一種電容式應變傳感器設計

宮占江，孫立凱，畢佳宇，宋爾冬

（中國電子科技集團公司第49 研究所，黑龍 江哈爾濱 150001）

從日常生活到大型建筑乃至國防工程的各個領域，幾乎都離不開對應變的檢測。物體結構破壞的主要原因是結構局部開裂和失穩，應變是最直接的因素，因此應變的檢測對于物體的結構安全是至關重要的[1-2]。應變檢測不僅用于對物體安全的監測，還廣泛應用于飛機機翼的拉伸、核導彈瞬間破壞和鋼管爆破等[3-5]。

本文提供一種電容式應變傳感器，該傳感器用于檢測物體的應變量，由于被測電容值較小，因此要求傳感器的靈敏度很高。為此傳感器采用雙電容結構，這樣在傳感器工作時，可以有效增大被測電容的容值，提高了傳感器的靈敏度。

1 工作原理

電容式應變傳感器是把被測量轉化為電容量，由測量電路檢測電容變化，其之間變量的邏輯轉換，如圖1 所示。

圖1 電容式傳感器原理框圖

由物理學可知，當忽略電容器邊緣效應時，如圖2 所示的可變電容器，其電容量為

圖2 電容器原理示意圖

公式中：S 為極板之間的有效面積；d 為極板之間的距離；ε 為極板之間的介電常數；εr為極板之間的相對介電常數，相對于介質空氣，εr≈1；ε0=8.85×10-12F/m，ε0為真空的介電常數。

分析可得出結論：在S、d、ε 這3 個物理量中，使其任何一個參量發生改變，都可以改變電容量C。電容式傳感器可以轉換各種類型的電容參量，實際上就是1 個可以調整可變參數的可變電容器。據此，電容式傳感器可分為以下3 大類：（1）面積變化型電容傳感器；（2）極距變化型電容傳感器；（3）介質變化型電容傳感器。

2 傳感器結構設計

根據實際使用環境要求，傳感器在結構上采用雙電容方式測量應變，傳感器組成主要包括：1 個動極板、2 個定極板和1 個電路組件。結構如圖3 所示。

圖3 傳感器結構示意圖

當被測物體與動極板作用產生位移或應變時，就會改變定極板和動極板的相對面積，從而使極板間電容量發生變化，傳感器采用雙定極板設計，可以增加極板間的電容量，有效地提高了傳感器的靈敏度和分辨率。

當傳感器的動極板相對于定極板有效覆蓋面積沿著一定方向發生改變時，其電容量就會發生相應變化，發生應變或位移時其電容量為：

式中：d 為電容極板間距離；ε 為電容器極板間介質的介電常數；△x 為動極板平移位移量；b 為動極板長度；C0為電容器初始電容[6-8]。

根據極板間電容的變化量可以得出，增大極板長度b 可以有效地提高靈敏度。

3 電路組件設計

基于小型化、傳感器靈敏度、測量精度及傳感器體積等多方面考慮的要求，故本電路將電容檢測電路集成為混合集成電路來完成對電容式傳感器的電容電壓（C/V）轉換。將電路整體設計為3 部分模塊：（1）觸發器40106；（2）穩壓電路部分78L05；（3）調幅輸出部分AD620，如圖4 所示。

圖4 傳感器電路原理圖

穩壓電路部分采用78L05 穩壓芯片為電路提供標準5 VDC 直流電壓，用40106 斯密特觸發器，通過調整RX、R0 的阻值來調整占空比，改變C1 的容值和R1 的阻值可以改變振蕩頻率，運算放大器采用高精度儀表放大器AD620 進行調幅。

由于檢測的電容變化信號非常微弱，為了提高傳感器的分辨率、靈敏度和測量精度，采用40106 集成芯片，40106 芯片抗干擾能力強，邏輯擺幅比較大，轉折區域比較小。

4 設計傳感器樣品的性能測試

本文所設計的電容式應變傳感器的量程范圍為0～5 mm。通過工藝加工制作組裝傳感器樣品，形成檢測單元。傳感器外形如圖5 所示。

圖5 傳感器的外形圖

對組裝完成的傳感器樣品進行測試，其主要測數據見表1。

表1 測試數據

5 結束語

通過測試結果證明了電容式應變傳感器設計方案的可行性，所設計的雙定極板結構，消除和減少寄生電容的影響，增加了傳感器原始電容值，提高了傳感器的穩定性，保證傳感器具有較高的靈敏度、分辨率。由于制造技術采用的都是通用工藝，因此加工制作方便，尤其適合批量制作，從而提高了傳感器的一致性，為今后電容式應變傳感器設計研制工作提供了重要的技術積累和參考依據。