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(wú)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。現(xiàn)今，國(guó)內(nèi)有大量的需求，但是還沒(méi)有國(guó)內(nèi)廠家能夠生產(chǎn)。因此，開(kāi)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(shí)燒結(jié)兩個(gè)電容，一個(gè)作為參考電容， 以消除溫度對(duì)傳感器輸出的影響；另一個(gè)為測(cè)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(guò)檢測(cè)變化量就能得到傳感器所受的壓力。沈陽(yáng)大學(xué)課程設(shè)計(jì) -1-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⑴鞏固所學(xué)知識(shí)，加強(qiáng)對(duì)傳感器原理的進(jìn)一步理解；⑵理論與實(shí)際相結(jié)合，“學(xué)以致用”；⑶綜合運(yùn)用知識(shí)，培養(yǎng)獨(dú)立設(shè)計(jì)能力；⑷著重掌握典型傳感器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，方法與一般過(guò)程；⑸培養(yǎng)學(xué)生精密機(jī)械與測(cè)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⑴設(shè)計(jì)時(shí)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(jiǎn)單的方法實(shí)現(xiàn)要求，就不必過(guò)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(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)；⑵獨(dú)立完成作業(yè)。設(shè)計(jì)時(shí)可以收集、參考傳感器同類(lèi)資料，但必須深入理解，消化后再借鑒。不能簡(jiǎn)單地抄襲；⑶在課程設(shè)計(jì)中，要隨時(shí)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。⑷設(shè)計(jì)傳感器測(cè)頭機(jī)械機(jī)構(gòu)方案，繪制總裝圖（ CAD為工具），編寫(xiě)傳感器設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。沈陽(yáng)大學(xué)課程設(shè)計(jì) -2-傳感器設(shè)計(jì)方案的選擇設(shè)計(jì)一臺(tái)電容式傳感器設(shè)計(jì)要求如下：⑴量程范圍：0～25Mpa⑵工作電壓5V⑶相應(yīng)時(shí)間<1ms⑷穩(wěn)定性<0.2%⑸溫度范圍-40～125℃⑹抗絕緣性>2KV⑺相對(duì)誤差1%⑻張力S=100×106N/m一種測(cè)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(duì)介電常數(shù)為 r的固體介質(zhì)通過(guò)極板間隙，相當(dāng)于電容串聯(lián)，因此電容器的電容值為：C10Sddadad（2-1）0S0rSr沈陽(yáng)大學(xué)課程設(shè)計(jì) -3-（1）若改變固體介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，則有電容量的相對(duì)變化為：CC

rN21rr1N3()rrN2[1N3r(N3r)2(N3r)3]rrrr其中N211r(ad)/d為靈敏度因子，隨間隙比d/(a-d)增大而增大。N31d/(a-d)增大而減小。為非線性因子，隨間隙比1d/r(ad)⑵若傳感器保持 r不變，改變介質(zhì)厚度，則可用于測(cè)量介質(zhì)厚度變化，此時(shí)CdN41Cdd1N4)(dd[1N4d(N4d2]N4)ddd其中，N4r1為靈敏度因子和非線性因子。1r(a，d)/d⑶若被測(cè)介質(zhì)充滿兩極板間，則d=a，此時(shí)初始電容為C0r0Sd若rrr，則CCCCr,即CrC0C(rr)0Sr0SdC0d沈陽(yáng)大學(xué)課程設(shè)計(jì) -4-可見(jiàn)，Cr0Sd與r成線性關(guān)系。測(cè)量液體介質(zhì)介電常數(shù)的變化即屬此情況，如測(cè)原油含水率。沈陽(yáng)大學(xué)課程設(shè)計(jì) -5-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(chǎng)來(lái)決定的，即Uw（3-1）Ew式中 δ——極板間距離（mm）Ew——工作電場(chǎng)強(qiáng)度（Kv/mm）Uw——工作電壓（V）對(duì)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(shí)耐壓強(qiáng)度Eb，確定工作電場(chǎng) Ew，這是現(xiàn)根據(jù)下式確定電容的測(cè)試電場(chǎng)強(qiáng)度Et，即Ebcp3KVEt0.75KV(3-2)k14式中 Ebcp——介質(zhì)的平均瞬時(shí)耐壓強(qiáng)度k1——測(cè)試電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)的安全系數(shù)對(duì)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(shí)，選取k1=4，再根據(jù)下式確定Ew:EwEt0.75KVk20.38KV/mm（3-3）2式中k2——測(cè)試場(chǎng)強(qiáng)安全系數(shù)，一般選k2=1.5—3沈陽(yáng)大學(xué)課程設(shè)計(jì) -6-將上述兩式代入U(xiǎn)w得：EwUwUwk2k1k2Uw0.013mmEwEtEbcp3.2電容式傳感器極板面積的確定由C10A1可得：A1C12.94105m20式中C1——初始電容為201012F0——常數(shù)8.851012F/mD14A0.006m13.3電容式傳感器極板半徑的確定dca2得：由公式p0.1%c8s8s1%a0.002mp式中 s——張力s 100 106N/mP——量程范圍P=25MpaD22a0.004mA24D221.26105m2求得實(shí)際

3-4）3-5）3-6）3-7）3-8）3-9）沈陽(yáng)大學(xué)課程設(shè)計(jì) -7-C0A29pF（3-10）23.4電極金屬材料選擇的原則(1)電阻率小(2)材料對(duì)介質(zhì)的化學(xué)作用和化學(xué)老化和催化作用小(3)價(jià)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。沈陽(yáng)大學(xué)課程設(shè)計(jì) -8-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(jiǎn)單，通常是由動(dòng)極板和固定極板組成兩極式或三級(jí)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(shí)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(shí)，應(yīng)盡力提高傳感器的電容量，因?yàn)檫@樣可以降低它的靈敏度。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(shí)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(wèn)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(shí)，需要預(yù)先考慮到怎樣使表面絕緣電阻對(duì)全部漏電阻有最小影響，一般絕緣材料選用聚四氟乙烯。（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)的沈陽(yáng)大學(xué)課程設(shè)計(jì) -9-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(cè)量電路的工作頻率為105HZ 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0.1mm-1.0mm時(shí)，空氣隙的擊穿電壓為 2Kv/mm—3Kv/mm,對(duì)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)4.2.1 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(cè)量電路，當(dāng)被壓力作用在膜片上時(shí)，這種壓力變化通過(guò)電容的變化而轉(zhuǎn)為頻率的變化輸出。沈陽(yáng)大學(xué)課程設(shè)計(jì) -10-圖3一種單電容式傳感器 圖4測(cè)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(guò)載時(shí)，膜片的變形形態(tài)恰好使得膜片緊貼球面，因而能適應(yīng)很高的過(guò)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圖5它可測(cè)4ｘ108Pa的高壓，傳感器的動(dòng)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(shù)脂黏貼鈦酸鋇片，固定極板背面根據(jù)等效動(dòng)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(cè)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(cè)高壓，固有頻率高，沈陽(yáng)大學(xué)課程設(shè)計(jì) -11-靈敏度高的特點(diǎn)。同時(shí)采用了加速度及溫度補(bǔ)償措施，故可用于動(dòng)態(tài)高壓力及具有高加速度的飛行體高壓力的遙測(cè)。4.3電容式傳感器結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)4.3.1 溫度對(duì)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(gè)電極或三個(gè)電極組成，他們決定了輸出電容的大小，而傳感器的電容為：C0Af(A,)|0常數(shù)f(0,A,)（4-1）而面積Af（作用量，溫度）及極距f（作用量，溫度）所以有Cf(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(duì)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t0時(shí)：（1）間隙為 0，（2）固定極板的厚度為 t1，（3）絕緣材料的厚度為t2（4）膜片距絕緣底部之間的殼體長(zhǎng)度為 L,則圖中幾何尺寸有沈陽(yáng)大學(xué)課程設(shè)計(jì) -12-0Lt1t2（4-2）由于個(gè)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0變?yōu)閠，則有tL(1Lt)t1(1t1t)t2(1t2t)式中L,t1,t2一各零件材料的線膨脹系數(shù)此時(shí)間隙變化量為t t 0(L1 L t1 t2 t2 t2) t (4-3)由于間隙變化而引起的電容相對(duì)變化，既傳感器的溫度誤差為：etCtC0t0(t1t1t2t2LL)C00(LL（4-4）0t2t2)t補(bǔ)償?shù)哪康氖鞘拐`差 et 0，由上式可知必有t1t1t2t2LL0(4-5)為了消除邊緣效應(yīng)的影響，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可以采用帶有保護(hù)環(huán)的結(jié)構(gòu)，如圖7圖7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(shí)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(chǎng)分布，從而克服了邊緣效應(yīng)，為了減小極板厚度，往往不用整塊技沈陽(yáng)大學(xué)課程設(shè)計(jì) -13-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(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我對(duì)傳感器書(shū)本上的知識(shí)又復(fù)習(xí)了一遍，而且更重要對(duì)電容式傳感器的新的認(rèn)識(shí)，獲得了更多的經(jīng)驗(yàn)。我從中學(xué)會(huì)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(huì)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(duì)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(yǔ)溝通上也提高了不少。沈陽(yáng)大學(xué)課程設(shè)計(jì) -14-參考文獻(xiàn)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—55李科杰，新編傳感器技術(shù)手冊(cè)[M]。北京：國(guó)防工業(yè)出版