完整版电容式传感器课程设计方案.docx
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完整版电容式传感器课程设计方案
引言
硅压力传感器具有精度高、稳定性好等优点，在工业中广泛应用。
但是，
由于硅材料本身的限制，使其无法用于高温和腐蚀等特殊环境中。
而陶瓷电
容式压力传感器采用特殊陶瓷材料制作，具有抗腐蚀、耐高温等优点，弥补
了硅压力传感器的上述缺点，可用于高温、腐蚀等特殊环境下。
现今，国内
有大量的需求，但是还没有国内厂家能够生产。
因此，开发出一种实用的陶
瓷压力传感器具有非常重要的现实意义。
陶瓷压力传感器通常采用多电容结构，在陶瓷膜片上同时烧结两个电容，
一个作为参考电容，以消除温度对传感器输出的影响；另一个为测量电容，
其变化量与传感器所受压力的变化量近似成正比，通过检测变化量就能得到
传感器所受的压力。
沈阳大学课程设计-1-
1电容式传感器设计的目的与任务
1.1电容式传感器设计的目的
⑴巩固所学知识，加强对传感器原理的进一步理解；
⑵理论与实际相结合，“学以致用”；
⑶综合运用知识，培养独立设计能力；
⑷着重掌握典型传感器的设计要点，方法与一般过程；
⑸培养学生精密机械与测控电路的设计能力。
1.2电容式传感器设计的要求
⑴设计时必须从实际出发，综合考虑实用性、经济性、安全性、先进性
及操作维修方便。
如果可以用比较简单的方法实现要求，就不必过分强调先
进性。
并非是越先进越好。
同样，在安全性、方便性要求较高的地方，应不
惜多用一些元件或采用性能比较好的元件，不能单纯考虑简单、经济；
⑵独立完成作业。
设计时可以收集、参考传感器同类资料，但必须深入
理解，消化后再借鉴。
不能简单地抄袭；
⑶在课程设计中，要随时复习传感器的工作原理。
积极思考。
不能直接
向老师索要答案和图纸。
⑷设计传感器测头机械机构方案，绘制总装图（CAD为工具），编写传感
器设计说明书。
沈阳大学课程设计-2-
2传感器设计方案的选择
设计一台电容式传感器
设计要求如下：
⑴量程范围：
0～25Mpa
⑵工作电压5V
⑶相应时间<1ms
⑷稳定性<0.2%
⑸温度范围-40～125℃
⑹抗绝缘性>2KV
⑺相对误差1%
⑻张力S=100×106N/m
一种测量介质介电常数变化的电容式传感器结构如图。
设电容器极板面
积为S，间隙为a，当有一厚度为d，相对介电常数为r的固体介质通过极板
间隙，相当于电容串联，因此电容器的电容值为：
C
1
0S
d
d
ad
a
d
（2-1）
0S
0rS
r
沈阳大学课程设计-3-
（1）若改变固体介质的相对介电常数，则有电容量的相对变化为：
C
C
r
N2
1
r
r
1
N3（
）
r
r
N2[1N3
r
（N3
r）2（N3
r）3
]
r
r
r
r
其中N2
1
1r（ad）/d为灵敏度因子，随间隙比d/（a-d）
增大而增大。
N3
1
d/（a-d）增大而减小。
为非线性因子，随间隙比
1d/
r（ad）
⑵若传感器保持r不变，改变介质厚度，则可用于测量介质厚度变化，
此时
C
d
N4
1
C
d
d
1
N4
）
（
d
d
[1N4
d
（N4
d
2
]
N
4
）
d
d
d
其中，N4
r
1
为灵敏度因子和非线性因子。
1
r（a
，
d）/d
⑶
若被测介质充满两极板间，则
d=a，此时初始电容为
C0
r
0S
d
若r
r
r，则C
CCCr,即
Cr
C0
C
（r
r）0S
r
0S
d
C0
d
沈阳大学课程设计-4-
可见，
C
r0S
d
与r成线性关系。
测量液体介质介电常数的变化即属此情况，如测原油含水率。
沈阳大学课程设计-5-
3传感器机械设计各部分参数的确定
3.1平行板电容器介质厚度（极板间距离）的确定
它是由电场来决定的，即
Uw
（3-1）
Ew
式中δ——极板间距离（mm）
Ew——工作电场强度（Kv/mm）
Uw——工作电压（V）
对于直流，脉冲或功率不大的交流电容式传感器，应该首先根据介质的
瞬时耐压强度Eb，确定工作电场Ew，这是现根据下式确定电容的测试电场强
度Et，即
Ebcp
3KV
Et
0.75KV
（3-2）
k1
4
式中Ebcp——介质的平均瞬时耐压强度
k1——测试电场强度时的安全系数
对于介质厚和极板面积小的电容器选取k1≥2，当介质和面积较大时，选取k1=4，再根据下式确定Ew:
Ew
Et
0.75KV
k2
0.38KV/mm
（3-3）
2
式中
k2——测试场强安全系数，一般选k2=1.5—3
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将上述两式代入
Uw
得：
Ew
Uw
Uwk2
k1k2Uw
0.013mm
Ew
Et
Ebcp
3.2电容式传感器极板面积的确定
由C1
0A1可得：
A1
C1
2.9410
5
m
2
0
式中
C1——初始电容为
20
1012F
0——常数8.85
1012F/m
D
1
4A
0.006m
1
3.3电容式传感器极板半径的确定
dc
a
2
得：
由公式
p0.1%
c
8s
8s
1%
a
0.002m
p
式中s——张力s100106N/m
P——量程范围P=25Mpa
D22a
0.004m
A2
4D22
1.26105m2
求得实际
（3-4）
（3-5）
（3-6）
（3-7）
（3-8）
（3-9）
沈阳大学课程设计-7-
C
0
A2
9pF
（3-10）
2
3.4电极金属材料选择的原则
（1）电阻率小
（2）材料对介质的化学作用和化学老化和催化作用小
（3）价格低
（4）力学性能好，压延性好，柔韧，机械强度高
（5）导热系数和热容量大
（6）密度小
（7）容易焊接
（8）熔点和沸点适当
常用金属材料有银，铜，金，铝，青铜，铅等。
沈阳大学课程设计-8-
4电容式传感器结构的设计
电容式传感器的结构很简单，通常是由动极板和固定极板组成两极式或
三级式，极板可以由玻璃。
石英或者陶瓷上面镀以金属构成结构可以做的很
紧凑小巧，能接受很多的温度变化及辐射等恶劣条件同时也可以在很多液体
中使用。
4.1电容式传感器结构的设计原则
（1）在结构设计和确定几何尺寸时，应尽力提高传感器的电容量，因为这样可以降低它的灵敏度。
为了提高它的电容量，极板间的距离根据工艺和
结构设计条件尽可能的减小，某些传感器的间隙可小至10um-20um，在极其小的间隙下，很小的极距变化就足以引起极为显著的电容变化。
（2）因为极距很小，在结构设计时必须严防能够引起气隙锈蚀的潮气，尘土和蒸汽流入。
为防止极板间击穿可加入绝缘介质，绝缘介质应选用介电常数大的材料，以利于提高电容量值，因而提高了灵敏度。
（3）结构设计的重要问题之一是电极板的绝缘和固定，陶瓷绝缘材料具有很好的绝缘性能，它的表面电阻很大程度上和污染和湿度有关，所以在选择极板的固定方法时，需要预先考虑到怎样使表面绝缘电阻对全部漏电阻有最小影响，一般绝缘材料选用聚四氟乙烯。
（4）为了使极板间距离不随温度变化，必须选用具有相应线膨胀系数的
沈阳大学课程设计-9-
材料，以减小传感器的零点偏移。
（5）在确定电容的情况下，传感器的输出阻抗随电源频率的层高而降低，
所以极板电源电压的选择应不低于500v-1000v。
而绝大多数测量电路的工作
频率为105HZ107HZ
（6）传感器的容许的工作电压取决于极板的击穿电压，在额定电压下和极
板间距为0.1mm-1.0mm时，空气隙的击穿电压为2Kv/mm—3Kv/mm,对于大
多数电解质，在额定温度下，纯粹电气击穿电压为100Kv/mm—500Kv/mm,
结构中有电介质的传感器，容许工作电压和传感器的几何参数，热参数和电
气参数均有关，容许工作电压随频率的增高而降低，其值反比于。
（7）结构确定后，电容传感器的初始电容一般为20uF-100uF。
4.2电容式传感器的典型结构
4.2.1电容式压力传感器的结构
（1）单电容式压力传感器
图三所示为一种单电容式压力传感器的结构形式。
传感器内部安装的振荡线圈和传感器电容构成LC回路，采用调频测量电
路，当被压力作用在膜片上时，这种压力变化通过电容的变化而转为频率的
变化输出。
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图3一种单电容式传感器图4测量低电压的单电容式传感器
该传感器采用一种周边固支张紧式膜片，膜片可做的很薄，因此其灵敏
度很高，膜片可采用塑料镀金层的方法制成，由于采用球面形状做固定电极，
当传感器过载时，膜片的变形形态恰好使得膜片紧贴球面，因而能适应很高
的过载而不被破坏。
（2）单电容高压式传感器
图5所示为一种单电容高压式传感器
图5
它可测4ｘ108Pa的高压，传感器的动极板4采用带活塞的重建式膜片。
采用高活塞式为了减小膜片的直接受压面积，从而可使膜片厚度减薄，以提
高灵敏度。
利用重建式膜片结构可以使硬中心部分基本达到平移工作状态，
以改变传感器的线性。
固定极板表面用环氧树脂黏贴钛酸钡片，固定极板背
面根据等效动能原理黏贴加速度补偿惯性质量块。
传感器电极附有边缘效应
保护环，保护环与固定电极等电位，绝缘采用聚四氟乙烯。
测量电路采用运
算放大器是电路与传感器整体封装。
该传感器具有可测高压，固有频率高，
沈阳大学课程设计-11-
灵敏度高的特点。
同时采用了加速度及温度补偿措施，故可用于动态高压力
及具有高加速度的飞行体高压力的遥测。
4.3电容式传感器结构的稳定性设计
4.3.1温度对结构尺寸参数的影响及补偿措施
因为电容式传感器的结构主要由两个电极或三个电极组成，他们决定了
输出电容的大小，而传感器的电容为：
C
0
A
f（A,）|0
常数
f（0,A,）
（4-1）
而面积A
f（作用量，温度）及极距
f（作用量，温度）所以有
Cf（作用量，温度）f1
（作用量）
f2（温度）
其中：
f2（温度）函数是不希望存在的，特别是对间隙很小的变间隙式电
容传感器，所以在结构设计中要消除，下面以变间隙式传感器为例，讨论温度误差的影响及补偿措施。
图6电容式传感器的温度误差
设在t0时：
（1）间隙为0，
（2）固定极板的厚度为t1，（3）绝缘材料的厚
度为t2（4）膜片距绝缘底部之间的壳体长度为L,则图中几何尺寸有
沈阳大学课程设计-12-
0
L
t1t2
（4-2）
由于个零件的材料不同，因此具有不同的温度系数，当温度变化
t后，
间隙
0变为t
，则有
tL（1Lt）t1（1
t1t）
t2（1t2t）
式中L,t1,t2
一各零件材料的线膨胀系数
此时间隙变化量为
tt0（L1Lt1t2t2t2）t（4-3）
由于间隙变化而引起的电容相对变化，既传感器的温度误差为：
et
CtC0
t0
（t1t1t2t2
LL）
C0
0（LL
（4-4）
0
t2t2）t
补偿的目的是使误差et0，由上式可知必有
t1t1t2t2LL0
（4-5）
为了消除边缘效应的影响，在结构设计时，可以采用带有保护环的结
构，如图7
图7
保护环与固定极板同心，但电器上互相绝缘，而两者之间间隙越小越好。
同时始终要保持固定环极与保护环为等电位，以保证中间工作区式中活的均
匀的电场分布，从而克服了边缘效应，为了减小极板厚度，往往不用整块技
沈阳大学课程设计-13-
术材料做电极，而是用石英或陶瓷等非金属材料一层金属做电极.
结论
通过这次课程设计，我对传感器书本上的知识又复习了一遍，而且更重
要对电容式传感器的新的认识，获得了更多的经验。
我从中学会了如何去根
绝具体的数据进行查表，从而进行课程设计。
不仅学会知道团队精神的重要
性，更重要的是在这次的课程设计中，针对一些材料的选用，数据的算法等
方面与同组其他同学进行了交流与沟通，提高了自己的工作效率，不仅学术
方面有很大的提高，在言语沟通上也提高了不少。
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参考文献
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北京：
机械工业出版社，2008年：
35—55
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