3.電容式壓力傳感器

電容器的電容量與極板間的距離有關(guān)，電容式壓為傳感器正是通過改變電容器極板間的距離來實現(xiàn)壓力信號的轉(zhuǎn)換。由絕緣介質(zhì)分開的兩個平行金屬板組成的平板電容器，當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)影響時，其電容量可表示為

若被測量壓力的變化使、A、c，三個參量中任意一個發(fā)生變化，都會引起電容量的變化，通過測量電路即可將壓力轉(zhuǎn)換為電量輸出。

電容式壓力傳感器一般只有變極矩型和變面積型。

變極矩型電容式壓力傳感器如圖224所示，其敏度與極矩平方成反比，極矩越小，靈敏度越高一般通過減小初始極矩提高靈敏度，由于電容量與極矩非線性關(guān)系，因此將引起非線性誤差當(dāng)△Б/Б0=0.1時，可得到近似的線性關(guān)系為了減小這一誤差，規(guī)定測量范圍。

變面積型電容式壓力傳感器如圖2-25所示，有角位移型和線位移型兩種，線位移型又有平面線位移型和圓柱體線位移型兩種。

電容式壓力傳感器具有以下優(yōu)點：

(1)溫度穩(wěn)定性好。電容式壓力傳感器的電容值一般與電極材料無關(guān)，這有利于選擇溫度系數(shù)低的材料，又因本身發(fā)熱極小，故溫度穩(wěn)定性好。

(2)結(jié)構(gòu)簡單。電容式壓力傳感器結(jié)構(gòu)簡單，易于制造和保證高的精度，可以做得非常小巧，以實現(xiàn)某些特殊的測量;能工作在高溫、強輻射及強磁場等惡劣的環(huán)境中，可以承受很大的溫度變化和高壓力、高沖擊、過載等。

(3)動態(tài)響應(yīng)好。電容式壓力傳感器由于帶電極板間的靜電引力很小，需要的作用能量極小，又由于它的可動部分可以做得很小很薄，即質(zhì)量很輕，因此其固有頻率很高，動態(tài)響應(yīng)時間短，能在幾兆赫茲的頻率下工作，特別適用于動態(tài)測量。又由于其介質(zhì)損耗小可以用較高頻率供電，因此系統(tǒng)工作頻率高。它可用于測量高速變化的參數(shù)。

電容式壓力傳感器也具有不可克服的缺點：

(1)輸出阻抗高，負載能力差。電容式壓力傳感器的電容量受其電極的幾何尺寸等限制，一般為幾十到幾百皮法，使傳感器的輸出阻抗很高，尤其當(dāng)采用音頻范圍內(nèi)的交流電源時，輸出阻抗高達108～116歐，因此傳感器的負載能力很差，易受外界干擾影響而產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，嚴重時甚至無法工作，必須采取屏蔽措施，從而給設(shè)計和使用帶來極大的不便。阻抗大還要求傳感器絕緣部分的電阻值極高(幾十兆歐以上)，否則絕緣部分將作為旁路電阻而影響儀器的性能(如靈敏度降低)，為此還要特別注意周圍的環(huán)境如濕度、清潔度等。若采用高頻供電，可降低傳感器輸出阻抗，但高頻放大、傳輸遠比低頻的復(fù)雜，且寄生電容影響大，不易保證工作穩(wěn)定可靠。

(2)寄生電容影響大。電容式壓力傳感器的初始電容量小，而連接傳感器和電子線路的引線電纜電容(1～2m導(dǎo)線可達800pF)、電子線路的雜散電容以及傳感器內(nèi)極板與其周圍導(dǎo)體構(gòu)成的電容等所謂“寄生電容”卻較大，不僅降低了傳感器的靈敏度，而且這些電容(如電纜電容)常常是隨機變化的，將使儀器工作很不穩(wěn)定，影響測量精度，因此對電纜的選擇、安裝、接法都有要求。

電容式壓力傳感器的測量電路通常有交流電橋、諧振電路和雙T網(wǎng)絡(luò)電路。用交流電橋測量時是將電容式壓力傳感器的電容作為電橋的一個橋臂。值得注意的是，測量時為防止外界干擾必須將傳感器屏蔽。

諧振電路如圖2-26所示，它是將傳感器的電容與一固定電感并聯(lián)組成詣?wù)耠娐罚酥C振電路的頻率與電容值有關(guān)，測量此諧振電路的頻率即可求得電容值的大小。在圖2-26中，由電感L、電容C和待測電容C。(即電容式壓力傳感器)組成并聯(lián)諧振回路，該回路由高頻振蕩器供電。調(diào)節(jié)電容C使回路的振蕩頻率處于諧振頻率附近，使回路的電壓為諧振低壓的一半，即使初始工作點處于圖中的N點，此時傳感器無壓力信號，Cx=Cx0，當(dāng)傳感器感受到壓力信號時，Cx就會發(fā)生相應(yīng)的變化，輸出電壓Usc也隨之在U0上下變化，經(jīng)放大器放大后，即可由指示器顯示或記錄下來。

雙T網(wǎng)絡(luò)電路可將傳感器電容量的變化轉(zhuǎn)變成高電平的直流電壓或電流的變化，是一種較為簡單又靈敏的電路，其原理如圖2-27所示。圖中S是高頻電源，能提供幅值為E的對稱方波。當(dāng)電壓為正半周時，二極管Dl導(dǎo)通，電容C1充電;負半周時D1截止，電容C1經(jīng)電阻Ri、RL(指示器、記錄儀等負載的電阻)放電，此時流經(jīng)Ri。的電流為I1。同時D2導(dǎo)通，C2進行充電，當(dāng)D2截止時，C2經(jīng)R2、RL放電，而流經(jīng)R。的電流為I0。若D1和D2的特性相同，且C1=C2，R,=R2，則I1=-I2，若負載為電流表，則指針不動。若C1≠C2則電流表的指針必然會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因此可以用流經(jīng)RL的電流大小來表示電容C，和C2的變化。

4.壓電式壓力傳感器

眾所周知，晶體是各向異性的，非晶體是各向同性的，某些晶體介質(zhì)，當(dāng)治著一定方向受到壓力作用發(fā)生變形時，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在表面上產(chǎn)生電荷;當(dāng)機械力撤掉之后，又會重新回到不帶電的狀態(tài)。也就是說，某些電介質(zhì)材料，受壓時會產(chǎn)生出電的效應(yīng)，這就是所謂的壓電效應(yīng)。壓電式壓力傳感器的工作原理正是基于這種壓電效應(yīng)。

天然晶體中石英(二氧化硅，Si02)具有良好的壓電效應(yīng)，其晶體的幾何形狀和平行六面體切片如圖2-28所示。當(dāng)晶片在z方向上受到壓力p1的作用時，在垂直于z軸的晶片表面上就會產(chǎn)生電荷，其電荷量q1為