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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
ad
a
(2-1)
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:
N2
N3(
)
N2[1N3
(N3
r)2(N3
r)3
]
其中N2
1r(ad)/d为灵敏度因子,随间隙比d/(a-d)
增大而增大。
N3
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
N4
(
[1N4
(N4
2
N
4
其中,N4
为灵敏度因子和非线性因子。
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
0S
若r
r,则C
CCCr,即
Cr
C0
(r
r)0S
沈阳大学课程设计-4-
可见,
r0S
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
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
k2
0.38KV/mm
(3-3)
式中
k2——测试场强安全系数,一般选k2=1.5—3
沈阳大学课程设计-6-
将上述两式代入
得:
Uwk2
k1k2Uw
0.013mm
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
C1——初始电容为
20
1012F
0——常数8.85
1012F/m
D
4A
0.006m
3.3电容式传感器极板半径的确定
dc
由公式
p0.1%
c
8s
1%
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-
9pF
(3-10)
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,
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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:
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
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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)
0(LL
(4-4)
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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机械工业出版社,2008年:
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- 完整版 电容 传感器 课程设计 方案