任务一 电容式压力传感器

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1、任务一电容式压力传感器项目3电容式传感器任务一电容式压力传感器【学习目标】1、了解电容压力式传感器的工作原理2、了解电容压力式传感器结构类型。3、电容压力式传感器的应用实例（压差式电容传感器、电容式发动机进气歧管压力传感器）。3.1工作原理与结构类型3.1.1电容式传感器工作原理1.电容的定义：任何两个彼此绝缘且相隔很近的导体（包括导线）,构成一个电容器。电容（Capacitance）亦称作“电容量”，是指在给定电位差下的电荷储藏量，记为C，国际单位是法拉（F）。两块极板之间间隙、边面积以及介质发生变化，将使电容量改变，根据这一原理制成的传感器称为电

2、容式传感器。电容量与极板间隙、表面积以及不同介质之间的关系可用下式表示：式中：C——电容；ε——为极板间介质的介电常数；S——为两块极板相互覆盖的面积；d——为两极板间的距离；εr——为相对介电常数，ε0——为真空介电常数（ε0=1）。2.结构类型根据电容式传感元件工作原理，在实际应用中，一般分为三种类型：⑴变极距型电容式传感器（改变两极板间的距离）；⑵变面积型电容式传感器（移动极板，以改变极板间覆盖面积）；⑶变介质型电容式传感器（改变极板间的介质，以使介电常数发生变化）。3.1工作原理与结构类型3.1.2电容式传感器结构分类图3-1-1电容式传感元

3、件的各种结构形式3.1工作原理与结构类型3.1.2电容式传感器结构分类（1）变极距型电容传感器当传感器的和为常数，初始极距为时，其初始电容量为若电容器极板间距离由初始值缩小了Δd，电容量增大了ΔC，则有:图3-1-2变极距型电容结构3.1工作原理与结构类型3.1.2电容式传感器结构分类极板间如采用高介电常数的材料（云母、塑料膜等）作介质,如图3-1-3所示，此时电容C变为:εg——云母的相对介电常数，εg=7；ε0——空气的介电常数，ε0=1；d0——空气隙厚度；dg——云母片的厚度。图3-1-3放置云母片的电容器3.1工作原理与结构类型3.1

4、.2电容式传感器结构分类在实际应用中，为了提高灵敏度，改善非线性，克服温度漂移，电容式传感器常做成差动形式。差动式电容器传感器中间的动极板与上定极板组成电容器C1，与下定极板组成电容器C2。当动极板处于初始位置x=0处时，两电容的电容量均为C0。当动极板移动x距离后，C1与C2的几句都发生变化，此时两电容的差值为∆C=C1-C2以此作为输出。3.1工作原理与结构类型3.1.2电容式传感器工作原理由于电容传感器的电容量太小，需要通过测量电路对电容信号进行转换和放大，可获得电压或频率信号。如图3-1-3所示，利用运算放大器将电容量的变化转换为电压信号对外

5、输出。图3-1-3容式传感器与运算放大电路原理图3.1工作原理与结构类型3.1.2电容式传感器结构分类（2）变面积型电容式传感器变面积型电容传感器原理图见图3-1-4。被测量通过动极板移动引起两极板有效覆盖面积S改变，从而得到电容量的变化。当动极板相对于定极板沿长度方向平移Δx时，则电容变化量为:图3-1-4变面积型电容传感器原理图3.1工作原理与结构类型3.1.2电容式传感器结构分类电容式角位移传感器原理图见图3-1-5当动极板有一个角位移θ时，与定极板间的有效覆盖面积就发生改变，从而改变了两极板间的电容量。当θ=0时，则式中：εr——介质相对介

6、电常数；d0——两极板间距离；S0——两极板间初始覆盖面积图3-1-5电容式角位移传感器3.1工作原理与结构类型3.1.2电容式传感器结构分类（3）变介质型电容式传感器变介质型电容传感器有较多的结构形式，图3-1-7是一种常用的结构形式。图3-1-7中两平行电极固定不动，极距为，相对介电常数为的电介质以不同深度插入电容器中，从而改变两种介质的极板覆盖面积。传感器总电容量C为图3-1-7变介质型电容式传感器3.1工作原理与结构类型3.1.2电容式传感器结构分类电容式传感器一般可以用来测量声强、振动、液位、压力、气体含量、微小位移等物理或化学量。

7、特别是随着微电子技术的发展，电容传感原理得到了更为广泛的应用。压差式电容传感器3.1工作原理与结构类型3.1.3电容式压力传感器的应用实例图3-1-11电容式传感器结构与结构简图（a）（b）2．电容式发动机进气歧管压力传感器⑴绝对压力传感器结构3.1工作原理与结构类型3.1.3电容式压力传感器的应用实例图3-1-12压力与电容转换原理结构图3-1-13所示，是以电容性测量原理为基础在硅表面微机械加工的电容敏感元件结构。在硅隔膜间的真空容积构成电容电极，这意味着环境的压力变化会导致隔膜膜变形引起极板间电容发生变化，进而导致压力输出信号发生变化。3.1工

8、作原理与结构类型3.1.3电容式压力传感器的应用实例图3-1-13在硅表面加工出的电容式压力敏感元件作业电容