一种电容式应变传感器设计

宫占江，孙立凯，毕佳宇，宋尔冬

（中国电子科技集团公司第49 研究所，黑龙 江哈尔滨 150001）

从日常生活到大型建筑乃至国防工程的各个领域，几乎都离不开对应变的检测。物体结构破坏的主要原因是结构局部开裂和失稳，应变是最直接的因素，因此应变的检测对于物体的结构安全是至关重要的[1-2]。应变检测不仅用于对物体安全的监测，还广泛应用于飞机机翼的拉伸、核导弹瞬间破坏和钢管爆破等[3-5]。

本文提供一种电容式应变传感器，该传感器用于检测物体的应变量，由于被测电容值较小，因此要求传感器的灵敏度很高。为此传感器采用双电容结构，这样在传感器工作时，可以有效增大被测电容的容值，提高了传感器的灵敏度。

1 工作原理

电容式应变传感器是把被测量转化为电容量，由测量电路检测电容变化，其之间变量的逻辑转换，如图1 所示。

图1 电容式传感器原理框图

由物理学可知，当忽略电容器边缘效应时，如图2 所示的可变电容器，其电容量为

图2 电容器原理示意图

公式中：S 为极板之间的有效面积；d 为极板之间的距离；ε 为极板之间的介电常数；εr为极板之间的相对介电常数，相对于介质空气，εr≈1；ε0=8.85×10-12F/m，ε0为真空的介电常数。

分析可得出结论：在S、d、ε 这3 个物理量中，使其任何一个参量发生改变，都可以改变电容量C。电容式传感器可以转换各种类型的电容参量，实际上就是1 个可以调整可变参数的可变电容器。据此，电容式传感器可分为以下3 大类：（1）面积变化型电容传感器；（2）极距变化型电容传感器；（3）介质变化型电容传感器。

2 传感器结构设计

根据实际使用环境要求，传感器在结构上采用双电容方式测量应变，传感器组成主要包括：1 个动极板、2 个定极板和1 个电路组件。结构如图3 所示。

图3 传感器结构示意图

当被测物体与动极板作用产生位移或应变时，就会改变定极板和动极板的相对面积，从而使极板间电容量发生变化，传感器采用双定极板设计，可以增加极板间的电容量，有效地提高了传感器的灵敏度和分辨率。

当传感器的动极板相对于定极板有效覆盖面积沿着一定方向发生改变时，其电容量就会发生相应变化，发生应变或位移时其电容量为：

式中：d 为电容极板间距离；ε 为电容器极板间介质的介电常数；△x 为动极板平移位移量；b 为动极板长度；C0为电容器初始电容[6-8]。

根据极板间电容的变化量可以得出，增大极板长度b 可以有效地提高灵敏度。

3 电路组件设计

基于小型化、传感器灵敏度、测量精度及传感器体积等多方面考虑的要求，故本电路将电容检测电路集成为混合集成电路来完成对电容式传感器的电容电压（C/V）转换。将电路整体设计为3 部分模块：（1）触发器40106；（2）稳压电路部分78L05；（3）调幅输出部分AD620，如图4 所示。

图4 传感器电路原理图

稳压电路部分采用78L05 稳压芯片为电路提供标准5 VDC 直流电压，用40106 斯密特触发器，通过调整RX、R0 的阻值来调整占空比，改变C1 的容值和R1 的阻值可以改变振荡频率，运算放大器采用高精度仪表放大器AD620 进行调幅。

由于检测的电容变化信号非常微弱，为了提高传感器的分辨率、灵敏度和测量精度，采用40106 集成芯片，40106 芯片抗干扰能力强，逻辑摆幅比较大，转折区域比较小。

4 设计传感器样品的性能测试

本文所设计的电容式应变传感器的量程范围为0～5 mm。通过工艺加工制作组装传感器样品，形成检测单元。传感器外形如图5 所示。

图5 传感器的外形图

对组装完成的传感器样品进行测试，其主要测数据见表1。

表1 测试数据

5 结束语

通过测试结果证明了电容式应变传感器设计方案的可行性，所设计的双定极板结构，消除和减少寄生电容的影响，增加了传感器原始电容值，提高了传感器的稳定性，保证传感器具有较高的灵敏度、分辨率。由于制造技术采用的都是通用工艺，因此加工制作方便，尤其适合批量制作，从而提高了传感器的一致性，为今后电容式应变传感器设计研制工作提供了重要的技术积累和参考依据。