电容式放入式电子测压器的设计.docx

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电容式放入式电子测压器的设计

电容式放入式电子测压器设计

摘要：

本文提出的电容式放入式电子测压器，即把电容传感器的原理用于测压器中，使测压器的传感器和壳体一体化。

我们所设计的测压器要求能被放置于被测体中，承受高压，能实时实况地测取动态数据。

针对这种要求我们设计了一种新型的放入式电子测压器。

直接利用测压器外壳的特性设计了一种圆筒（柱）式电容压力传感器，代替了压电式压力传感器。

文章从测量原理、检测电路和参数选取等方面进行设计。

结果给出了该种传感器的静态特性、动态特性、灵敏度等。

这种电容式放入式电子测压器具有体积小、结构紧凑的优点。

关键词：

电容（式）传感器，膛压测试，频响特性

DesignofCapacitiveElectronicJn-borePressureGauges

Abstract:

ThispaperpresentsCapacitiveElectronicJn-borePressureGauges,andtheprinciplesofcapacitivesensorareusedtothepress,tomakethesensorandtheshellawholeone.Werequirethepressdesignedbyusbeputintheobjecttobemeasured,supporthighpressureandmeasuredynamicparametersinreal-time.Aimedattherequirementwe’lldesignanewtypeofelectronicgaugesforchamberpressuremeasurements.Thecharacteristicsofthegaugesshellisdirectlyusedfordesigningakindofcolumncapacitivesensor,insteadofapiezoelectricpressuretransducer.Thedesigninmeasuringtheory,circuitandparameteraremade.Theresultshowsthestaticcharacteristic,dynamiccharacteristic,sensitivityofthecapacitivesensor.SuchcapacitiveElectronicJn-borepressuregaugeshavetheadvantageofsmallvolumeandcompactconfiguration.

Keywords:

capacitivesensor,chamberpressuremeasurement,frequencycharacteristic

1引言1

2电容式放入式电子测压器的各部分原理及设计3

2.1对壳体的力学分析3

2.2电容传感器的工作原理及设计4

2.3电容式传感器的特性7

2.3.1电容式传感器的静态特性7

2.3.2电容式传感器的动态特性8

2.4电容式传感器的测量电路12

2.5A/D转换电路14

2.6存储电路17

2.7测压器的控制电路19

3测压器的系统设计23

3.1外壳设计23

3.1.1最大强度的验证23

3.1.2内圆柱外半径的设计24

3.2电容式传感器的固有频率及频响特性25

3.2.1电容传感器的固有频率25

3.2.2电容传感器的频响特性26

4结束语27

附录测压器原理图28

参考文献29

致谢31

1引言

20世纪80年代初期随着微电子技术的发展，国外报道了利用存储器芯片作为信息载体的数字存储测试仪。

在国内，有关科技人员也及时意识到了以数字存储为特征的新型测试方法的发展前景[1]。

20世纪90年代传感器与微型电子记录仪组为一体的存储测试产品在国际上出现，如奥地利AVL公司于1992年推出了存储式电子测压器。

在国内，中北大学（原华北工学院）祖静教授采用自行设计的存储测试专用厚膜集成电路，研制成功了用于火炮膛压测试的“放入式电子测压器”[2]（如图1.1）。

图1.1电子测压器实物图

其性能特性为：

压力量程：

0～600Mpa，0～800Mpa

采样频率：

5ksa/s～500ksa/s可编程：

200ksa/s

分辨力：

12bit待触发时间：

>40h

工作温度：

-40oC～50oC瞬态温度：

2000oC

体积：

80cm3

还有南京数企资讯科技有限公司研制的放入式电子测压器，其性能特性如下：

压力量程：

0～800Mpa；采样频率：

200kSa/s；

分辨率：

8bit、12bit；测试误差：

≤2％FS；

触发压力：

满量程的1/5～1/4；触发等待时间：

≥2h；

工作温度：

-20～75℃；外形尺寸：

直径≤Φ50，长度≤80mm

放入式电子测压器是火炮膛压测试的专用仪器，目前的电子测压器采用的是压电式传感器，其存在的问题是改造后的国产压电式高压传感器的性能不够稳定，进口传感器体积较大；并且压电式传感器存在着零点漂移的问题，由于放入式电子测压器体积小、结构紧凑，所以与一般的测压环境相比，压力传感器的安装特性有很大的不同。

通过测量测压器内置铅块的塑性变形表明，在承压过程中测压器的壳体有较大的弹性变形。

在整个外壳承受压力的环境下，压力传感器的安装特性与测压器的体积要求之间存在着矛盾，为了解决测压器的小体积和高精度之间的矛盾，传感器与壳体的一体化设计是一个重要的探索方向。

压电式压力传感器与壳体的一体化在理论设计上虽然可行，但在制造工艺上比普通的压电传感器更为困难，需要投入大量的人力物力进行研究，风险较大。

换一个思路，考虑到测压器壳体本身就是很好的弹性元件，如果把它作为压力敏感元件，通过测量壳体内壁的应变就可以实现压力的测试，既直接利用测压器的外壳来作为应变式压力传感器，代替压电式压力传感器[3]。

另外一种是电容式放入式电子测压器，这种思路也要利用测压器壳体的弹性及壳体受外压后的应变，利用该特性在测压器的内部再固定一个小圆柱腔，可将其设计成为电容传感器。

这两种方法较目前的测压器体积将会有很大程度上的缩小，将会得到更精确的测量数据，大大提高测压器的可靠性。

本文是设计一个圆筒式电容传感器的测压器（上下两端封闭），令测压器外圆柱接地，内小圆柱带上正电荷两者构成一个电容器，受外力后引起应力

、应变

的变化，应变的变化就是电容器之间距离d发生了变化，从而导致了电容值发生变化。

利用其测量电路可以将ΔC转换为ΔU，再利用A/D转换电路变为数字信号，最后静态RAM保存数据。

这种电容式放入式电子测压器构思的可行性需要考虑多方面的问题：

如力学分析、弹性分析、材料研究、工艺研究、静动态压力试验、可靠性及校准等。

限于本文作者的水平有限，文中难免有缺点和疏漏之处，诚恳地希望得到各位老师的批评和指正。

2电容式放入式电子测压器的各部分原理及设计

2.1对壳体的力学分析

本设计主要的力学分析在外壳上，内壳内部所受应力为0，当炮弹爆炸时的膛压使测压器的外部受到挤压产生形变，测压器壳体受力情况如图2.1所示[4]，测压器壳体的外壳可看做厚壁圆筒，在外部承受压力p的情况下，根据拉美公式[5]，壳体内壁的应力为：

（2-1）

图2.1承受外压力的测压器壳体示意图

（2-2）

（2-3）

式2-1，2-2，2-3分别为径向，切向，轴向的应力；a,b分别为壳体的内径和外径，应力方向如图2.1所示。

我们要设计的测压器在其轴向并不是无限长的。

事实上，将测压器的体积做至很小是我们的目的。

所以，测压器的内壁、沿轴向方向上是有应力存在的且内壁沿轴向上也必有应变的[6]。

（2-4）

所以切向，轴向相应的应变为:

（2-5）

（2-6）

式中:

E是材料的弹性模量，它与厚壁圆筒的材料有关；μ是泊松比。

若代入现用的测压器壳体尺寸，估算在800MPa的压力下，得到的壳体内壁的轴向应变约为2000με.环向应变接近5000με。

因为其环向应变教轴向应变大，通过比较我们决定利用其环向应变，设计一圆筒式电容传感器来测量膛压。

根据外部壳体产生的形变致使内外两壳体间的相对距离d改变，引入了电容传感器。

2.2电容传感器的工作原理及结构设计

电容传感器是把被测的变化量转换成电容量变化的一种传感器。

电容式传感器不但广泛应用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量，而且还逐步地扩大到用于压力、差压、液位、物位或成份含量等方面的测量[7]。

电容传感器结构简单、体积小、分辨率高、本身发热小，十分适合与非接触测量。

这些优点，随着电子技术，特别是集成电路技术的迅速发展，得到了进一步的体现。

电容式传感器是以各种类型的电容器为转换元件，将被测物理量的变化转换为电容量的变化。

电容传感器是一个具有多个可变参数的传感器。

一般，电容是由两块金属平行板构成，并且以空气为介质[8]。

如图2.2所示。

图2.2电容传感器的结构图

两个平行板组成的电容器的电容量为：

（2-7）

式中：

ε——电容极板间介质的介电常数，ε=ε0εr

ε0——真空介电常数

εr——介质材料的相对介电常数

S——两平行极板覆盖的面积

d——两平行极板之间的距离

C——电容量

当被测参数使得式（2-7）中的S、d、ε发生变化时，电容量C也随之变化。

如果保持其中两个参数不变，而使另外一个参数改变，则电容量就将发生变化。

如果变化的参数与被测量之间存在一定函数关系，那被测量的变化就可以直接由电容量的变化反映出来。

所以电容式传感器可以分为三种类型：

改变极板面积的变面积式；改变极板距离的变间隙式；改变介电常数的变介电常数式。

改变平行极板间距d的传感器可以测量微米数量级的位移；而变化面积A的传感器则适用于测量厘米数量级的位移；变介电常数式电容式传感器适用于液面、厚度的测量。

本设计我们采用的是：

变间隙（极距）式。

（即ε、S保持不变）

由式（2-7）知：

初始电容量为C0，极板初始间距为d0,则当极板间距改变Δd时，电容改变量为ΔC。

当极板初始距离由do减少⊿d时，则电容量相应增加⊿C两者之间有如下关系：

（2-8）

由上式可知，电容量C与极板间距d不是线性关系，而是如图2.3所示的双曲线关系[9]。

图2.3C-d特性曲线

不过，当Δd/d<<1时，按幂级数展开略去非线性项（高次项），则可得近似关系式为：

（2-9）

圆筒式电容传感器是由两个半径不同、长度相等的同心圆筒构成，其横截面如图2.4所示：

图2.4电容传感器的横截面图

如果外圆接地，内圆加上正电荷，即构成电容器。

在内外圆间截取一个微圆，那我们可以把它看成一个平板电容器。

利用平板电容器的求电容公式（2-7），通过积分我们可得圆筒式电容器的电容量为：

（2-10）

式中：

L——外、内圆筒的覆盖长度；

R，r——外圆筒内半径和内圆筒外半径。

2.3电容式传感器的特性

2.3.1电容式传感器的静态特性

电容传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有的关系。

因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。

表征传感器静态特性的主要参数有：

线性度、灵敏度、分辨力和迟滞[10]等。

（一）.非线性

对变极距型电容式传感器而言，当极板间距d变化±d时，其电容量随之变化，根据式（2-7）有：

（2-11）

显然，输出电容∆C与被测量之间是非线性关系。

因

<1，所以：

（2-12）

（二）.灵敏度

灵敏度是被测量缓慢变化时传感器电容变化量与引起其变化的被测量变化之比。

电容量增大或电容间距变小都可使灵敏度增强。

对于圆筒式变极距型电容传感器而言，由式（2-10）可知，其灵敏度S为：

（2-13）

提高灵敏度，也就是测量精度提高了。

但灵敏度愈高，测量范围愈窄，稳定性也往往愈差。

显然，输出电容ΔC与被测量Δd之间是非线性关系。

只有当

<<1时，略去各非线性项后才能得到近似线性关系为ΔC=C0（

）。

由于d取值不能大，否则将降低灵敏度S，因此变极距型电容式传感器常工作在一个较小的范围内（零点零一米至零点几毫米），而且最大Δd应小于极板间距d的1/5～1/10[11]。

2.3.2电容传感器的动态特性

动态特性是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。

在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。

这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。

最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。

（一）.固有频率

要确定动态响应，首要任务是要找出固有频率和振型。

在一定初始条件下，弹性体将产生一类特殊的振动，其特点是：

物体的每点都作同频率、同相位的简谐振动，而各点的振幅保持一定的比例，这种振动称为固有振动，其频率称为固有频率。

各点的振幅构成的形状称为固有振型和主振型，简称振型。

圆筒式电容传感器壳体的固有频率分为环向和轴向两方面来考虑，壳体的轴向固有振动频率按空心圆柱（如图2.5）计算[12]。

轴向振动的固有频率类似于杆端负重的振动（如图2.6示），可将圆筒质量的1/3加到端部质量上，简化为单自由度系统，其固有频率f0为：

（2-14）

式中：

k——刚度系数

（2-15）

m——等效质量

（2-16）

m1——端部实心质量部分

（2-17）

m2——空心质量部分

（2-18）

图2.5空心圆柱示意图图2.6分布质量的简化

图2.6为分布质量的简化计算，将式（2-15）至（2-18）代入式（2-14）并整理后有：

（2-19）

径向振动固有频率,如果圆筒平均半径r1对管壁厚度h来说是足够大的（即h<

（2-20）

式中：

d1=2r1

J——截面惯性矩（cm4）

当流体压力作用于圆筒内部时，将产生上述两种振动；当流体压力作用在圆筒顶端部时，只产生轴向振动[13]。

（二）.频率响应

传感器的频率响应函数H（jω），简称为频率响应或频率特性（2-21）。

不难看出，传感器的频率响应H（jω）就是在初始条件为零时，输出的傅立叶变换与输入的傅立叶变换之比，是在“频域”对系统传递信息特性的描述。

输出量的幅值与输入量的幅值之比称为传感器幅频特性。

输出量与输入量的相位差称为传感器的相频特性[14]。

（2-21）

圆筒式传感器包含有运动质量m、弹性元件和阻尼器，这三者就组成了一个单自由度二阶系统。

根据牛顿第二定律，可以写出单自由度二阶系统的力平衡方程式，但都写成一般通用形式，成为：

（2-22）

式中：

ω0——系统无阻尼时的固有振动频率

ξ——比阻尼系数

K1——常数K=1/m

K——静态灵敏度K=1/mω02

它的拉氏变换为：

（2-23）

因此频率响应函数为：

（2-24）

由上式可得它的幅频特性为：

（2-25）

相频特性为：

（2-26）

传感器的频率响应特性的好坏主要取决于传感器的固有频率ω0和阻尼比ξ。

当ξ<1,ω0>>ω时，有A（ω）≈1，幅频特性平直，输出与输入为线性关系。

为了使测试结果能精确地再现被测信号的波形，在传感器设计时，必须使其阻尼比ξ<1，固有频率ω0至少应大于被测信号频率ω的3～5倍，即ω0≧（3～5）ω。

2.4电容传感器的测量电路

用于电容式传感器的测量电路很多,常见的电路有:

普通交流电桥、紧耦合电感臂电桥、变压器电桥、双T电桥电路、运算放大器测量电路、脉冲调制电路、调频电路。

电容式传感器有结构简单、适应性强；固有频率高，动态响应时间短；可选低温度系数材料，本身发热又小，温度稳定性好等一系列优点，但电容式传感器也有明显不足之处。

其根源是电容传感器起始电容量很小，一般为20～300pF，甚至小于20pF。

这样小的电容其输出阻抗很高，尤其在低频范围，输出阻抗达几十甚至几百兆欧（MΩ）。

可看出传感器负载能力差，易受外界环境干扰，必须采取屏蔽和绝缘措施。

而且电容传感器产生的电容值一般只有几个皮法至几十个皮法，这样小的信号不便直接记录，因此利用测量电路将电容变化值ΔC转换成正比关系的电压、电流等信号。

为了方便记录数据，本文将利用二极管双T形电路将电容变化值ΔC转换成正比关系的电压ΔU。

二极管双T形电路的电路原理如图2.7（a）所示。

图中供电电压是幅值为±UE、周期为T、占空比为50％的方波。

C1、C2为差动电容式传感器的电容，对于单电容工作的情况时，可以使其中一个为固定电容，另一个为传感器电容（任选）。

RL

VD2

图2.7二极管双T形电路（a）

为负载电阻，VD1、VD2为理想二极管，两个R为固定电阻[15]。

电路的工作原理如下：

当电源UE正半周时，二极管VD1导通、VD2截止，电容C1被以极其短的时间充电、其影响可不予考虑；当电源负半周时，VD1截止，VD2导通，这时电容C2充电，而电容C1则放电。

电容C1的放电回路由图中可以看出，一路通过下面的R和RL，另一路通过两个R和VD2，这时流过RL的电流为i1。

到了下一个正半周，VD1导通，VD2截止，C1又被充电，而C2则要放电，放电回路一路通过RL、上面的R，另一路通过VD1和两个R，这时流过RL的电流为i2。

二极管双T形电路（a）具有以下特点：

①信号源、负载、传感器电容和平衡电容有一个公共的接地点

②二极管VD1和VD2工作在伏安特性的线性段

③输出电压较高

④电路的灵敏度与电源频率有关，因此电源频率需要稳定

⑤可以用作动态测量

若将二极管理想化（当通过电压大于0.7时就导通，忽略其阻值），则当电源为正半周时，电路等效成典型的一阶电路，如图2.7（b）。

电容C2的电压初始值为UE。

根据一阶电路时域分析的三要素法，可直接得到电容C2的电流iC2如下

（2-27）

t为周期；在［R＋（RRL）/（R＋RL）］C2<

（2-28）

R

R

R

R

R1

UE

i’C2

图2.7二极管双T形电路（b）

同理，负半周时电容C1的平均电流:

（2-29）

因为两二极管VD1、VD2的特性相同，若C1=C2，则流过RL的电流iC1和iC2的平均值大小相等，方向相反，在一个周期内渡过负载电阻RL的平均电流为零，RL上无电压输出。

若C1或C2变化时，在负载电阻RL上产生的平均电流将不为零，因而有信号输出。

故在负载RL上产生的电压为：

（2-30）

该电路与其他电容传感器的测量电路相比有如下特点：

①线路简单，可全部放在探头内，大大缩短了电容引线、减小了分布电容的影响；

②电源周期、幅值直接影响灵敏度，要求它们高度稳定；

③输出阻抗为RL，而与电容无关，克服了电容式传感器高内阻的缺点；

④适用于具有线性特性的单组式和差动式电容式传感器。

2.5A/D转换电路

A/D转换器是把输入的模拟信号转换成对应的数字信号的一种装置，被广泛用于闭环控制系统，数字通信系统等。

本设计中，我们所测得的数据不利于保存，固我们要将模拟信号转换为对应的数字信号，这就需要采用模/数转换器（即A/D转换器或ADC）。

通常A/D转换需经过采样、保持和量化、编码这两大步骤来完成。

实现模/数转换的方法很多，可分类为：

逐次逼近型、双积分型、并行式转换型、V/F型等。

逐次渐进型A/D转换器又称逐次逼近型A/D转换器，其原理框图如图2.8所示。

它主要包括寄存器、D/A转换器、电压比较器、顺序脉冲发生器及相应的控制电路[16]。

常用的有逐次渐进型A/D转换器有8、10、12和14位等电路。

其优点是精度高，转换速度快，由于它的转换时间固定，简化了与计算机的同步，所以常常用做微机接口。

A/D转换器的技术指标主要有：

分辨率、精度、温度系数等等。

分辨率是由A/D转换器的位数决定的；温度系数由元件的温度性能和环境温度决定，但最重要的技术指标是精度。

A/D转换器的精度可用其线性度来表示，线性度又可分为积分线性度和差分线性度。

工程上对积分线性度最为重视。

其定义为A/D转换器的实际转换曲线和理想转换曲线（零点到满刻度点连接的直线）的最大偏差，通常简称为线性度。

在实际应用中，通常在A/D转换器之前，还有放大器和滤波器，这些电路的非线性失真又使A/D转换器的输出信号产生失真[17]。

图2.8逐次渐进型A/D转换器的原理框图

转换过程：

转换开始前先将寄存器清零，即送给D/A转换器的数字量为0。

转换控制信号变成高电平以后开始转换，在时钟脉冲作用下，顺序脉冲发生器发出一系列节拍脉冲，寄存器受顺序脉冲发生器及控制电路的控制，逐位改变其中的数码。

首先将寄存器最高位置成1，使寄存器的输出为100…00，经D/A转换器后转换成相应的模拟电压u0，送到电压比较器与待转换的模拟电压u1进行比较，如果u0>u1，说明数字过大，应将这个1清除；如果u0

取舍工作是通过电压比较器的输出经控制电路完成的。

然后再将次高位置1，并按上述方法确定这位的1是否保留。

这样逐位比较下去，直到最低位为止。

这时寄存器里的数码就是所求的输出数字量。

基于以上优点我们使用了MAXIM公司推出的一种8通道、12位高速、带并行微机接口的逐次逼近型模-数转换芯片MAX197来实现8路A/D转换，MAX197的并行接口可以与多种微处理器连接，占有较少的CPU资源，三态数据I／O口用做8位数据总线，数据总线的时序与绝大多数通用的微处理器兼容。

该芯片内部模拟电压输入范围为±5V的A/D转换器。

MAX197本身的转换时间较短，且为固定值，进行转换结果的读取，提高了数据的通过率。

MAX197内部带有输出缓存电路，输出方式为8+4位并行总线输出，所测信号频带宽（5MHZ），转换速度快，其转换时间为6ns[18]。

现将这个芯片的各引脚功能介绍入下：

管脚1：

时钟输入端管脚2：

片选信号输入端

管脚3：

命令字写入端管脚4：

读状态输入端

管脚5：

HBEN为12位转换结果选择端

管脚6：

脚接低电平时，是硬件控制的低功耗方式，器件停止转换。

管脚7—10：

三态数字输入/出口

管脚11-14：

HBEN为低电平D0-D3I/O端HBEN为高电平D8-D11I/O端

管脚15：

AGND是模拟接地端

管脚16—23：

模拟输入通道

管脚24：

是中断信号输出端

管脚25：

REFADJ是基准电压输出外部调节端

管脚26：

REF是基准缓冲器输出或ADC基准电压输入端

管脚27：

+5V电源输入端

管脚28——DGND是数字接地端

芯片管脚图如下图2.9：

图2.9A/D芯片MAX197管脚图

另外，A/D转换器（包括A/D转换芯片及辅助电路）频率特性如何也是工程上极为关注的问题。

这涉及到当A/D转换器输入端加入一个非正弦信号（由一系列正弦信