電容式壓力傳感器精度影響因素分析

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(cè)壓力轉(zhuǎn)換成與之成一定關(guān)系的電量輸出的壓力傳感器。直接接觸或接近被測(cè)對(duì)象而獲取信息，與被測(cè)對(duì)象同時(shí)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(jié)構(gòu)、工作原理、性能分析影響電容式壓力傳感器精度的因素。

【關(guān)鍵詞】電容式壓力傳感器；誤差；干擾

0.概述

我們所處的時(shí)代是信息時(shí)代，信息的獲取、檢測(cè)要靠傳感器和傳感技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。傳感器越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于航空、常規(guī)武器、船舶、交通運(yùn)輸、冶金、機(jī)械制造、化工等技術(shù)領(lǐng)域。電容式壓力傳感器是一種利用電容敏感元件將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成與之成一定關(guān)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(lái)說(shuō)，是使用最多的傳感器，它的市場(chǎng)占有量也不不可估量的，那么它的各項(xiàng)技術(shù)也得根據(jù)市場(chǎng)需要，進(jìn)行不斷的改進(jìn)和完善，以適應(yīng)各個(gè)領(lǐng)域越來(lái)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(xué)模型

1.1結(jié)構(gòu)介紹

電容式壓力傳感器主要由一個(gè)膜式動(dòng)電極和兩個(gè)在凹形玻璃上電鍍成的固定電極組成差動(dòng)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(cè)量膜片、灌充液組成，以測(cè)量膜片為中心線軸對(duì)稱，測(cè)量膜片與兩側(cè)的金屬模構(gòu)成一對(duì)相等的平行板電容。如圖1所示。

圖1 敏感元件結(jié)構(gòu)圖

1.2工作原理

當(dāng)被側(cè)壓力或壓力差作用于膜片并產(chǎn)生位移時(shí)，形成的兩個(gè)電容器的電量一個(gè)增大、一個(gè)減小。該電容值的變化經(jīng)測(cè)量電路轉(zhuǎn)換成與壓力差相對(duì)應(yīng)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(zhuǎn)換

如圖3所示，被測(cè)壓力通過(guò)高壓側(cè)隔離膜片，加到灌充液，液體流過(guò)瓷心孔進(jìn)入腔室，將壓力加到測(cè)量膜片上，膜片受力后發(fā)生位移，測(cè)量膜面與兩側(cè)構(gòu)成的電容值隨之變化，低壓側(cè)電容增加，高壓側(cè)電容減少。

圖3 平行板電容器

厚膜片位移與差壓轉(zhuǎn)換關(guān)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(cè)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(zhuǎn)換公式如下：

△d=·△P=K'△P （公式2）

差壓作用于室時(shí)，中心膜片的位移 與差壓成正比。

1.4位移—電容轉(zhuǎn)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(zhì)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(dāng)兩邊壓力相等時(shí)即PH=PL，初始電容量C=C=K

當(dāng)PH>PL，測(cè)量膜片位移為△d，此時(shí)低壓側(cè)的電容為C=K（d0-△d），高壓側(cè)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(jié)構(gòu)系數(shù)K1即可實(shí)現(xiàn)不同量程的測(cè)量，將位移量轉(zhuǎn)換成

的變化。

1.5電容比—電流的轉(zhuǎn)換

解調(diào)器將流過(guò)CL、CH的交流電流解調(diào)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(dāng)被測(cè)量X不隨時(shí)間變化，或隨時(shí)間的變化程度遠(yuǎn)緩慢與傳感器固有的最低階運(yùn)動(dòng)模式的變化程度時(shí)，傳感器的輸出量Y與輸入量X之間的函數(shù)關(guān)系。因?yàn)檫@時(shí)輸入量與輸出量都和時(shí)間無(wú)關(guān)，所以他們之間的關(guān)系即傳感器的靜態(tài)特性可用一個(gè)不含時(shí)間變量的代數(shù)方程，或以輸入量做橫坐標(biāo)把與其對(duì)應(yīng)的輸出量作縱坐標(biāo)而畫出的特性曲線來(lái)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(dòng)態(tài)特性

當(dāng)被測(cè)量X隨時(shí)間變化，而且隨時(shí)間的變化程度與傳感器固有的最低階運(yùn)動(dòng)模式的變化程度相比不是緩慢的變化程度時(shí)，傳感器的輸出量y與輸入量X之間的函數(shù)關(guān)系。

在實(shí)際工作中，傳感器的動(dòng)態(tài)特性常用它對(duì)某些標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)的響應(yīng)來(lái)表示。這是因?yàn)閭鞲衅鲗?duì)標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)的響應(yīng)容易用實(shí)驗(yàn)方法求得，并且它對(duì)標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)的響應(yīng)與它對(duì)任意輸入信號(hào)的響應(yīng)之間存在一定的關(guān)系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)有階躍信號(hào)和正弦信號(hào)兩種，所以傳感器的動(dòng)態(tài)特性也常用階躍響應(yīng)和頻率響應(yīng)來(lái)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(cè)對(duì)象而獲取信息，與被測(cè)對(duì)象同時(shí)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(shuō)它的抗干擾能力不過(guò)硬，那么在它的價(jià)值上，也是個(gè)相差很大的，因?yàn)榈膽?yīng)用范圍受了很大的限制，所以市場(chǎng)前景也是得不到擴(kuò)大的，提高抗體干擾性是不容忽視的問(wèn)題。

3.1溫度影響

由于電容式傳感器極間隙很小而對(duì)結(jié)構(gòu)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(dǎo)致極間隙較大的相對(duì)變化，從而產(chǎn)生很大的溫度誤差。為減小這種誤差，應(yīng)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(lái)又采用在陶瓷或石英上進(jìn)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(cè)試還可以通過(guò)改善敏感元件電容器的物理特性改變傳感器的尺寸進(jìn)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(nèi)部中心膜片上。從圖5可以看出傳感器內(nèi)部的壓力從中心向四周方向分布，X方向的應(yīng)力得到全部抵消，但是Y方向的應(yīng)力q全部加在傳感器的外殼上。由于結(jié)構(gòu)尺寸的原因，越靠近中心結(jié)構(gòu)越單薄，傳感器的抗壓能力越差，尤其是中心膜片處結(jié)構(gòu)強(qiáng)度最為薄弱。在高靜壓下，中心點(diǎn)處產(chǎn)生一個(gè)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(duì)工作靜壓為零時(shí)得到加強(qiáng)，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(duì)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(yīng)力和傳感器的個(gè)性相關(guān)，不具有規(guī)律性。通過(guò)提高制造加工精度來(lái)減小靜壓誤差。

圖5 應(yīng)力分布和擾度變化圖

3.3邊緣效應(yīng)的影響

邊緣效應(yīng)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(yīng)的影響，可以采用帶有保護(hù)環(huán)的結(jié)構(gòu)。保護(hù)環(huán)與定極板同心、電氣上絕緣且間隙越小越好，同時(shí)始終保持等電位，以保證中間各種區(qū)得到均勻的場(chǎng)強(qiáng)分布，從而克服邊緣效應(yīng)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(cè)量系統(tǒng)寄生參數(shù)的影響，主要是指?jìng)鞲衅麟娙輼O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(duì)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(cè)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(yīng)用于測(cè)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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