《能源监测与评价》——能源监测技术（五）

3.电容式压力传感器

电容器的电容量与极板间的距离有关，电容式压为传感器正是通过改变电容器极板间的距离来实现压力信号的转换。由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，当忽略边缘效应影响时，其电容量可表示为

若被测量压力的变化使、A、c，三个参量中任意一个发生变化，都会引起电容量的变化，通过测量电路即可将压力转换为电量输出。

电容式压力传感器一般只有变极矩型和变面积型。

变极矩型电容式压力传感器如图224所示，其敏度与极矩平方成反比，极矩越小，灵敏度越高一般通过减小初始极矩提高灵敏度，由于电容量与极矩非线性关系，因此将引起非线性误差当△Б/Б0=0.1时，可得到近似的线性关系为了减小这一误差，规定测量范围。

变面积型电容式压力传感器如图2-25所示，有角位移型和线位移型两种，线位移型又有平面线位移型和圆柱体线位移型两种。

电容式压力传感器具有以下优点：

(1)温度稳定性好。电容式压力传感器的电容值一般与电极材料无关，这有利于选择温度系数低的材料，又因本身发热极小，故温度稳定性好。

(2)结构简单。电容式压力传感器结构简单，易于制造和保证高的精度，可以做得非常小巧，以实现某些特殊的测量;能工作在高温、强辐射及强磁场等恶劣的环境中，可以承受很大的温度变化和高压力、高冲击、过载等。

(3)动态响应好。电容式压力传感器由于带电极板间的静电引力很小，需要的作用能量极小，又由于它的可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻，因此其固有频率很高，动态响应时间短，能在几兆赫兹的频率下工作，特别适用于动态测量。又由于其介质损耗小可以用较高频率供电，因此系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数。

电容式压力传感器也具有不可克服的缺点：

(1)输出阻抗高，负载能力差。电容式压力传感器的电容量受其电极的几何尺寸等限制，一般为几十到几百皮法，使传感器的输出阻抗很高，尤其当采用音频范围内的交流电源时，输出阻抗高达108～116欧，因此传感器的负载能力很差，易受外界干扰影响而产生不稳定现象，严重时甚至无法工作，必须采取屏蔽措施，从而给设计和使用带来极大的不便。阻抗大还要求传感器绝缘部分的电阻值极高(几十兆欧以上)，否则绝缘部分将作为旁路电阻而影响仪器的性能(如灵敏度降低)，为此还要特别注意周围的环境如湿度、清洁度等。若采用高频供电，可降低传感器输出阻抗，但高频放大、传输远比低频的复杂，且寄生电容影响大，不易保证工作稳定可靠。

(2)寄生电容影响大。电容式压力传感器的初始电容量小，而连接传感器和电子线路的引线电缆电容(1～2m导线可达800pF)、电子线路的杂散电容以及传感器内极板与其周围导体构成的电容等所谓“寄生电容”却较大，不仅降低了传感器的灵敏度，而且这些电容(如电缆电容)常常是随机变化的，将使仪器工作很不稳定，影响测量精度，因此对电缆的选择、安装、接法都有要求。

电容式压力传感器的测量电路通常有交流电桥、谐振电路和双T网络电路。用交流电桥测量时是将电容式压力传感器的电容作为电桥的一个桥臂。值得注意的是，测量时为防止外界干扰必须将传感器屏蔽。

谐振电路如图2-26所示，它是将传感器的电容与一固定电感并联组成诣振电路，此谐振电路的频率与电容值有关，测量此谐振电路的频率即可求得电容值的大小。在图2-26中，由电感L、电容C和待测电容C。(即电容式压力传感器)组成并联谐振回路，该回路由高频振荡器供电。调节电容C使回路的振荡频率处于谐振频率附近，使回路的电压为谐振低压的一半，即使初始工作点处于图中的N点，此时传感器无压力信号，Cx=Cx0，当传感器感受到压力信号时，Cx就会发生相应的变化，输出电压Usc也随之在U0上下变化，经放大器放大后，即可由指示器显示或记录下来。

双T网络电路可将传感器电容量的变化转变成高电平的直流电压或电流的变化，是一种较为简单又灵敏的电路，其原理如图2-27所示。图中S是高频电源，能提供幅值为E的对称方波。当电压为正半周时，二极管Dl导通，电容C1充电;负半周时D1截止，电容C1经电阻Ri、RL(指示器、记录仪等负载的电阻)放电，此时流经Ri。的电流为I1。同时D2导通，C2进行充电，当D2截止时，C2经R2、RL放电，而流经R。的电流为I0。若D1和D2的特性相同，且C1=C2，R,=R2，则I1=-I2，若负载为电流表，则指针不动。若C1≠C2则电流表的指针必然会发生偏转，因此可以用流经RL的电流大小来表示电容C，和C2的变化。

4.压电式压力传感器

众所周知，晶体是各向异性的，非晶体是各向同性的，某些晶体介质，当治着一定方向受到压力作用发生变形时，内部就产生极化现象，同时在表面上产生电荷;当机械力撤掉之后，又会重新回到不带电的状态。也就是说，某些电介质材料，受压时会产生出电的效应，这就是所谓的压电效应。压电式压力传感器的工作原理正是基于这种压电效应。

天然晶体中石英(二氧化硅，Si02)具有良好的压电效应，其晶体的几何形状和平行六面体切片如图2-28所示。当晶片在z方向上受到压力p1的作用时，在垂直于z轴的晶片表面上就会产生电荷，其电荷量q1为