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电容式压力传感器结构分析
电容压力传感器属于传感器的一种,是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。电容压力传感器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。
电容压力传感器由置于空腔内的两个动片(弹性金属膜片)、两个定片(弹性膜片上下凹玻璃上的金属涂层)、输出端子和壳体等组成。其动片与两个定片之间形成了两个串联的电容。当进气压力作用于弹性膜片时,弹性膜片产生位移,势必与一个定片距离减小,而与另一个定片距离加大(可以通过一张纸来示范)。我们可以从公式中看出,两金属电极板间距离是影响电容量的重要因素之一,距离增大,则电容量减少,距离减少,则电容量增大。这种由一个被测量量引起两个传感元件参数等量、相反变化的结构,称为差动结构。如果弹性膜片置于被侧压力与大气压之间(弹性膜片上部空腔通大气),测得的是表压力;如果弹性膜片置于被侧压力与真空之间(弹性膜片上部空腔通真空),测得的是**压力。电容器的容量与组成的电容的两极板间的电介质及其相对有效面积成正比,而与两极板间的距离成反比,即C=εA/d,其中ε为电介质的介电常数,A为两金属电极板间相对有效面积,d为两金属电极板间距离。由这个关系式可以看出,当其中两个参数不变,而另一个参数作为变量时,电容量就会随着变化的参数而变化。
与电容式压力传感器配合使用的测量电路有很多种,下面我们来以电桥电路为例说明电容差动式传感器测量电路的工作原理,由于电容是交流参数,所以电桥通过变压器用交流激励。变压器的两个线圈与两个电容组成电桥,当无进气压力时,电桥处于平衡状态,两电容值相等并且为C0,当有压力作用时,其中一个电容值为C0+△C,另一个电容值为C0-△C,(△C为外部压力作用时引起的电容值的变化量),则电桥失去平衡,电容值高的地方电压也高,两个电容之间产生了电压差,由此电桥产生代表进气压力的电压输出U。
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