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电容式压力传感器的检测电路及仿真

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电容、电感的测量仿真实验

电容、电感的测量仿真实验

=1/2πfU=0.753/（2π ）=10nF
3、谐振法测量电容和电感：
=（T/2π）（T/2π） =1.103nF
4、电桥法测量电容：
+ =0.35+10=10.35nF
五、结论
实验表明，电容、电感作为在电路中起重要作用的电子元件，有多种方法可以达到测量目的，
测量结果与实际存在一定的误差，这是由于欧姆法有表前表后的测量误差问题。该方法同样适合测量电感。
图2
3、电容谐振法测量电路（图3）
谐振法测量电容和电感：如图3.操作过程如下：
1、连接电路，并设定L为已知值1mH
2、R1为阻尼电阻
3、启动仿真开关，合上开关J1再关闭，示波器上显示出LC阻尼振荡波形
利用公式测量电容为：
1、分压法测量电容和电感：电路如图1
正弦波信号源10V有效值，频率1kHz，Co为标准电容
Co和Cx所对应的Uo和Ux两个电压值不一定要相等，根据电容分压公式：
=
以上方法同样适合电感的测量。
图1
2、电容欧姆法测量电路（图2）
欧姆法测量电容和电感：电路如图2。R1起分压作用，要求不严格。
被测电容：
=1/2πfU
电容电阻电感的标法电容电感电感和电容的区别电容电感电路分析电感大小的测量电感与电容电容和电感电感测量电感怎么测量电感测量方法
、
电容、电感的测量仿真实验
一、实验题目：
电容、电感的测量仿真实验。
二、仿真电路：
（1）分压法原理电路
（2）欧姆法测量电路
（3）谐振法测量电路
（4）电桥法测量电路
三、仿真内容
1、分压法测电容、电感（图Hale Waihona Puke ）=（T/2π）（T/2π）
电容式传感器

电容式传感器


汽车气囊的保护作用
使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞 时，经控制系统使气囊迅速充气 。
汽车气囊对驾驶员的保护作用
电容式接近开关
齐平式
非齐平式
电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示
• 电容式接近开关的测量头通常是构成电容器的 电容式接近开关的测量头通常是构成电容器的 一个极板，而另一个极板是开关的外壳。 一个极板，而另一个极板是开关的外壳。这个 外壳在测量过程中通常是接地或与设备的机壳 相连接。 相连接。 • 当有物体移向接近开关时，不论它是否为导体， 当有物体移向接近开关时，不论它是否为导体， 由于它的接近， 由于它的接近，总要使电容的介电常数发生变 从而使电容量发生变化， 化，从而使电容量发生变化，使得和测量头相 连的电路状态也随之发生变化， 连的电路状态也随之发生变化，由此便可控制 开关的接通或断开。 开关的接通或断开。 • 这种接近开关检测的对象，不限于导体，可以 这种接近开关检测的对象，不限于导体， 是绝缘的液体或粉状物等。 是绝缘的液体或粉状物等。
电容测厚仪结构示意图 l一金属带材 2一电容极板 3一传动轮 4一轧辊
电容式转速传感器
• 电容式转速传感器的工作 原理： 原理： • 齿轮外沿面为电容器的动 极板． 极板 ． 当电容器 定极板与 齿 顶相对时， 电容量最大， 顶相对时 ， 电容量最大 ， 而与齿隙相对电容量最小。 而与齿隙相对电容量最小 。 当齿轮转动时， 当齿轮转动时 ， 电容量发 生周期性变化． 生周期性变化 ． 通过测量 电路转换为脉冲信号， 电路转换为脉冲信号 ， 设 频率计显示为f， 频率计显示为 ，则n=60f/z
电容式转速传感器的结构原理1电容式转速传感器的结构原理 一定极板： 电容式传感 齿轮 2一定极板：3-电容式传感 一定极板 器 4频率计 频率计
电容差压式压力传感器

电容差压式压力传感器

图3-4差压电容式变送器结构
差压传感器在使用时不允许在一侧仍保持很高的压力的情况下，将另一侧的压力降低至零，这将使原来用于测量微小差压的膜片破裂。所以在它的两侧最好安装一个保护用的均压阀。
3、MIK3051电容差压变送器的结构框图
图3-5电容差压变送器的结构框图
调频电路是将电容传感器作为LC振荡期谐振回路的一部分。当电容差压变送器工作时，电容Cx发生变化，就使振荡器的频率f产生相应的变化。由于振荡器的频率受电容传感器的调制，这样就实现了C/F的转换，其频率可由下式决定
(3-3)
式中L——振荡回路的固定电感；
C——振荡回路的总电容。
变送器的输出信号是一个受被测量控制的调频波，频率的变化在鉴频器中变换为电压幅度的变化，经过放大器放大、检波后输出电压，作为下一步A/D转换器的输入。限幅器的作用是对叠加在有用信号上的干扰电压进行“削峰”，提高抗干扰能力。
3.1.2压力传感器检测电路的设计
物理学中的“压强”在检测领域和工业中称为“压力”，用p表示。根据不同的测量条件，压力可分为绝对压力和相对压力。相对压力又分为差压和表压，相应地，测量压力的传感器也分为三大类：绝对压力传感器、差压传感器和表压传感器。此课题中，根据需要我们选用MIK3051电容式差压变送器。
h：待测液位；
h0：差压变送器的安装高度。
而施加在低压侧腔体内的压力p2仅为密闭容器上部空间的气体压力，所以p2=p0。施加在差压电容膜片上的压力之差为
Δp=p1-Байду номын сангаас2=ρg（h-h0）（3-2）
由式（3-2）可知，差压变送器的输出与液位成正比。
2、电容差压电路传感器工作原理
差压是指两个压力p1和p2之差，又称为压力差。当差压表两侧面均向大气敞开时，差压等于零。当压力表中的膜片左侧管道的压力大于右侧时，电容差压表内部的膜片将向管道的右侧弯曲；反之，膜片将向管道的左侧弯曲。膜片的弯曲方向由左右两侧的压力之差决定，而与大气压（环境压力）无关。
电容式压力传感器 comsol5.2a版本案例

电容式压力传感器 comsol5.2a版本案例

指定网格位移 1
1 在模型开发器的机电下，单击指定网格位移 1 。 2 在指定网格位移的设置窗口中找到指定网格位移选项，清除指定 z 位移复选
框。 此操作允许膜 （和网格）在 z 方向上移动。 将终端和接地特征添加到模型以应用模型静电部分的边界条件。
终端 1
1 在物理场工具栏单击边界 ，选择终端 。 2 仅选择边界 12。 3 在边界载荷的设置窗口中找到终端选项，从终端类型列表选择电压
|3
全局定义
参数
1 在主屏幕工具栏单击参数 。
2 在参数下的设置窗口中输入以下设置：
名称 p0 T0 Tref
表达式 20[kPa] 20[degC] 70[degC]
描述 压力 工作温度 芯片胶合温度
注：SI 单位或其倍数，例如 Pa、 kPa 等，甚至某些非 SI 单位，例如摄氏度， 能通过方括号和对应的字符串来输入至图形用户界面。有关受支持单位的详细 列表，请参见 COMSOL Multiphysics Reference Manual 中的 “Using Units” 部 分。
本例可以直接使用默认值 1V。
8|
接地 1
1 在物理场工具栏单击边界 ，选择接地 。
2 仅选择边界 9。
材料
压力传感器由硅片和封闭的腔体组成，在封装过程中粘合至圆柱形钢板上。 COMSOL 提供了一个有很多预设材料属性的材料库。本例中钢板使用预设材 料，硅则作为一个用户定义的材料建立，对本模型使用各向同性材料参数可以 直接对比 《Practical MEMS》中的结果。腔体也需要材料属性 （用来定义相对 介电常数），使用一个用户定义的材料来设置本区域的相对介电常数为 1。
2 在模型开发器中右键单击自由剖分四面体网格 1 ，选择禁用 。
压力传感器调理电路的设计

压力传感器调理电路的设计

资料范本本资料为word版本，可以直接编辑和打印，感谢您的下载压力传感器调理电路的设计地点：__________________时间：__________________说明：本资料适用于约定双方经过谈判，协商而共同承认，共同遵守的责任与义务，仅供参考，文档可直接下载或修改，不需要的部分可直接删除，使用时请详细阅读内容天津大学毕业设计（论文）题目：压力传感器信号调理电路的设计学院电气与自动化工程学院专业电气自动化技术学生姓名汪文腾学生学号 4009203024指导教师陈曦提交日期 2012年 6月 2日摘要随着微电子工业的迅速发展，压力传感器广泛的应用于我们的日常生活中，为了使同学们对压力传感器有较深入的理解。

经过综合的解析选择了由实际中的应用作为研究项目，本文通过介绍一种基于压力传感器实现的实际电路搭建的设计方法，该控制器以压力传感器为核心，通过具备运放来实现放大电路等功能。

另外，使用运放的压力传感器再实际电路搭建中被广泛应用。

通过对模型的设计可以非常好的延伸到具体的应用案例中。

关键词：压力传感器；运放；电路；目录TOC \o "1-3" \h \z \u HYPERLINK \l "_Toc326965022" 第一章绪论 PAGEREF _Toc326965022 \h 1HYPERLINK \l "_Toc326965023" 1.1器械基本组成及制作工艺PAGEREF _Toc326965023 \h 1HYPERLINK \l "_Toc326965024" 1.2压力传感器 PAGEREF_Toc326965024 \h 3HYPERLINK \l "_Toc326965025" 1.2.1压力传感器的原理 PAGEREF _Toc326965025 \h 3HYPERLINK \l "_Toc326965026" 1.3通过运放实现的放大电路的压力传感器 PAGEREF _Toc326965026 \h 4HYPERLINK \l "_Toc326965027" 1.3.1三运放差分放大电路 PAGEREF _Toc326965027 \h 4HYPERLINK \l "_Toc326965028" 1.3.2 UA741运放型号的介绍PAGEREF _Toc326965028 \h 5HYPERLINK \l "_Toc326965029" 1.3.3运算放大器在实际中的应用PAGEREF _Toc326965029 \h 5HYPERLINK \l "_Toc326965030" 第二章电路仿真 PAGEREF_Toc326965030 \h 6HYPERLINK \l "_Toc326965031" 2.1 EWB简介 PAGEREF_Toc326965031 \h 6HYPERLINK \l "_Toc326965032" 2.2 EWB5.0的基本功能 PAGEREF _Toc326965032 \h 6HYPERLINK \l "_Toc326965033" 2.2.1建立电路原理图方便快捷PAGEREF _Toc326965033 \h 6HYPERLINK \l "_Toc326965034" 2.2.2用虚拟仪器仪表测试电路性能参数及波形准确直观 PAGEREF _Toc326965034 \h 6HYPERLINK \l "_Toc326965035" 2.3实际电路的搭建流程 PAGEREF _Toc326965035 \h 7HYPERLINK \l "_Toc326965036" 2.4实际电路在EWB上的波形图PAGEREF _Toc326965036 \h 11HYPERLINK \l "_Toc326965037" 第三章实际电路的搭建 PAGEREF _Toc326965037 \h 21HYPERLINK \l "_Toc326965038" 3.1实际实验电路的搭建 PAGEREF _Toc326965038 \h 21HYPERLINK \l "_Toc326965039" 第四章误差分析 PAGEREF_Toc326965039 \h 24HYPERLINK \l "_Toc326965040" 4.1误差分析 PAGEREF_Toc326965040 \h 24HYPERLINK \l "_Toc326965041" 第五章总结与展望 PAGEREF _Toc326965041 \h 24HYPERLINK \l "_Toc326965042" 5.1总结 PAGEREF_Toc326965042 \h 24HYPERLINK \l "_Toc326965043" 5.2展望 PAGEREF_Toc326965043 \h 25HYPERLINK \l "_Toc326965044" 致谢 PAGEREF_Toc326965044 \h 26HYPERLINK \l "_Toc326965045" 参考文献 PAGEREF_Toc326965045 \h 27第一章绪论传感器是将各种非电量(包括物理量、化学量、生物量等)按一定规律转换成便于处理和传输的另一种物理量(一般为电量)的装置。

传感器与检测技术-第4章 电容式传感器

传感器与检测技术-第4章 电容式传感器


4.1 电容式传感器的工作原理和类型
平板电容器是由金属极板及板间电介质构成的。若忽略边缘效应，其 电容量为
改变电容器电容C的方法： 一是为改变介质的介电常数ε； 二是改变形成电容的有效面积S； 三是改变两个极板间的距离d。
电容式传感器基本类型
通过改变电容得到电参数的输出为电容值的增量ΔC，从
• 4.2.1 电容式传感器的等效电路
• 在低频时，传感器电容的阻抗非常大，因此L和r的影响可以忽略。
• 其等效电路可简化为图 b，其中等效电容Ce＝C0 + CP，等效电阻Re≈Rg。 • 在高频时，传感器电容的阻抗就变小了，因此L和r的影响不可忽略，而漏电
阻的影响可以忽略。
• 其等效电路可简化为图c，其中等效电容Ce＝C0+CP，而等效电阻re ≈ rg。
• 在实际应用中，为了提高测量精度，减动极板与定极板之间 的相对面积变化而引起的测量误差，大都采用差动式结构。
• 3．变介电常数型电容传感器
• 变介电常数式电容传感器的极距、有效作用面积不变，被测量 的变化使其极板之间的介质情况发生变化。
• 传感器的总电容量C为两个电容C1和C2的并联结果，即
若传感器的极板为两同心圆筒，传感器的总电容C等于上、下部分电容C1 和C2的并联，即
2．变面积型电容传感器
与变极距型相比，它们的测量范围大。可测较大的线位移或角位移。 平板型电容传感器两极板间的电容量为
• 可见，变面积型电容传感器的输出特性是线性的，适合测量较 大的位移
• 增大极板长度b，减小间距d，可使灵敏度提高
• 极板宽度a的大小不影响灵敏度，但也不能太小，否则边缘影 响增大，非线性将增大。
而完成由被测量到电容量变化的转换。
电容式压力传感器工作原理图

电容式压力传感器工作原理图

电容式压力传感器工作原理图电容式压力传感器原理工作原理
在石油、钢铁、电力、化学等生产工艺过程中压为是非常重要的参数。

此外，在机械制造技术方面，从小批量生产到连续程序控制．从小规模的设备到大规模的成套设备和不断发展的多功能的成套设备．都需要大量的压力传感器。

为厂使这些复杂化、大规模化的成套设备能安全运转，对压力传感器的可靠性和稳定性的要求也越来越高．
下面就性能良好，可靠性高的静电容式的传感器加以叙述，如下图。

测量压力有表压力及绝对压力测量二种方式。

表压测量采用以大气压为基准测容器内压力的方法。

绝对压力的测量是采用以绝对真空为基准而测容器内压力的方法。

二者的基本原理相同，所不同的是表压传感器将低压例制成对照大气开口的结构；而绝对压力测量则把低压设在真空室的结构．对高压和低压两例的接触溶液膜加压后，通过密封液加到感压膜上，感压膜(可变电极)接着高压侧和低压侧的压力差成正比地改变位置，感压膜的位移，使膜与两侧固定电极之间形成路电容运差，这个静电容放差位经电路转换、放大后就变成4-20mADc的输出信号。

该传感器的特点：
1、具有能实现高可可靠性的简单盒状结构；
2、具有0.2%、50度的高温特性；
3、小型轻量和耐振性强
4、测量范围宽．
5、温度范围宽
6、内有指示针。

传感器原理及应用第四章 电容式传感器

传感器原理及应用第四章 电容式传感器


11
电容式油量表
电容 传感器
油箱
液 位 传 感 器
12
同轴连接器 刻度盘
伺服电动机
电容式压差传感器
外
结
形
构
应Leabharlann 用1-硅油 2-隔离膜 3-焊接 密封圈 4-测量膜片（动电
测 量 液
极） 5-固定电极
位
13
电容式加速度传感器
结构 1-定极板 2-质量块 3-绝缘体 4-弹簧片
钻地导弹
14
轿车安全气囊
ΔC U0 C0 U
差动脉冲调宽测量转换电路
初始时，C1＝C2，输出电压平均值为零。 测量时， C1≠C2 ，输出电压Uo与电容的
差值成正比。
7
差动脉冲调宽测量转换电路
与电桥电路相比，差动脉宽电路只采用 直流电源，不需要振荡器，只要配一个 低通滤波器就能工作，对矩形波波形质 量要求不高，线性较好，不过对直流电 源的电压稳定度要求较高。
16
指纹识 别手机
汽车防盗 指纹识别
趣味小制作－电容式接近开关
电阻 电容 三极管 二极管 电感 继电器 电极片 电源 开关、导线。
17
制作提示
为了较好地演示制作好的电路，将继电 器触点（虚线所连的触点）所在的控制 电路接上，为了直观，控制对象可选择 灯或喇叭。 接近开关的检测物体，并不限于金属导 体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。 制作时要考虑环境温度、电场边缘效应 及寄生电容等不利因素的存在。
8
运算放大器式测量转换电路
输出电压
Uo
C Cx
Ui
如果传感器为平板形
电容器，则
Uo
CU i
A
d
此电路能解决变极距型电容式传感器的
电容传感器测量位移电路仿真设计及原理

电容传感器测量位移电路仿真设计及原理

摘要传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。

电容式传感器就是把被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化的传感器。

它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。

其最常用的形式是由两个平行电极组成、极间以空气为介质的电容器。

本文设计介绍了一种电容式传感器测量位移的设计结构及其工作原理。

关键字：电容式传感器，平行电极，位移目录摘要。

1 引言。

3 传感器转换电路仿真调试及原理分析。

3 1．同相比例放大电路2.二阶低通滤波器电路电容式传感器测量电路设计及分析。

5 误差分析。

8 学习心得。

8参考文献资料。

9引言传感器是科学仪器、自动控制系统中信息获取的首要环节和关键技术，是先进国家优先发展的重要基础性技术。

传感器与通信技术和计算机技术构成了信息技术的三大支柱。

传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。

随着现代科学技术的迅猛发展，非电物理量的测量与控制技术已越来越广泛地应用于航天、交通运输、机械制造、自动检测与计量等技术领域，而且也正在逐步引入人们的日常生活中。

70年代末以来，随着集成电路技术的发展,出现了与微型测量仪表封装在一起的电容式传感器。

这种新型的传感器能使分布电容的影响大为减小，使其固有的缺点得到克服。

电容式传感器是一种用途极广，很有发展潜力的传感器。

典型的电容式传感器由上下电极、绝缘体和衬底构成。

当薄膜受压力作用时，薄膜会发生一定的变形，因此，上下电极之间的距离发生一定的变化，从而使电容发生变化。

但电容式压力传感器的电容与上下电极之间的距离的关系是非线性关系，因此，要用具有补偿功能的测量电路对输出电容进行非线性补偿。

传感器转换电路仿真调试及原理分析1．同相比例放大电路同相输入放大电路如图1所示，信号电压通过电阻RS加到运放的同相输入端，输出电压vo通过电阻R1和Rf反馈到运放的反相输入端，构成电压串联负反馈放大电路。

根据虚短、虚断的概念有vN=vP=vS，i1=if于是求得所以该电路实现同相比例运算。

电容压力传感器液位测量系统设计

电容压力传感器液位测量系统设计

基于电容压力传感器的液位测量系统设计姓名:张宜静班级：电气自动化二摘要：电容式压力传感器是以各种类型的电容器作为敏感元件，将被测压力的变化转换为电容量变化的一种传感器，具有结构简单、高分辨率、可非接触测量，并能在高温、辐射和强烈震动等恶劣条件下工作的独特优点。

随着集成电路技术和计算机技术的发展，促使它扬长避短，成为一种很有发展前途的传感器。

一种测量水位用的电容式传感装置。

电容式传感体将电信号输入线性电容检测电路，促使其方波发生电路与单稳态电路输出脉冲送入与门电路进行复合，从而使与门输出的脉宽变化线性地反映传感体浸入水中后增加的所测量可变电容的变化。

而线性修正电路则弥补检测电路输出所造成的非线性误差。

本实用新型线性好，性能指标优良，线路简便。

关键词：传感器、压力、电容、测量引言：传感器的研究始于二十世纪三十年代，它是研究非电量信息与电量间转换的一门跨学科边缘技术科学。

早期传感器是模拟式传感器，现在常称为传统传感器。

随着高性能计算机测控系统的发展，当系统对传感器提出数字化、智能化要求后，传统传感器不再与系统向适应。

控制系统要求传感器输出数字信号，并具备较强的信息处理和自我管理能力，以实现信息的采集与信息的预处理，减轻控制计算机的数据处理负担和提高整个测控系统的可靠性。

电容传感器的基本理想公式为：改变A 、d 、ε 三个参量中的任意一个量，均可使平板电容的电容量C 改变，固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的电容传感器。

1 液位电容式传感器测量原理：导电液体电容式传感器主要利用传感器两电极的覆盖面积随被测液体液位的变化而变化，从而引起电容量变化的关系进行液位测量。

图1为传感器部分结构原理图：2 液位测量系统设计：该系统是由数据测量电路和单片机检测监控系统两个部分组成。

首先，被测电路由电容式传感器与二极管环形桥路组成，如图2所示0 r A A C d dεεε==图1当液体处在圆柱形电极与圆柱形容器之间，由于液面高度不同，引起介电常数变化，导致电容量的变化。

电容式压力传感器的检测电路及仿真

电容式压力传感器的检测电路及仿真

本科论文电容式压力传感器的检测电路及仿真摘要本文详细的描述了电容式压力传感器的结构，工作原理，特性，发展现状和趋势等。

并且在此基础上提出了电容式压力传感器的检测电路及其仿真方法，详细的分析了压力大小与电路输出电压之间的关系。

关键词：传感器，工作原理，特性，检测电路，发展I本科论文目录摘要 (I)1 绪论 (3)2 压力传感器的结构 (3)3 压力传感器的工作原理 (3)4 电容式压力传感器 (5)4.1 电容式传感器的原理及其分类 (5)4.1.1 电容式传感器的原理 (5)4.1.2 电容式传感器的分类 (6)4.2 电容式压力传感器的工作原理 (7)4.3 电容式压力传感器的特性 (7)4.4 电容式压力传感器的等效电路 (8)5 电容式压力传感器的检测电路 (9)5.1 检测电路 (9)5.2 结果分析 (11)5.3 影响电容传感器精度的因素及提高精度的措施 (12)5.3.1 边缘效应的影响 (12)5.3.2 寄生电容的影响 (12)5.3.3 温度影响 (12)6 电容式压力传感器的应用 (13)7 电容式压力传感器的发展 (13)8 结论 (14)致谢 (16)参考文献 (17)II本科论文1 绪论科学技术的不断发展极大地丰富了压力测量产品的种类，现在，压力传感器的敏感原理不仅有电容式、压阻式、金属应变式、霍尔式、振筒式等等但仍以电容式、压阻式和金属应变式传感器最为多见。

金属应变式压力传感器是一种历史较长的压力传感器，但由于它存在迟滞、蠕变及温度性能差等缺点，其应用场合受到了很大的限制。

压阻式传感器是利用半导体压阻效应制造的一种新型的传感器，它具有制造方便，成本低廉等特点，因此在非电物理量的测试、控制中得到了广泛的应用。

尤其是在航天、航空、常规武器、船舶、交通运输、冶金、机械制造、化工、轻工、生物医学工程、自动测量与计量、称量等技术领域。

电容式压力传感器是应用最广泛的一种压力传感器。

电容应变式压力传感器原理及检测电路设计

2002 年 3 月 20 日
+ …
π r2 / d . 式中 C0 为初始值 , 即 C0 =ε 当压力减少时 , 膜片向下变形 , 间隙为 d +
W ( r) , 则 C =
故加到电桥上的工作电压 U L 为
・ ・ ・
UL = Ue - UO =
1 +
CR ・ Ue CS
( 6)
∫d + W ( r)
0
r0
ε πrd r 2
1 压力传感器的原理
压力传感器的结构如图 1 所示 。固定电极 的半径为 r0 , 厚度为 h 的膜片组成可动电极 , 固定电极与可动电极间距离为 d , 用绝缘体将 可动电极固定 。在流体压力 p 的作用下 , 膜片
量 。在 r = 0 处 , 挠度最大 , 为 3 1 - μ2 4 W max = p 3 r0 16 Eh 由于膜片弯曲 , 改变了可动电极与固定电 极之间的距离 , 任意 r 处 , 当压力增加时 , 两极 板之间的距离为 d - W ( r ) , 故在 r 处取宽度 π r 的窄圆环 , 其电容为 [ 4 ] 为 d r , 周长为 2 ε ε πr d r A 2 dC = = d′ d - W ( r) r0 r0 ε πr d r 2 C = dC = = ( )
图1 压力传感器结构
弯曲变形 ,则在 r 处的挠度为 [ 1～3 ] 3 1 - μ2 2 2 2 W ( r) = p 3 ( r0 - r ) 16 Eh 式中 :μ 为弹性元件材料的泊松比 , E 为杨氏模
∫ ∫d - W r ε πr d r 2 ∫d - 3 p 1 - μ ( r 0 0
・
可见 , 电容相对变化量与被测压力 p 成正比 。

基于CAV424的电容式压力传感器测量电路设计


ｅ ｏ ｅ ｓ ｔ ｎ Ｔ ｅ ｅ ｐ ｒｍｅ ｔ ｓ ｌ ｈ ｗ ａ ｅ ｅｅ ｔｉａ ｉ ｕ ｔ ａ ｄ ｔ ｅ ｒ ｔ ａ ｎ ｙ ｉ ｈ ｖ ｏ ｄ ｃ ｎ ｉ ｅ ｃ ． ｒ ａ ｃ ｍｐ ｎ ａｉ ． ｈ ｘ ｅｉ ｎ ｕｔ ｓ ｏ ｔ ｔ ｌｃ ｃ ｌｃｒ ｉｓ ｎ ｈ ｏ ｅｉｌ ａ ａ ｓｓ ａ ｅ ｇ ｏ ｏ ｓｓ ｎ ｙ ｏ ｅ ｒ ｓ ｈ ｔ ｈ ｒ ｃ ｃ ｌ ｔ
关 键 词 ： 动 电容 ； Ａ ４ ４ 测 量 电路 差 Ｃ Ｖ２；
中图分类号 ：Ｐ １． Ｔ ２２ ９
文献标 识码 ： Ａ
文章 编号 ：０ ２—１４ （ ０ １ ０ ０ ０ —０ １０ ８ １ ２ １ ） ５— ０ １ ２
Ｍ ｅ ｓ ｒｎ ｒ ｕ ｔｏ ｐ ｃｔｖ ｐ ｅ ｓ ｒ ａ ｓ ｕ ｅ ｓ ｄ ｏ ａ ｕ ｉ ｇ Ｃｉｃ ｉ ｆ Ｃａ ａ ｉｉ ｅ Ｔｙ ｅ Ｐｒ ｓ ｕ ｅ Ｔｒ ｎ ｄ ｃ ｒ Ｂａ ｅ ｎ ＣＡＶ４ ４ ２
２１ ０ １年
仪 表 技 术 与 传 感 器
Ｉ ｓ ｕ ｎ Ｔ ｃ ｎ ｑ ｅ ａ ｄ Ｓ ｎ ｏ ｎ ｔ ｍｅ ｔ ｒ ｅ ｈ ｉｕ ｎ ｅ ｓ ｒ
２期
基于 Ｃ Ｖ２ Ａ ４ ４的 电容 式压 力传 感 器 测量 电路 设计
庞 士信 ， ，王 － 超
Ｐ ＡＮＧ Ｓ ｉ ｉ － Ｗ ＡＮＧ Ｃ ａ 。 ｈ — ｎ ．． ｘ ｈ ｏ ‘
（ ． ｈｎ ａ ｇＵ ｉｅｓ ｙｏ ｅｈ ｏｏｙ Ｓ ｅ ｙ ｎ １８ ０ Ｃ ｉａ １ Ｓ ｅｙ ｎ ｎｖ ｒｉ ｆ ｃｎ ｌｇ ，ｈ ｎ ａ ｇ１ ０７ ， ｈｎ ； ｔ Ｔ ２ Ｓ ｅ ｙｎ ｃ ｄｍｙｏ ｓ ｕ ｎａｉｎＳ ｉｎｅ Ｓ ｅｙ ｎ １０ ３ Ｃ ｉａ ． ｈ ｎ ａ ｇＡ ａ ｅ ｆＩ ｔ ｍｅ ｔｔ ｃｅｃ ，ｈ ｎ ａ ｇ１０ ４ ， ｈｎ ） ｎｒ ｏ

力、压力传感器 电容式传感器 电容式传感器的测量电路


根据电桥的输出特点，当电桥的 四个桥臂阻抗相等时，电桥输出灵 敏度最大。
U0
Z1Z3 (Z1 Z2
)(
Z2 Z3
Z4 Z
4
)
U
i
1. 桥式测量电路
对于图所示的单臂电桥，设初始状态下
Z1 Z2 Z3 Z4 Z0
U0 0
当检测电容Cx发生变化时，电桥失去平衡 Z1 Z0 Z
Z0
1 jC0
3.3.2 电容式传感器的测量电路
电容式传感器把被测物理量转换为电容变化后,还要经测量转换电路 将电容量转换成电压或电流信号，以便记录、传输、显示、控制等。
常见的电容式传感器测量转换电路有桥式电路、调频电路、运算放 大器电路等。
1. 桥式测量电路
将电容传感器接在电桥的一个桥 臂或两个桥臂，其他桥臂可以是电 阻、电容或电感，就可以构成单臂 电桥或双臂电桥，如图所示。
Z1
1 j(C0 C)
根据
U0
(
Z1Z3 Z1 Z2
Z2 )(Z3
Z4 Z
4
)
Ui
电桥输出为
U0
1 4
C C0
Ui
双臂电桥
当桥臂电容 Cx1 、Cx2 发生变化时，Cx1 Cx2 C
1 Z1 j(C0 C)
1 Z2 j(C 2
C C0
U
i
电桥的输出与电容的相对 变化量成正比，且双臂电桥 输出是单臂电桥的两倍
是固定电容，Cx 是传感器电容，由运算放大
器的工作原理可得：
U0
Zx Z0
U
i=
C0 Cx
U
i
对于平板式电容器来说
Cx
A
dx
UO

电容传感器的测量电路


特点：①高频交流正弦波供电； ②电桥输出调幅波，要求其电源电压波 动极小，需采用稳幅、稳频等措施； ③通常处于不平衡工作状态，所以传感 器必须工作在平衡位置附近，否则电桥非线性 增大，且在要求精度高的场合应采用自动平衡 电桥； ④输出阻抗很高(几MΩ 至几十MΩ )，输 出电压低，必须后接高输入阻抗、高放大倍数 的处理电路。
U1 T2 R2C2 ln U1 U r
C1 C2 U0 U1 C1 C2
设R1＝R2＝R，则
因此，输出的直流电压与传感器两电容差值成正比。
设电容C1和C2的极间距离和面积分别为d1、d2 和A1、A2，将平行板电容公式代入上式，对差动 式变极距型和变面积型电容式传感器可得
d 2 d1 A1 A2 U0 U1；U 0 U1 d1 d 2 A2 A1
f0 一 般 应 选 在 此 MHz 以 上 。 当 传 感 工 作 时 ， △ d≠0，则△ C≠0，振荡频率也相应改变△ f ，
则有
1 f 0 f 2 L(C1 C0 C2 C)
二、运算放大器式测量电路
电容式传感器跨接在 高增益运算放大器的输入 端与输出端之间。运算放 大器的输入阻抗很高，因 此可认为它是一个理想运 算放大器，其输出电压为 Ci +
uA U1 0
uA U1 0 t t
uB U1
0 uAB U1 0 -U1 U F T1 Ur 0 UG Ur 0 (a)
uB U1
0 uAB U1 0 -U1 UF Ur 0 UG Ur 0 (b) T1
t
t U0 t
t
t
T2 t
T2
t
t
差动脉冲调宽电路各点电压波形图
UAB经低通滤波后，得到直流电压U0为

一种差动电容传感器转换电路的设计与仿真

与其他类型的传感器相比，电容式 传感器具有结构简单，非接触式测量容 易，动态响应快等优点（张瑞，梁庭， 熊继军，等.小量程MEMS电容式压力 传感器的研究与发展：电子技术应用， 2015）。广泛用于力/压力，加速度，位 移，湿度和其他测量。与非差分电容传 感器相比，差分电容传感器的灵敏度增 加了一倍（彭益武，李国辉.电容式传感 器的设计方法探讨：芜湖职业技术学院 学报，2013），线性度变得更好。本研 究正是在这样的背景下，充分借鉴前人 研究成果的基础上，设计并仿真一套适 合差动电容传感器的转换电路，适用于 微位移测量，对被测量引起的微弱电容 变化反应准确。
ELECTRONICS WORLD・技术交流
一
种
差
动
电
容
传
感
器
转
换
电
路
枣的
庄设
科 技 职
计 与
业仿
学 院
真
朱
伟
• 140 •
设计一种差动电容式位移测量传 感器转换电路，主要对差动电容的检测 模型以及差动容量检测电路进行仿真研 究。转换电路设计主要包括正弦信号发 生电路，二极管环形检波电桥，差分放 大电路，二阶有源低通滤波电路和缓冲 零点调整电路。最后，利用Multisim14 软件对设计的电路进行了仿真，并对实 验数据进行了分析。最终结果证明设计 电路仿真可行，数据可靠，测量范围内 具有良好的线性度。
(4)
设计放大倍数为100，选定Ri=1KΩ可计算出如下参数： R1=100KΩ，R3=100KΩ，R1=1KΩ，R1=1KΩ。 2.4 二阶有源低通滤波电路 经过二极管桥路检波后的直流差动信号经过放大处理后，叠 加的交流信号也被放大，实际波形是图5中的波形4，为脉动直流信 号。为了获得更好的幅频特性，这里使用二阶有源低通滤波器，典 型传递函数为（索雪松，纪建伟.传感器与信号处理电路：中国水

电容式传感器的测量电路调频电路

电容栅式传感器可采用调幅或调相式测量电 路，以得到调幅或调相信号。
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附：电容式接近开关
1—检测极板 2—充填树脂 3—测量转换电路 4—塑料外壳 5—灵敏度调节电位器 6—工作指示灯 7—信号电缆
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工作过程（1）
❖ 检测极板设置在接近开关的最前端，测量转换电路 安装在接近开关壳体内，用介质损耗很小的环氧树 脂填充、灌封。当没有物体靠近检测极时，检测板 与大地间的电容量C非常小，它与电感L构成高品质 因数（Q）的LC振荡电路，Q=1（ωCR）。当被检 测物体为地电位的导电体（如与大地有很大分布电 容的人体、液体等）时，检测极板对地电容C增大， LC振荡电路的Q值将下降，导致振荡器停振。
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电容式接近开关
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放松一下！
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❖ 常用电路有:电桥电路、运算放大器测量 电路、脉冲调制电路、调频电路。
❖ 1.电桥电路
当电容传感器处于初始位
置时，电桥平衡，电桥输出电
压 • ；当被测量的变
U0 0
化引起电容传感器的电容发生
变化时，电桥失去平衡，电桥
有电压输出，即 •
。
U0 0
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4.2电容式传感器的测量电路
谐振电路的灵敏度较高，但工作点不易选择，变化范围较窄。
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4.2电容式传感器的测量电路
❖ 6.脉冲宽度调制电路
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4.3 电容式传感器的误差及制作要求
❖ 4.3.1 电容式传感器的误差因素
❖ 1.温度的影响 ❖ 3.寄生电容的影响 ❖ 2.漏电阻的影响
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图3电容式传感器的等效电路
由等效电路可知，它有一个谐振频率，通常为几十兆赫。当工作频率等于或接近谐振频率时，谐振频率破坏了电容的正常作用。因此，工作频率应该选择低于谐振频率，否则电容传感器不能正常工作。
传感元件的有效电容Ce可由下式求得(为了计算方便，忽略Rs和Rp):
（14）
在这种情况下，电容的实际相对变化量为：
2差动电容式压力传感器
它的受压膜片电极位于两个固定电极之间，构成两个电容器（图2）。在压力的作用下一个电容器的容量增大而另一个则相应减小，测量结果由差动式电路输出。它的固定电极是在凹曲的玻璃表面上镀金属层而制成。过载时膜片受到凹面的保护而不致破裂。差动电容式压力传感器比单电容式的灵敏度高、线性度好，但加工较困难（特别是难以保证对称性），而且不能实现对被测气体或液体的隔离，因此不宜于工作在有腐蚀性或杂质的流体中。
（15）
式(15)表明电容式传感器的实际相对变化量与传感器的固有电感L的角频率ω有关。因此，在实际应用时必须与标定的条件相同。
5
5.1
传感器的测量电路如图4所示。
1)电桥的工作电压UL
由电路可知，反相比例放大器的输入电压为Ue，故其输出电压Uo为[
（16）
故加到电桥上的工作电压UL为：
（17）
图4检测电路
5.3.2
电容式传感器测量系统寄生参数的影响，主要是指传感器电容极板并联的寄生电容的影响。由于电容传感器电容量很小，寄生电容就要相对大得多，往往使传感器不能正常使用。消除和减小寄生电容影响的方法可归纳为以下几种：
1．缩小传感器至测量线路前置极的距离
将集成电流的发展、超小型电容器应用于测量电路。可使得部分部件与传感器做成一体，这既减小了寄生电容值，又使寄生电容值也固定不变了。
4.1.2
电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介电常数型三种。图2所示为常用电容器的结构形式。图(b)、(c)、(d)、(f)、(g)和(h)为变面积型，图(a)和(e)为变极距型，而图(i)～(l)则为变介电常数型。
图2电容式传感元件的各种结构形式
那么什么是电容式压力传感器呢？电容式压力传感器（capacitive type pressure transducer）利用电容敏感元件将被测压力转换成与之成一定关系的电量输出的压力传感器。它一般采用圆形金属薄膜或镀金属薄膜作为电容器的一个电极，当薄膜感受压力而变形时，薄膜与固定电极之间形成的电容量发生变化，通过测量电路即可输出与电压成一定关系的电信号。电容式压力传感器属于极距变化型电容式传感器，可分为单电容式压力传感器和差动电容式压力传感器。
电容式传感器不但应用于位移、振动、角度、加速度、荷重等机械量的测量，也广泛应用于压力、差压力、液压、料位、成分含量等热工参数测量。
电容式压力传感器实质上是位移传感器，它利用弹性膜片在压力下变形所产生的位移来改变传感器的电容（此时膜片作为电容器的一个电极）。广泛应用于航空石油化工冶金锅炉等高温环境下的压力测试还可以通过改善敏感元件电容器的物理特性改变传感器的尺寸进一步提高传感器的工作范围灵敏度等。
4.2
膜片上有两个电极，工作电极为圆形，参考电极为环形，工作电极与公共电极组成敏感电容CS，参考电极与公共电极组成参考电容CR。被测压力通过导管均匀作用在膜片上，引起膜片变形，从而引起敏感电容CS变化。CR变化很小，在此忽略。CS由(3)式得
若d m Wmax，则由(4)式得
（6）
4.3
由
（7）
可知电容的相对变化量为：
2．驱动电缆法
这实际上是一种等电位屏蔽法。其原理电路图如图所示。这种接线法使传输电缆的芯线与内层屏蔽等电位，消除了芯线对内层屏蔽的容性漏电，从而消除了寄生电容的影响，而内外屏蔽之间的电容变成了电缆驱动放大器的负载。因此驱动放大器是一种输入很高、具有容性负载、放大倍数为1的同相放大器。
3．整体屏蔽法
所谓整体屏蔽法，是将整个桥体（包括供电电源及传输电缆在内）用一个统一屏蔽保护起来，公用极板与屏蔽之间（也就是公用极板对地）的寄生电容C1只影响灵敏度，另外两个寄生电容C3、C4在一定程度上影响电桥的初始平衡及总体灵敏度，但不妨碍电桥的正确工作。因此寄生电容对传感器的电容的影响基本上得到了排除。
图5实验结果曲线
5.3
5.3.1
边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低，而且产生非线性。为了消除边缘效应的影响，可以采用带有保护环的结构。保护环与定极板同心、电气上绝缘且间隙越小越好，同时始终保持等电位，以保证中间各种区得到均匀的场强分布，从而克服边缘效应影响。为减小极板厚度，往往不用整块金属板做极板，而用石英或陶瓷等非金属材料，蒸涂一层金属膜作为极板。
电容式压力传感器的检测电路及仿真
摘
本文详细的描述了电容式压力传感器的结构，工作原理，特性，发展现状和趋势等。并且在此基础上提出了电容式压力传感器的检测电路及其仿真方法，详细的分析了压力大小与电路输出电压之间的关系。
关键词：传感器，工作原理，特性，检测电路，发展
1
科学技术的不断发展极大地丰富了压力测量产品的种类，现在，压力传感器的敏感原理不仅有电容式、压阻式、金属应变式、霍尔式、振筒式等等但仍以电容式、压阻式和金属应变式传感器最为多见。金属应变式压力传感器是一种历史较长的压力传感器，但由于它存在迟滞、蠕变及温度性能差等缺点，其应用场合受到了很大的限制。压阻式传感器是利用半导体压阻效应制造的一种新型的传感器，它具有制造方便，成本低廉等特点，因此在非电物理量的测试、控制中得到了广泛的应用。尤其是在航天、航空、常规武器、船舶、交通运输、冶金、机械制造、化工、轻工、生物医学工程、自动测量与计量、称量等技术领域。电容式压力传感器是应用最广泛的一种压力传感器。
5.3.3
1．对结构尺寸的影响
由于电容式传感器极间隙很小而对结构尺寸的变化特别敏感。在传感器各零件材料线性膨胀系数不匹配的情况下，温度变化将导致极间隙较大的相对变化，从而产生很大的温度误差。为减小这种误差，应尽量选取温度系数小和温度系数稳定的材料，如电极的支架选用陶瓷材料，电极材料选用铁镍合金。近年来又采用在陶瓷或石英上进行喷镀金或银的工艺。
金属应变式压力传感器是一种历史较长的压力传感器，但由于它存在迟滞、蠕变及温度性能差等缺点，其应用场合受到了很大的限制。
压阻式传感器是利用半导体压阻效应制造的一种新型的传感器，它具有制造方便，成本低廉等特点。
电容式传感器是将被测量的变化转换成电容量变化的一种装置，实质上就是一个具有可变参数的电容器。由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为
2
压力传感器的结构如图1所示。固定电极的半径为r0，厚度为h的膜片组成可动电极，固定电极与可动电极间距离为d，用绝缘体将可动电极固定。
图1压力传感器结构图
3
在流体压力p的作用下，膜片弯曲变形，则在r处的挠度为
式中:μ为弹性元件材料的泊松比，E为杨氏模量。在r = 0处，挠度最大，为
由于膜片弯曲，改变了可动电极与固定电极之间的距离，任意r处，当压力增加时，两极板之间的距离为d - W ( r)，故在r处取宽度为d r，周长为2πr的窄圆环，其电容为
（1）
式中C0为初始值，即C0 =επr2/ d。当压力减少时，膜片向下变形，间隙为d +W ( r)，则
（2）
若Wmax/ d≤1，省略高阶小量，则(1)，(2)式可化为
可见，电容相对变化量与被测压力p成正比。
4
4.1
4.1.1
科学技术的不断发展极大地丰富了压力测量产品的种类，现在，压力传感器的敏感原理不仅有电容式、压阻式、金属应变式、霍尔式、振筒式等等但仍以电容式、压阻式和金属应变式传感器最为多见。
如果考虑式（9）中的线性项与二次项，则
（12）
由此可得出传感器的相对非线性误差δ为：
（13）
由式（11）与式（12）可以看出：要提高灵敏度，应减小起始间隙d0，但非线性误差却随着d0的减小而增大。在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性误差，大都采用差动式结构。
4.4
电容式传感器的等效电路可以用图3电路表示。图中考虑了电容器的损耗和电感效应，Rp为并联损耗电阻，它代表极板间的泄漏电阻和介质损耗。这些损耗在低频时影响较大，随着工作频率增高，容抗减小，其影响就减弱。Rs代表串联损耗，即代表引线电阻、电容器支架和极板电阻的损耗。电感L由电容器本身的电感和外部引线电感组成。
（19）
3)电路输出电压与被测压力的关系将(6)式代入(19)式得：
（20）
由(20)式可知，被测压力与输出电压成正比，通过测输出电压Ua，可求被测压力p的大小。
5.2
此传感器在W( r)≤d的情况下，忽略高阶小量，线性较好，线性度小于0。5 %(为保证其线性度，在实验检测中一般应限制相对位移满足0。1 < W( r)/ d < 0。2)。在压力p发生变化时，所引起的传感器电容相对变化值由(4)式可知，仅为位移传感器相对变化量的1/ 3。测量范围大约为- 440kPa。实验数据曲线如图3所示。当p = 0时，电容桥式电路平衡，CR0∥CS0= C1∥C2。当加上压力p后，CS发生变化，电路平衡被破坏，Ua与p呈线性关系。
1单电容式压力传感器
它由圆形薄膜与固定电极构成。薄膜在压力的作用下变形，从而改变电容器的容量，其灵敏度大致与薄膜的面积和压力成正比而与薄膜的张力和薄膜到固定电极的距离成反比。另一种型式的固定电极取凹形球面状，膜片为周边固定的张紧平面，膜片可用塑料镀金属层的方法制成（图1）。这种型式适于测量低压，并有较高过载能力。还可以采用带活塞动极膜片制成测量高压的单电容式压力传感器。这种型式可减小膜片的直接受压面积，以便采用较薄的膜片提高灵敏度。它还与各种补偿和保护部以及放大电路整体封装在一起，以便提高抗干扰能力。这种传感器适于测量动态高压和对飞行器进行遥测。单电容式压力传感器还有传声器式（即话筒式）和听诊器式等型式。
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