厚膜电容压力传感器的微位移测量研究

摘要

厚膜电容压力传感器于80年代末出现，是一种为了实现流体压力测量的传感器，它采用陶瓷材料，经过特殊工艺制备而成。具有工作温度范围宽、抗过载能力强、蠕变和迟滞小、可直接接触腐蚀性液体等优点，被广泛应用于石油、化工、食品、动力机械、生物医学工程、气象、地质、地震测量等各个领域。一般来说，厚膜电容式压力传感器是一种测量流体压力的传感器，例如对于大气压，水压以及声压等的测量，这些应用中，传感器的膜片受到均布载荷，采用均布载荷模型对其进行分析和研究。另外厚膜电容式压力传感器还有一种重要的应用，它可以用来对位移进行测量，例如对压电陶瓷PZT的精密位移测量。它是通过压电陶瓷PZT的探针直接刚性接触传感器的弹性膜片，对其施加电压，使其发生形变，产生推力，推动传感器的膜片发生形变，导致传感器的输出电容发生改变来实现对微位移的检测。此时，压电陶瓷PZT的探针是抵在传感器膜片的中心点处，如果使用均布载荷模型进行计算和分析，将会产生较大的误差。因此，本文提出了集中载荷模型，通过对均布载荷模型和集中载荷模型进行计算和分析，可以提高厚膜电容式压力传感器的准确度及检测精度。本文作者进行研究，所作的主要工作如下：1. 论文对国内外精密位移测量技术的现状和进展进行调研，利用厚膜电容压力传感器，采用电容测量的方法，通过力、位移、电容的传递模型来实现对PZT 定位器的精密位移的测量。2. 深入研究平行板电容传感器以及PZT 精密位移定位器的工作原理及结构，了解压电效应的原理及应用。3. 论文根据厚膜电容压力传感器的膜片弯曲情况，提出了传感器的均布载荷、集中载荷、同心圆载荷三种工作模型，并对其进行分析和研究。4. 推导出三种工作模型的电容计算公式，并通过MATLAB 仿真，画出膜片弯曲曲线，计算出在小挠度情形下，三种工作模型的电容值。研究结果表明，传感器膜片在小挠度形变的情况下，当膜片中心点偏移量小于4 m μ时，电容相对误差小于1.10％，可以采用均布载荷模型来计算电容值，当膜片中心点偏移量大于4 m μ时，要考虑传感器膜片的实际工作情况，采用集中载荷模型来计算电容值，以提高其测量的精度及准确度。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：插图清单、插表清单

声明

第一章 绪论

第二章 厚膜电容压力传感器的工作原理

第三章 传感器膜片弯曲分析

第四章 传感器非线性分析

第五章 结束语

参考文献

致谢