输出电压Ua平衡时，由于CrCs=C|C2,故Ua=O,当压力通过膜片时，引起CS的变化，那么此时假设忽略CR的变化，即认为CR=CR0,可把电桥认为是单臂CS工作的电桥。无负载时，单臂电桥的输出电压Ua为：(18)式中由于运放的输入电阻很高，故电路可认为是无负载电桥单臂工作的情况，将(17)代入上式得(19)3)电路输出电压与被测压力的关系将(6)式代入(19)式得：(20)由(20)式可知，被测压力与输出电压成正比，通过测输出电压Ua,可求被测压力P的大小。(21) 果分析此传感器在W(r)d的情况下，忽略高阶小量，线性较好，线性度小于Oo5%(为保证其线性度，在实验检测中一般应限制相对位移满足0。1<W(r)d<0o2)o在压力P发生变化时，所引起的传感器电容相对变化值由(4)式可知，仅为位移传感器相对变化量的1/3o测量范围大约为-44OkPa。实验数据曲线如图3所示。当P=O时，电容桥式电路平衡，CR0CSo=C1C2。当加上压力P后，CS发生变化，电路平衡被破坏，Ua与P呈线性关系。图5实验结果曲线(22) 响电容传感器精度的因素及提高精度的措施22.3.1 缘效应的影响边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低，而且产生非线性。为了消除边缘效应的影响，可以采用带有保护环的结构。保护环与定极板同心、电气上绝缘且间隙越小越好，同时始终保持等电位，以保证中间各种区得到均匀的场强分布，从而克服边缘效应影响。为减小极板厚度，往往不用整块金属板做极板，而用石英或陶瓷等非金属材料，蒸涂一层金属膜作为极板。22.3.2 生电容的影响电容式传感器测量系统寄生参数的影响，主要是指传感器电容极板并联的寄生电容的影响。由于电容传感器电容量很小，寄生电容就要相对大得多，往往使传感器不能正常使用。消除和减小寄生电容影响的方法可归纳为以下几种：1 .缩小传感器至测量线路前置极的距离将集成电流的开展、超小型电容器应用于测量电路。可使得局部部件与传感器做成一体，这既减小了寄生电容值，又使寄生电容值也固定不变了。2 .驱动电缆法这实际上是一种等电位屏蔽法。其原理电路图如下图。这种接线法使传输电缆的芯线与内层屏蔽等电位，消除了芯线对内层屏蔽的容性漏电，从而消除了寄生电容的影响，而内外屏蔽之间的电容变成了电缆驱动放大器的负载。因此驱动放大器是一种输入很高、具有容性负载、放大倍数为1的同相放大器。3 .整体屏蔽法所谓整体屏蔽法，是将整个桥体（包括供电电源及传输电缆在内）用一个统一屏蔽保护起来，公用极板与屏蔽之间（也就是公用极板对地）的寄生电容Cl只影响灵敏度，另外两个寄生电容C3、C4在一定程度上影响电桥的初始平衡及总体灵敏度，但不阻碍电桥的正确工作。因此寄生电容对传感器的电容的影响根本上得到了排除。4 .3.3温度影响1 .对结构尺寸的影响由于电容式传感器极间隙很小而对结构尺寸的变化特别敏感。在传感器各零件材料线性膨胀系数不匹配的情况下，温度变化将导致极间隙较大的相对变化，从而产生很大的温度误差。为减小这种误差，应尽量选取温度系数小和温度系数稳定的材料，如电极的支架选用陶瓷材料，电极材料选用铁银合金。近年来又采用在陶瓷或石英上进行喷镀金或银的工艺。2 .对介质介电常数的影响温度对介电常数的影响随介质不同而异，空气及云母的介电常数温度系数近似为零。而某些液体介质，如硅油、富麻油、煤油等，其介电常数的温度系数较大。例如煤油的介电常数的温度系数可达0。07%；假设环境温度变化±50,那么将带来7%的温度误差，故采用此类介质时必须注意温度变化造成的误差。6电容式压力传感器的应用电容器传感器的优点是结构简单，价格廉价，灵敏度高，过载能力强，动态响应特性好和对高温、辐射、强振等恶劣条件的适应性强等。缺点是输出有非线性，寄生电容和分布电容对灵敏度和测量精度的影响较大，以及联接电路较复杂等。70年代末以来，随着集成电路技术的开展，出现了与微型测量仪表封装在一起的电容式传感器。这种新型的传感器能使分布电容的影响大为减小，使其固有的缺点得到克服。电容式传感器是一种用途极广，很有开展潜力的传感器。电容式传感器不但应用于位移、振动、角度、加速度、荷重等机械量的测量，也广泛应用于压力、差压力、液压、料位、成分含量等热工参数测量。电容式压力传感器实质上是位移传感器，它利用弹性膜片在压力下变形所产生的位移来改变传感器的电容（此时膜片作为电容器的一个电极）。广泛应用于航空石油化工冶金锅炉等高温环境下的压力测试还可以通过改善敏感元件电容器的物理特性改变传感器的尺寸进一步提高传感器的工作范围灵敏度等。7电容式压力传感器的开展传感器技术是现代测量和自动化系统的重要技术之一，从宇宙勘探到海洋开发;从生产的过程控制到现代文明生活，几乎每一项科学技术都离不开传感器，因此，许多国家对传感器技术的开展十分重视，如日本把传感器技术列入六大核心技术（计算机、通信、激光、半导体、超导体和传感器）之一。我国对传感器的研究也有二十年多的历史，并取得了很大的成就，目前传感器技术也越来越得到各方面的重视，虽然在某些方面已赶上或接近世界先进水平，但从总体上看，我国传感器技术的研究和生产还比拟落后，因而开发和研制高精度压力传感器具有广泛的应用前景和社会效益。国外开展传感器主要由两条不同的途径，一是以美国为代表的先军工后民用，先提高后普及的高精尖路子。这种途径的主要特点是:能在较长的时间里保持传感器技术研究的世界领先地位，保持军事科学的领先水平。但资金投入巨大，经济回收比拟慢，是不兴旺国家和开展中国家不可采用的方法。二是以日本为代表的先普及后提高，由仿制到自行设计和创新的路子。这一途径的主要特点是:能把有效的资金投入到跟踪国际先进技术上，少走弯路。并且能在较短的时间里形成大规模生产，迅速占领市场，较快地收到经济效益。正是这样，日本的传感器技术开展很快，迅速进入世界前列。这是众多国家应采取的有效途径。我国是一个开展中国家，资金短缺，要想尽快赶上世界先进水平，必须走日本的路子，比方，六维力传感器研究和应用是多微力传感器研究的热点，截止目前，只有美、日等及少数国家能够生产。我国在1990年由中科院合肥智能所等单位研制成功的SAFMS型系列六维力传感器，其主要性能到达国际水平。1990年日本的铃木等人研制成功的64X64元半导体压容触觉阵列空间，分辨力到达0。25mm,阵列密度160OtaCtelS/cm2。北京理工大学在跟踪国外开展的根底上，又改良创新研制了组合有压电层的柔性光学阵列触觉，阵列密度为2438tactelscm2,力灵敏1g,结构柔性很好，能识别钢球和鸡蛋，并且获得硬币的触觉图像比人更胜一筹，已用于机器人分选物品。目前传感器开展主要归为以下五个方面：小型化。小型化会带来很多好处，重量轻、体积小、分辨率高，便于安装在很小的地方;对周围器件影响小，也利于微型仪器、仪表的配套使用。如美国Entran公司的量程2500PSI产品，直径仅为1。27mm,可以置于人体血管中测量有关参数而不会对血液的流通产生大的影响。集成化。可以利用现有的生产工艺和成熟的集成技术，把电路与传感器制作在一起，减少工艺流程以降低生产本钱，而且不易损环。智能化。由于集成化的出现，在集成电路局部制作一些微处理机，使其具有“记忆”、“思维”“处理”等能力。目前智能化产品开展很快，它将成为未来传感器市场的主流。系列化。单一化产品在市场上没有大的竞争力和长久的生命力。市场风云突变，一旦失去市场，开展那么停滞不前，经济效益差，资金浪费大，产品本钱高。标准化。传感器技术已形成标准化。如IEC、ISO国际标准;美国ANSIC、ANSCMI1.-T和ASTME标准;日本JIS标准;法国DlN标准。8结论本文主要介绍了电容式压力传感器的结构，工作原理，特性，开展情况等等。并且在此根底上详细的分析了当该传感器受到外力时产生电容值的变化，并通过电路将电容值的变化转化为电压值输出。论述了传感器的开展现状和趋势，压力传感器技术已经开展到比拟高的水平，并且更新换代的速度很快。而我国在传感器研究和产品开发方面与世界先进水平相比有较大的差距。目前我国正处于经济腾飞的年代，对传感器的需求量越来越大，因而，需要更多的人投入到传感器的研究中去，尽最大的努力赶超世界先进水平。致谢在本论文完成之际，我首先要感谢我的导师教授，在我毕业设计期间，他以敏捷的思维、强烈的责任心和渊博的学术知识在此期间给了我悉心的指导，使我能够屡次从困惑中走出。他让我学到了很多东西，包括分析问题、解决问题的能力。我同样要感谢我的毕业设计中，她给了我很大的帮助，她的帮助使我在专业知识上更进一步，更重要的是，在我遇到问题的时候，她提出了珍贵的意见，使我能够顺利解决问题。我尤其要感谢的是我的父母，是他们在背后默默地支持我、鼓励我，给了我克服困难、战胜困难的勇气，我永远不会忘记他们的养育之恩。最后，我衷心地感谢所有曾经帮助过我的老师、同学和朋友，谨向他们表示深深的谢意！参考文献1李继文。加速度传感器集成电路ADX1.05及其应用J国外电子元器件，1996,(08)o2李宝清，陆德仁，王渭源。变面积结构微机械电容式加速度传感器J中国工程科学，2000,(02)o3杨苗苗，陈德勇，王军波，陈健，毋正伟，陈李。微机械电容式加速度传感器测试电路研究J传感技术学报，2006,(06)o4李敏毅，王蕊。微机械电容式加速度传感器信号电路设计J传感器世界，2005,(07)o5刘明。激光技术的开展与应用J安徽教育学院学报(自然科学版)，1999,(02)o16田惠忱。模拟乘法器及其应用J呼伦贝尔学院学报，2002,(06)o7高晓丁，许卫星，胥光申。电容式力传感器的研制J传感器技术，2002,(07)o8王兆华，高敬阳，董永贵。一种基于有源电桥的电容式粮食水分传感器J传感器技术，2005,(11)o9程坤，秦明，张中平，黄庆安。一种湿度传感器接口电路的分析与改良J微电子学，2005,(06)o10史延龄，吴强。用测频法测量电容量J计量技术，2007,(02)o11李宝清，陆德仁，王渭源。高线性微机械差分电容式加速度计测量电路J测控技术，1999,(10)o12陈佳品，吴智政，程君实。电容式微加速度传感器控制电路研究J仪表技术与传感器,1997,(01)o113胡雪梅，王宏颖。微电子机械系统的开展与应用J西安航空技术高等专科学校学报，2006,(03)o14尤晖，李川奇，沈连官，周华。电容式微加速度传感器的现状及研究方向J中国机械工程,1998,(10)o15潘中印，张传兆，蒋立冬，曲学政。微电子机械系统传感器及其应用J物探装备，2003,(04)o