CN111351596B - 一种测量温度的电容式传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种测量温度的电容式传感器，为圆柱体形状，包含：圆柱状的内电极；套设于内电极外周的外电极；夹设在内电极和外电极之间的电介质薄膜；所述的内电极的热膨胀系数大于外电极的热膨胀系数；所述的电介质薄膜的厚度需小于等于外电极半径的1/100；当外周温度发生变化时，电介质薄膜因受到内电极的膨胀挤压而使其厚度发生改变，使得电容式传感器的电容值发生改变。本发明具有灵敏度高，结构简单，适用场景多等优点；且电容式传感器的感温介质具有多样选择性。

Description

一种测量温度的电容式传感器
技术领域
本发明涉及温度测量技术领域，具体涉及一种测量温度的电容式传感器。
背景技术
温度是七个基本物理量之一，在大量应用场景中须被测量，但又不易测准。
温度传感器是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器，是温度测量仪表的核心部分。其按测量方式可分为接触式和非接触式两类，按传感器材料及电子元件特性主要可分为热电阻和热电偶两类。不同的温度传感器适用于在不同的环境或工作条件中使用。
电容式温度传感器具有测温范围宽、自加热效应小、抗电磁场干扰能力强等优点，常用于低温和超低温区域的温度测量。其具有三种电容变化机制，可以通过改变介电常数、改变极板面积以及改变极板间距来达到变电容的目的。目前，国内外主要是应用介电系数或电极间距与温度的变化关系对电容式温度传感器开展研究工作，普遍存在灵敏度不高的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种测量温度的电容式传感器，具有灵敏度高，结构简单，适用场景多等优点。
为了达到上述目的，本发明提供了一种测量温度的电容式传感器，为圆柱体形状，包含：圆柱状的内电极；套设于内电极外周的外电极；夹设在内电极和外电极之间的电介质薄膜；其中，所述的内电极的热膨胀系数大于外电极的热膨胀系数；所述的电介质薄膜与外电极需要满足以下条件：
Figure BDA0002459907340000011
其中，d为电介质薄膜的厚度，R外为外电极的半径；
当外周温度发生变化时，电介质薄膜因受到内电极的膨胀挤压而使其厚度发生改变，使得电容式传感器的电容值发生改变。
其中，所述的内电极的热膨胀系数比外电极的热膨胀系数大102倍及以上。
其中，所述的内电极和外电极采用金属导电材料；所述的电介质薄膜采用具有弹性的绝缘材料。
其中，所述的电容式传感器还包含电极引线，其分别连接内电极与外电极，以将内电极和外电极分别与外部电路实现电连接。
在本发明的一个优选实施例中，所述的内电极采用圆柱状的实心结构，其兼作为感温介质；所述的外电极采用圆柱状的空心结构，其两端开口；所述圆柱体形状的电容式传感器的两端均设置绝缘材料进行密封。
在本发明的一个优选实施例中，所述的内电极采用圆柱状的实心结构，其兼作为感温介质；所述的外电极采用圆柱状的空心结构，其一端开口、一端封口；所述圆柱体形状的电容式传感器未设置外电极的一端端部，设置绝缘材料进行密封。
在本发明的一个优选实施例中，所述的内电极采用圆柱状的空心结构，其一端开口、一端封口，该内电极内部填充设置感温介质；所述的外电极采用圆柱状的空心结构，其一端开口、一端封口，且该外电极的封口端覆盖内电极的封口端设置；所述圆柱体形状的电容式传感器未设置内电极和外电极的一端端部，设置绝缘材料进行密封。
其中，所述的感温介质的热膨胀系数比内电极的热膨胀系数大102倍及以上。
在本发明的一个优选实施例中，可将多个电容式传感器组合构成阵列形式进行温度测量。
本发明还提供一种测量温度的电容式传感器的用途，用于测量温度。
综上所述，本发明提供的测量温度的电容式传感器，具有灵敏度高，结构简单，适用场景多等优点，同时兼具电容式温度传感器自加热效应小、抗电磁场干扰能力强等固有的优点。传感器的感温介质具有多样选择性，可根据不同的测量需求选择合适的感温介质。此外，将多个传感器组成阵列形式使用可进一步提高灵敏度。
附图说明
图1为本发明实施例1的电容式传感器的截面图；
图2为本发明实施例1的电容式传感器的侧视图；
图3为本发明中的电容值C与R外/R内之间的曲线；
图4为本发明实施例2的电容式传感器的侧视图；
图5为本发明实施例3的电容式传感器的截面图；
图6为本发明实施例3的电容式传感器的侧视图；
其中，1-内电极，2-外电极，3-电介质薄膜，4-电极引线，5-感温介质，6-绝缘材料。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，为本发明提供的一种测量温度的电容式传感器，为圆柱体形，包含：圆柱状的内电极1；套设于内电极1外周的外电极2；夹设在内电极1和外电极2之间的电介质薄膜3，构成圆柱形电容器结构。所述的内电极1和外电极2采用金属导电材料，且内电极1的热膨胀系数大于外电极2的热膨胀系数达到102倍及以上。所述的电介质薄膜3采用具有一定弹性的绝缘材料。
其中，所述内电极1和外电极2的半径大小基本趋于一致，即所述电介质薄膜3的厚度极薄。当传感器的外周温度发生变化时，该电介质薄膜3受到挤压从而导致其厚度将发生改变，进而导致传感器的电容值发生改变。
具体的，对于圆柱形电容器结构，其电容值C可由以下公式得出：
Figure BDA0002459907340000031
其中，C为电容值，ε0为真空介电常量，εr为电介质薄膜的相对介电常量，L为圆柱形电容器结构的长度，R外为外电极的半径，R内为内电极的半径。
将电容值C对(R外/R内)求导后得到以下公式：
Figure BDA0002459907340000041
从公式(2)中可知，当R内的大小趋近于R外时，即(R外/R内)→1时，dC→-∞。公式(2)对应的曲线如图3所示，其中横坐标表示为R外/R内，纵坐标表示为电容值C。当在(R外/R内)→1处，曲线的斜率趋近于负无穷，也就是说，R外与R内比值的极小改变，就能引起电容值C的明显变化。进一步，在(R外/R内)→1处，曲线具有较好的线性度。因此，本发明采用圆柱形电容器结构的优点显而易见，当内电极1和外电极2的半径大小极其接近时，如果电介质薄膜3的厚度发生非常小的变化，那么会引起R外/R内的值也发生非常小的变化，但相应的，整个传感器的电容值C的变化将非常明显，具有较高的灵敏度和良好的线性度。
进一步，由于内电极1和外电极2的热膨胀系数不同，且内电极1的热膨胀系数大于外电极2的热膨胀系数，当收到外周温度影响时，内电极1的热膨胀大于外电极2的热膨胀，导致电介质薄膜3的厚度将因为被内电极1挤压而变薄，进而致使传感器的电容值随之发生变化。
本发明中，内电极半径R内、外电极半径R内、电介质薄膜的厚度d之间的关系为：
R外-R内＝d (3)
为使得传感器的电容值取得较大的灵敏度和较好的线性度，因此电介质薄膜3的膜厚优选需要满足以下条件：
Figure BDA0002459907340000042
根据上述公式(3)和公式(4)可得：
R内≥99d (5)
Figure BDA0002459907340000043
也就是说，内电极半径为电介质薄膜厚度的102倍及以上。
更进一步，受温度影响，所述的电介质薄膜3的厚度变化方式有两种：第一，传感器内无单独的感温介质时，其内电极1兼做感温介质，具体如下述的实施例1和实施例2所记载。内电极1具有较大的热膨胀系数，温度的改变将使其对电介质薄膜3的压力发生改变，进而使得电介质薄膜3的厚度发生改变。第二，传感器内设有单独的感温介质，具体如下述的实施例3所记载，感温介质具有较大的热膨胀系数，温度的改变将使其对内电极1和电介质薄膜3的压力发生改变，进而使电介质薄膜3的厚度发生改变。
实施例1
如图1和图2所示，为本发明提供的测量温度的电容式传感器的第一种实施例，包含：实心圆柱状的内电极1；套设于内电极1外周的外电极2；夹设在内电极1和外电极2之间的电介质薄膜3，构成圆柱体结构的传感器。所述的传感器还包含电极引线4，其分别连接内电极1与外电极2，并将内电极1和外电极2分别与外部电路实现电连接。在圆柱体传感器的两端端部均设置绝缘材料6进行密封。
本实施例中，内电极1选用汞材料，为实心圆柱体形状；外电极2选用钨材料，为两端开口的套筒形状；电介质薄膜3选用环氧树脂材料，同样为两端开口的套筒形状；且本实施例中内电极1兼作为感温介质。外电极2的半径R外为1mm，电介质薄膜3的厚度d为1μm，圆柱体传感器的长度L为10mm，内电极1选用的材料汞的热膨胀系数γ约为1.819×10-4/K，电介质薄膜3选用的材料环氧树脂的相对介电常数εr约为3.6。由于外电极2选用的材料钨的热膨胀系数远小于内电极1选用的材料汞的热膨胀系数，故可忽略。在温度变化1℃的情形下，传感器初态电容值C1和末态电容值C2分别为：
Figure BDA0002459907340000051
Figure BDA0002459907340000052
根据上述公式(7)和公式(8)可得出，传感器的初态电容值C1和末态电容值C2之差为：ΔC＝C2-C1＝2201.917-2001.771＝200.146pF，即本实施例中的传感器进行温度测量时的灵敏度可达到200pF/℃。
实施例2
如图4所示，为本发明提供的测量温度的电容式传感器的第二种实施例，包含：实心圆柱状的内电极1；套设于内电极1外周、且覆盖内电极1其中一端端部的外电极2；夹设在内电极1和外电极2之间的电介质薄膜3，构成圆柱体结构的传感器。所述的传感器还包含电极引线4，其分别连接内电极1与外电极2，并将内电极1和外电极2分别与外部电路实现电连接。在圆柱体传感器未设置外电极2的一端端部，设置绝缘材料6进行密封。
本实施例中，内电极1选用液态金属材料，为实心圆柱体形状；外电极2选用钨材料，为一端开口的圆筒形状；电介质薄膜3选用环氧树脂材料，同样为一端开口的圆筒形状；且本实施例中内电极1兼作为感温介质。同时，内电极1的半径、外电极2的半径和电介质薄膜3的厚度均需要满足前述的公式(3)～公式(6)，且外电极2的热膨胀系数远小于内电极1的热膨胀系数。如此，本实施例中的传感器在进行温度测量时同样能够取得较大的灵敏度和较好的线性度。并且，相比于实施例1而言，本实施例2的总体结构更加完整，仅需对传感器的一端端部进行密封操作。
实施例3
如图5和图6所示，为本发明提供的测量温度的电容式传感器的第三种实施例，包含：一端开口的空心圆柱状的内电极1；套设于内电极1外周、且覆盖内电极1封口一端端部的外电极2；夹设在内电极1和外电极2之间的电介质薄膜3；以及填充设置在内电极1内部的感温介质5，构成圆柱体结构的传感器。所述的传感器还包含电极引线4，其分别连接内电极1与外电极2，并将内电极1和外电极2分别与外部电路实现电连接。在圆柱体传感器未设置内电极1和外电极2的一端端部，设置绝缘材料6进行密封。
本实施例中，内电极1选用银材料，为一端开口的圆筒形状；外电极2选用钨材料，为一端开口的圆筒形状；电介质薄膜3选用环氧树脂材料，同样为一端开口的圆筒形状；感温介质5填充设置在内电极1的内部，其热膨胀系数比内电极1的热膨胀系数大102倍及以上，同样也比外电极2的热膨胀系数大102倍及以上。同时，外电极2的半径和电介质薄膜3的厚度需要满足前述的公式(4)。如此，本实施例中的传感器在进行温度测量时同样能够取得较大的灵敏度和较好的线性度。并且，相比于实施例1和实施例2而言，本实施例3摆脱了使用内电极1作为感温介质的限制，扩大了感温介质的可选范围(包括酒精、硅油、某些气体等非金属物质)，有效的扩大了传感器的使用场景和应用范围。
此外，将上述所述的各种不同结构的传感器组成阵列形式使用，可进一步提高温度测量的灵敏度。
综上所述，本发明提供的测量温度的电容式传感器，具有灵敏度高，结构简单，适用场景多等优点，同时兼具电容式温度传感器自加热效应小、抗电磁场干扰能力强等固有的优点。传感器的感温介质具有多样选择性，可根据不同的测量需求选择合适的感温介质。此外，将多个传感器组成阵列形式使用可进一步提高灵敏度。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种测量温度的电容式传感器，为圆柱体形状，其特征在于，包含：圆柱状的内电极；套设于内电极外周的外电极；夹设在内电极和外电极之间的电介质薄膜；
所述的内电极的热膨胀系数比外电极的热膨胀系数大102倍及以上；
所述的电介质薄膜与外电极需要满足以下条件：
Figure FDA0002926504450000011
其中，d为电介质薄膜的厚度，R外为外电极的半径；
当外周温度发生变化时，电介质薄膜因受到内电极的膨胀挤压而使其厚度发生改变，使得电容式传感器的电容值发生改变。
2.如权利要求1所述的测量温度的电容式传感器，其特征在于，所述的内电极和外电极采用金属导电材料；所述的电介质薄膜采用具有弹性的绝缘材料。
3.如权利要求1所述的测量温度的电容式传感器，其特征在于，还包含电极引线，其分别连接内电极与外电极，以将内电极和外电极分别与外部电路实现电连接。
4.如权利要求1所述的测量温度的电容式传感器，其特征在于，所述的内电极采用圆柱状的实心结构，其兼作为感温介质；所述的外电极采用圆柱状的空心结构，其两端开口；所述圆柱体形状的电容式传感器的两端均设置绝缘材料进行密封。
5.如权利要求1所述的测量温度的电容式传感器，其特征在于，所述的内电极采用圆柱状的实心结构，其兼作为感温介质；所述的外电极采用圆柱状的空心结构，其一端开口、一端封口；所述圆柱体形状的电容式传感器未设置外电极的一端端部，设置绝缘材料进行密封。
6.如权利要求1所述的测量温度的电容式传感器，其特征在于，所述的内电极采用圆柱状的空心结构，其一端开口、一端封口，该内电极内部填充设置感温介质；所述的外电极采用圆柱状的空心结构，其一端开口、一端封口，且该外电极的封口端覆盖内电极的封口端设置；所述圆柱体形状的电容式传感器未设置内电极和外电极的一端端部，设置绝缘材料进行密封。
7.如权利要求6所述的测量温度的电容式传感器，其特征在于，所述的感温介质的热膨胀系数比内电极的热膨胀系数大102倍及以上。
8.如权利要求1～7中任一项所述的测量温度的电容式传感器，其特征在于，可将多个电容式传感器组合构成阵列形式进行温度测量。
9.一种如权利要求1～7中任一项所述的测量温度的电容式传感器的用途，其特征在于，所述电容式传感器用于测量温度。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112393817B (zh) * 2020-10-23 2023-05-02 许继集团有限公司 集成在高压套管中的电容式温度敏感元件以及高压套管

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1077023A (zh) * 1992-04-01 1993-10-06 外沙拉股份公司 用于测量物理量特别是温度的电阻抗探测元件及其制造方法
US5557042A (en) * 1993-09-29 1996-09-17 Vaisala Oy Impedance detector, in particular for radiosonde operation, as well as a process for the manufacture of a detector
CN102230830A (zh) * 2009-09-27 2011-11-02 梁亚伟 一种具有热释电效应的温度感知元件及线型感温探测器
CN102741672A (zh) * 2009-10-16 2012-10-17 阿自倍尔株式会社 电容式传感器
CN108680273A (zh) * 2018-05-21 2018-10-19 佛山市顺德区中山大学研究院 一种温度传感器及其制作方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106813690A (zh) * 2015-11-27 2017-06-09 江南石墨烯研究院 一种超大形变圆筒形电容式传感器及其制备方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1077023A (zh) * 1992-04-01 1993-10-06 外沙拉股份公司 用于测量物理量特别是温度的电阻抗探测元件及其制造方法
US5557042A (en) * 1993-09-29 1996-09-17 Vaisala Oy Impedance detector, in particular for radiosonde operation, as well as a process for the manufacture of a detector
CN102230830A (zh) * 2009-09-27 2011-11-02 梁亚伟 一种具有热释电效应的温度感知元件及线型感温探测器
CN102741672A (zh) * 2009-10-16 2012-10-17 阿自倍尔株式会社 电容式传感器
CN108680273A (zh) * 2018-05-21 2018-10-19 佛山市顺德区中山大学研究院 一种温度传感器及其制作方法

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