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陶瓷电容式压力传感器敏感部件的研究

2014-03-05 sensor 619

作者:苏丽平

引言

陶瓷压力传感器分为电容式陶瓷压力传感器和压阻式陶瓷压力传感器二种。这二种传感器都是采用厚膜技术(Thick Film Technology)制造的。本文着重对电容式陶瓷压力传感器展开研究。

陶瓷电容式压力传感器测量原理

陶瓷电容式压力传感器的敏感机理是:采用陶瓷弹性膜片作为敏感元件,陶瓷弹性膜片和陶瓷基体分别作为电容的两极板,即测量(可动)电极和固定电极。当外部压力通过测量介质作用于弹性膜片时,膜片变形,两极之间间隙改变,从而电容量发生改变,配合后续变换电路,可以输出标准电压或电流信号。陶瓷弹性膜片在受力发生小挠度变形时,电容与压力近似成线性函数关系。当测量介质的压力作用于膜片时,使膜片产生位移,正常的位移量在介质腔厚度范围内。传感器同时提供了过载保护机制,当被测压力超过量程一定值后,陶瓷膜片与陶瓷基体发生接触,有效地保护了弹性膜片免受损坏。

敏感部件的结构设计分析

具体制造时,陶瓷膜片和陶瓷基体上分别印烧面积相等的上下电极,构成感压电容,然后用高温玻璃粘接而成。此工艺结构导致上下电极之间存在边缘效应,实际电容量将比计算值大,且会使传感器灵敏度降低、非线性增加。为了减少传感器边缘效应,温度影响,敏感部件的设计我们采用了双电容加边界结构的结构,包括可动、固定极板和边界环三部分,分别组成测量电容、参考电容和边界结构。可动电极与固定电极组成测量电容,上边界环与可动电极组成参考电容,上下边界环连接在一起,组成边界结构,达到消除边缘效的目的。

陶瓷电容压力传感器的应用

陶瓷作为弹性膜片,陶瓷具有膨胀系数小、耐高温、耐腐蚀、绝缘性好等特点,且陶瓷可以直接接触测量介质,属于干式测量,便于安装,体积和重量可以做到较小。更多工业上因工作温度、工作环境都比较恶劣,工作介质也多种多样,其中有的介质具有腐蚀性,因此对敏感部件的耐温性、耐腐蚀性提出了较高的要求。陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。陶瓷的热稳定特性可以使它的工作温度范围高达-40~125℃,而且具有测量的高精度、高稳定性。由于没有液体的传递作用,无任何填充液,不会产生工艺污染,加之是干式陶瓷膜片,故不受安装方向影响,以其作为敏感元件生产的压力传感器被广泛地应用在各种测量压力的场合。因此,把陶瓷作为敏感元件,其应用场合会更加广泛。

参考文献:

  • [1]孙福.全陶瓷质电容式压力传感器.建材工业信息.1996,(3):10.
  • [2]王厚枢,余瑞芬,吴志鹤.等.传感器原理[M].北京:航空工业出版社.1987:75-100.
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