朱敏　秦軍　黃宏偉

【摘 要】電容式壓力傳感器是一種利用電容敏感元件將被測壓力轉換成與之成一定關系的電量輸出的壓力傳感器。直接接觸或接近被測對象而獲取信息，與被測對象同時都處于被干擾的環(huán)境中，不可避免地受到外界的干擾。本文從電容式傳感器的結構、工作原理、性能分析影響電容式壓力傳感器精度的因素。

【關鍵詞】電容式壓力傳感器；誤差；干擾

0.概述

我們所處的時代是信息時代，信息的獲取、檢測要靠傳感器和傳感技術來實現(xiàn)。傳感器越來越廣泛地應用于航空、常規(guī)武器、船舶、交通運輸、冶金、機械制造、化工等技術領域。電容式壓力傳感器是一種利用電容敏感元件將被測壓力轉換成與之成一定關系的電量輸出的壓力傳感器。壓力傳感器是目前所有傳感器種類來說，是使用最多的傳感器，它的市場占有量也不不可估量的，那么它的各項技術也得根據(jù)市場需要，進行不斷的改進和完善，以適應各個領域越來越苛刻的環(huán)境。

1.電容式壓力傳感器工作原理及其數(shù)學模型

1.1結構介紹

電容式壓力傳感器主要由一個膜式動電極和兩個在凹形玻璃上電鍍成的固定電極組成差動電容器即敏感元件。敏感元件是由隔離膜片、電容固定極板、測量膜片、灌充液組成，以測量膜片為中心線軸對稱，測量膜片與兩側的金屬模構成一對相等的平行板電容。如圖1所示。

圖1 敏感元件結構圖

1.2工作原理

當被側壓力或壓力差作用于膜片并產(chǎn)生位移時，形成的兩個電容器的電量一個增大、一個減小。該電容值的變化經(jīng)測量電路轉換成與壓力差相對應的電流或電壓的變化。

圖2 電容式壓力傳感器工作原理圖

1.3壓力—電容轉換

如圖3所示，被測壓力通過高壓側隔離膜片，加到灌充液，液體流過瓷心孔進入腔室，將壓力加到測量膜片上，膜片受力后發(fā)生位移，測量膜面與兩側構成的電容值隨之變化，低壓側電容增加，高壓側電容減少。

圖3 平行板電容器

厚膜片位移與差壓轉換關系如下：

△d=··△P=K△P △d≤t （ 公式1）

其中：

μ：伯桑系數(shù)；R：膜片周邊半徑；△d：膜片中心處位移

t：膜片厚度；△P：被測差壓；E：膜片材料的楊氏彈性恒量

薄膜片具有初始張緊，其位移與差壓轉換公式如下：

△d=·△P=K'△P （公式2）

差壓作用于室時，中心膜片的位移 與差壓成正比。

1.4位移—電容轉換

由于固定極板凹面直徑很大，可視為平行板電容器，平行板電容C=。

ε為平行板中間介質的介電常數(shù)；

A平行板電容的面積；

d平行板電容兩端間距。

PH：高壓室所受壓力；PL：高壓室所受壓力。

當兩邊壓力相等時即PH=PL，初始電容量C=C=K

當PH>PL，測量膜片位移為△d，此時低壓側的電容為C=K（d0-△d），高壓側電容為CH=K（d0+△d），取=

△d·K2=

（公式3）

由公式2、公式3可知△P·K·K=

（公式4）

改變結構系數(shù)K1即可實現(xiàn)不同量程的測量，將位移量轉換成

的變化。

1.5電容比—電流的轉換

解調器將流過CL、CH的交流電流解調成直流電流IL、IH，原理圖如圖4

圖4

2.電容式壓力傳感器的性能

2.1靜態(tài)特性

當被測量X不隨時間變化，或隨時間的變化程度遠緩慢與傳感器固有的最低階運動模式的變化程度時，傳感器的輸出量Y與輸入量X之間的函數(shù)關系。因為這時輸入量與輸出量都和時間無關，所以他們之間的關系即傳感器的靜態(tài)特性可用一個不含時間變量的代數(shù)方程，或以輸入量做橫坐標把與其對應的輸出量作縱坐標而畫出的特性曲線來描述。表征傳感器靜態(tài)特性的主要參數(shù)有：線性度、靈敏度、分辨力和遲滯等。

2.2動態(tài)特性

當被測量X隨時間變化，而且隨時間的變化程度與傳感器固有的最低階運動模式的變化程度相比不是緩慢的變化程度時，傳感器的輸出量y與輸入量X之間的函數(shù)關系。

在實際工作中，傳感器的動態(tài)特性常用它對某些標準輸入信號的響應來表示。這是因為傳感器對標準輸入信號的響應容易用實驗方法求得，并且它對標準輸入信號的響應與它對任意輸入信號的響應之間存在一定的關系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的標準輸入信號有階躍信號和正弦信號兩種，所以傳感器的動態(tài)特性也常用階躍響應和頻率響應來表示。

3.影響電容式壓力傳感器精度的因素

電容式壓力傳感器直接接觸或接近被測對象而獲取信息，與被測對象同時都處于被干擾的環(huán)境中，不可避免地受到外界的干擾。壓力傳感器如果說它的抗干擾能力不過硬，那么在它的價值上，也是個相差很大的，因為的應用范圍受了很大的限制，所以市場前景也是得不到擴大的，提高抗體干擾性是不容忽視的問題。

3.1溫度影響

由于電容式傳感器極間隙很小而對結構尺寸的變化特別敏感。在傳感器各零件材料線性膨脹系數(shù)不匹配的情況下，溫度變化將導致極間隙較大的相對變化，從而產(chǎn)生很大的溫度誤差。為減小這種誤差，應盡量選取溫度系數(shù)小和溫度系數(shù)穩(wěn)定的材料，如電極的支架選用陶瓷材料，電極材料選用鐵鎳合金。近年來又采用在陶瓷或石英上進行噴鍍金或銀的工藝?；ひ苯疱仩t等高溫環(huán)境下的壓力測試還可以通過改善敏感元件電容器的物理特性改變傳感器的尺寸進一步提高傳感器的工作范圍靈敏度等。

3.2靜壓影響

金屬電容兩邊受壓，壓力經(jīng)隔離膜片傳遞到內部中心膜片上。從圖5可以看出傳感器內部的壓力從中心向四周方向分布，X方向的應力得到全部抵消，但是Y方向的應力q全部加在傳感器的外殼上。由于結構尺寸的原因，越靠近中心結構越單薄，傳感器的抗壓能力越差，尤其是中心膜片處結構強度最為薄弱。在高靜壓下，中心點處產(chǎn)生一個最大的擾度。在高靜壓下中心膜片向外的張緊力增加，膜片的緊繃程度相對工作靜壓為零時得到加強，并且工作靜壓越大其緊繃程度越大，中心膜片隨差壓的位移變小，產(chǎn)生誤差。并且靜壓影響絕對誤差，工作靜壓越大其量程的靜壓誤差越大。至于零位的靜壓誤差，則表現(xiàn)為方向的不確定，這主要由焊接應力和傳感器的個性相關，不具有規(guī)律性。通過提高制造加工精度來減小靜壓誤差。

圖5 應力分布和擾度變化圖

3.3邊緣效應的影響

邊緣效應不僅使電容傳感器的靈敏度降低，而且產(chǎn)生非線性。為了消除邊緣效應的影響，可以采用帶有保護環(huán)的結構。保護環(huán)與定極板同心、電氣上絕緣且間隙越小越好，同時始終保持等電位，以保證中間各種區(qū)得到均勻的場強分布，從而克服邊緣效應影響。為減小極板厚度，往往不用整塊金屬板做極板，而用石英或陶瓷等非金屬材料，蒸涂一層金屬膜作為極板。

3.4寄生電容的影響

電容式壓力傳感器測量系統(tǒng)寄生參數(shù)的影響，主要是指傳感器電容極板并聯(lián)的寄生電容的影響。由于電容傳感器電容量很小，寄生電容就要相對大得多，往往使傳感器不能正常使用。消除和減小寄生電容影響可縮小傳感器至測量線路前置極的距離將集成電流的發(fā)展、超小型電容器應用于測量電路?？墒沟貌糠植考c傳感器做成一體，這既減小了寄生電容值，又使寄生電容值也固定不變了。 [科]

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