第10讲电容式压力传感器方案
电容式压力传感器原理
电容式压力传感器原理电容式压力传感器是一种利用电容的变化来测量压力的传感器。
它的原理是基于压电效应。
压电效应指的是在某些材料中，当施加压力时会引起电荷的分布或移动，从而改变材料的电容。
利用这个原理，可以设计出一种传感器来测量压力。
电容是指两个电极之间的空间，通常由绝缘材料隔开。
当一个电容处于平衡状态时，两个电极之间的电荷分布是均匀的，电容的值是固定的。
但是，当施加压力时，电荷的分布将发生变化，进而改变了电容的值。
电容式压力传感器由一个电容和一个压电材料组成。
其中，压电材料被安装在电容的其中一个电极上。
当外部施加压力时，压电材料会变形，并引起电容的改变。
通常情况下，电容的改变不是直接测量的，而是被转换为电信号。
一种常用的方法是将电容连接到一个电路中，并通过测量电路中的电压或电流来确定电容值的变化。
这样就可以得到与施加在压力传感器上的压力对应的电信号。
为了实现精确的测量，电容式压力传感器通常是由多个电容组成的。
通过测量每个电容的变化，可以得到更准确的压力测量值。
此外，为了提高传感器的灵敏度和减小温度的影响，电容式压力传感器通常会采用温度补偿技术。
利用温度传感器和温度补偿电路，可以对测量结果进行修正，以减小温度对压力测量的影响。
总的来说，电容式压力传感器的原理是通过利用压电效应来测量压力。
当施加压力时，压电材料变形引起电容的改变，通过测量电容的变化可以得到与压力对应的电信号。
通过采用温度补偿技术，可以提高传感器的精确度和稳定性。
电容式压力传感器在许多领域中被广泛应用，如汽车工业、空调系统、流体控制等。
电容式压力传感器采用变电容测量原理
电容式压力传感器采用变电容测量原理，将由被测压力引起的弹性元件的位移变形转变为电容的变化，用测量电容的方法测出电容量，便可知道被测压力的大小。
根据平行板电容器的电容量表达式C=εA/d (3-9)式中为电容极板间介质的介电常数；A为两平行板相对面积；d为两平行板间距。
由式(3-9)可知，改变A、d、其中任意一个参数都可以使电容量发生变化，在实际测量中，大多采用保持其中两个参数不变，而仅改变A或d一个参数的方法，把参数的变化转换为电容量的变化。
因此，电容量的变化与被测参数的大小成比例。
差动变极距式电容压力传感器改变电容两平行板间距d的测量方式有较高的灵敏度，但当位移较大时非线性严重。
采用差动电容法可以改善非线性、提高灵敏度、并可减小因ε受温度影响引起的不稳定性。
图3-12是一种电容式差压传感器示意图。
左右对称的不锈钢基座内有玻璃绝缘层，其内侧的凹形球面上除边缘部分外镀有金属膜作为固定电极，中间被夹紧的弹性膜片作为可动测量电极，左、右固定电极和测量电极经导线引出，从而组成了两个电容器。
不锈钢基座和玻璃绝缘层中心开有小孔，不锈钢基座两边外侧焊上了波纹密封隔离膜片，这样测量电极将空间分隔成左、右两个腔室，其中充满硅油。
当隔离膜片感受两侧压力的作用时，通过硅油将差压传递到弹性测量膜片的两侧从而使膜片产生位移。
电容极板间距离的变化，将引起两侧电容器电容值的改变。
对于差动平板电容器，其电容变化与板间距离变化的关系可表示为：C0=△d/d0 (3-10)式中C0为初始电容值；d0为极板间初始距离；△d为距离变化量。
此电容量的变化经过适当的变换器电路，可以转换成反映被测差压的标准电信号输出。
这种传感器结构坚实，灵敏度高，过载能力大；精度高，其精确度可达±0.25％～±0.05％；可以测量压力和差压。
电容式压力传感器
电容式压力传感器首先，我们来了解一下电容式压力传感器的工作原理。
电容式压力传感器通常由两个金属电极和一个介质组成。
当介质受到压力作用时，介质的形变会导致电容的变化，进而改变传感器的输出信号。
通过测量电容的变化，就可以得到介质受到的压力大小。
这种测量原理使得电容式压力传感器具有了很高的灵敏度和精度，能够满足对压力测量的精确要求。
其次，电容式压力传感器具有很高的响应速度。
由于电容的变化是瞬时的，因此传感器对压力的变化能够迅速做出响应，这使得电容式压力传感器在需要快速测量压力的场合中表现出色。
比如在汽车制动系统中，需要对制动液压力进行快速准确的测量，电容式压力传感器就能够胜任这样的任务。
另外，电容式压力传感器还具有很高的稳定性和可靠性。
由于其结构简单、工作原理清晰，因此传感器在长期使用过程中能够保持良好的性能，不易出现故障。
这使得电容式压力传感器在工业生产中得到了广泛的应用，比如在注塑机、冲压机等设备中，都需要对压力进行实时监测，而电容式压力传感器能够稳定可靠地完成这样的任务。
此外，电容式压力传感器还具有很高的适应性。
它可以适用于各种介质的压力测量，比如液体、气体等，而且可以适应不同的工作环境，比如高温、高压等。
这使得电容式压力传感器在航空航天、石油化工等领域中得到了广泛的应用，满足了不同场合对压力测量的需求。
总的来说，电容式压力传感器具有很高的灵敏度、响应速度、稳定性和适应性，能够满足各种工业生产、汽车制造、航空航天等领域对压力测量的需求。
随着科技的不断进步，电容式压力传感器的性能还将不断提升，应用范围也将进一步扩大。
相信在未来的发展中，电容式压力传感器将会发挥更加重要的作用，为各行各业的发展做出更大的贡献。
电容式压力传感器工作原理图
电容式压力传感器工作原理图电容式压力传感器原理工作原理
在石油、钢铁、电力、化学等生产工艺过程中压为是非常重要的参数。
此外，在机械制造技术方面，从小批量生产到连续程序控制．从小规模的设备到大规模的成套设备和不断发展的多功能的成套设备．都需要大量的压力传感器。
为厂使这些复杂化、大规模化的成套设备能安全运转，对压力传感器的可靠性和稳定性的要求也越来越高．
下面就性能良好，可靠性高的静电容式的传感器加以叙述，如下图。
测量压力有表压力及绝对压力测量二种方式。
表压测量采用以大气压为基准测容器内压力的方法。
绝对压力的测量是采用以绝对真空为基准而测容器内压力的方法。
二者的基本原理相同，所不同的是表压传感器将低压例制成对照大气开口的结构；而绝对压力测量则把低压设在真空室的结构．对高压和低压两例的接触溶液膜加压后，通过密封液加到感压膜上，感压膜(可变电极)接着高压侧和低压侧的压力差成正比地改变位置，感压膜的位移，使膜与两侧固定电极之间形成路电容运差，这个静电容放差位经电路转换、放大后就变成4-20mADc的输出信号。
该传感器的特点：
1、具有能实现高可可靠性的简单盒状结构；
2、具有0.2%、50度的高温特性；
3、小型轻量和耐振性强
4、测量范围宽．
5、温度范围宽
6、内有指示针。
电容式压力传感器工作原理
电容式压力传感器工作原理
电容式压力传感器是一种常用的压力测量设备，其工作原理基于电容的变化量与压力之间的关系。
具体原理如下：
1. 基本结构：电容式压力传感器由两个电极板构成，它们之间装有一个可压缩的薄膜。
其中一个电极固定不动，而另一个电极通过一个细丝与测量对象（如气体或液体）接触，并能感受到外部压力的变化。
2. 电容变化：当外部压力施加在传感器上时，可压缩的薄膜会受到压力的作用而产生微小的形变。
这种形变会导致电极板之间的距离发生微小的变化，从而影响电容的大小。
3. 建立电场：当没有外部压力施加在传感器上时，电容的值最大，因为两个电极板之间的距离最大，电场受到最小的干扰。
而当外部压力增加时，电容的值会减小，因为电场受到了电极板之间距离减小的干扰。
4. 电容测量：为了测量电容的变化，传感器会连接到一个电容测量电路中。
该电路会将传感器与参考电容进行比较，得出电容的变化值。
然后，根据压力与电容变化之间的已知关系，可以计算出实际的压力值。
5. 输出信号处理：最后，测得的电容变化值可能需要进行进一步的信号处理。
这可能包括放大、滤波和数字转换等步骤，以便将电容变化转换为标准的电压或数字信号输出。
总结起来，电容式压力传感器通过测量电容的变化来反映外部压力的变化。
它的工作原理基于电容与距离之间的关系，可以通过测量电容变化值来计算实际的压力值。
电容式压力传感器
电容式压力传感器的校准方法
校准方法
• 零点校准：消除传感器的零位误差，提高传感器的准确性
• 满量程校准：消除传感器的满量程误差，提高传感器的线性度
• 多点校准：通过多个点的校准，提高传感器的拟合精度
校准设备
• 压力校准器：用于提供标准压力源，进行压力校准
• 万用表：用于测量传感器的输出电压，进行校准
提高电容式压力传感器精度的方法
提高灵敏度
减小误差
• 优化电极形状和尺寸，提高传感器的灵敏度和稳定性
• 采用多点校准，提高传感器的拟合精度
• 选择合适的电极材料，提高传感器的灵敏度和稳定性
• 采用温度补偿，减小传感器受温度影响导致的误差
• 采用电磁屏蔽，减小传感器受电磁干扰导致的误差
根据测量方式，电容式压力传感器可以
式和双电容式两种
分为有线电容式和无线电容式两种
• 单电容式压力传感器只有一个电极对，
• 有线电容式压力传感器通过引出线连
结构简单，但受环境影响较大
接测量设备，传输电信号
• 双电容式压力传感器有两个电极对，
• 无线电容式压力传感器采用无线通信
结构较复杂，但抗干扰能力较强
• 采用电磁屏蔽和滤波技术，减小传感器受外部干扰的影响
电容式压力传感器的市场需求分析
市场需求
市场规模
• 工业自动化领域的压力、液位、流量等参数测量和控制
• 根据市场调查和预测，电容式压力传感器市场规模将持
• 环境监测领域的大气压力、水位等参数测量
续增长
• 生物医学领域的血压测量和生物力学研究
• 随着物联网和智能制造技术的发展，电容式压力传感器
电容式mems压力传感器 电容基本公式
电容式mems压力传感器电容基本公式电容式MEMS压力传感器是一种基于电容变化原理进行压力测量的微机电系统（MEMS）器件，广泛应用于各类压力测量场合。
在电容式MEMS压力传感器中，电容是一种重要的物理量，通过测量电容的变化可以间接获取压力值。
电容的基本公式是描述电容量与电容两端电荷量、电压以及形状尺寸等之间关系的数学表达式。
本文将从电容式MEMS压力传感器的原理入手，介绍其电容基本公式的推导过程，分析其在压力传感器中的应用以及存在的问题和挑战。
MEMS技术是一种融合微纳技术、传感技术和信息处理技术的新型技术，被广泛应用于压力传感器、加速度传感器、陀螺仪等微传感器的制备和研究领域。
电容式MEMS压力传感器是MEMS技术在压力传感器中的一种典型应用，其核心部件是电容传感器。
在电容式MEMS压力传感器中，电容传感器的工作原理是基于电容随外界压力变化而变化的特性，通过测量电容的变化实现压力值的测量。
电容作为一种物理量，描述了电荷存储能力的大小，通常用C来表示，单位是法拉（Farad，F）。
电容的基本公式是C = Q/V其中，C为电容，单位是法拉；Q为电容两端的电荷量，单位是库仑（Coulomb，C）；V为电容两端的电压，单位是伏特（Volt，V）。
电容的大小与电荷量和电压有关，电容两端的电荷量与电压成正比，电容的大小取决于电容结构的形状和尺寸。
在电容式MEMS压力传感器中，电容传感器的结构设计和工艺制备对电容的测量和压力灵敏度有着重要影响。
电容传感器的结构通常包括两个平行的电极板和介质层，当受到外界压力变化时，电极板之间的间隙会发生变化，从而导致电容的变化。
电容的大小可以通过测量电容两端的电压和电荷量来计算，因此可以间接获取外界压力值。
电容式MEMS压力传感器在工业、医疗、航天航空等领域有着广泛的应用。
在汽车制造中，电容式MEMS压力传感器被用于汽车发动机燃油系统的压力监测和控制，可以实时监测油箱内部的油压情况，并通过传感器反馈的数据来控制汽车的燃油喷射系统，达到节能减排的目的。
电容式压力传感器
电容式压力传感器一、概念电容式压力传感器（capacitive type pressure transducer），是一种可以利用电容敏感的原件把被测量的压力转换成为跟它有一定的关系的电信号输出的精密测量仪器。
二、结构与工作原理它通常是使用镀金属薄膜或者是圆形金属薄膜来做电容器的其中一个电极。
在薄膜感受到压力的时候，它会变形的，此时薄膜跟固定的电极间所产生的电容量就会发生改变。
测量电路就可以输出跟电压形成一定的关系的电信号。
它的应用非常广泛，之所以应用这么广泛，是因为它的优点有很多：它的分辨率很高；它可以进行动态的检测；它的结构很简单，并不复杂；它可以在很恶劣的工作环境下正常工作，解决人不可以测量的很多问题；它可以是非接触测量的，很方便。
三、分类电容式压力传感器是极距变化型的电容式传感器，有差动电容式和单电容式之分。
（1）差动电容式压力传感器其受压膜片电极是处于两个固定的电极之间的，可以形成两个电容器。
当受到压力的作用的时候，其中一个电容器的容量就会变大，而另一个电容器的容量就会相应地变小，而测量的结果是由差动式的电路输出的。
此传感器的固定的电极是由在凹而曲的玻璃的表层上面镀上金属层而制造出来的。
当过载的时候，膜片就会受到凹面的保护，所以，它是不会破裂的。
相对于单电容式压力传感器来说，它的线性度较好，灵敏度也较高，但是在加工方面就比较困难了，还有它不可以完成对被测的液体或者是气体的隔离，所以，它不适合使用在有杂质的或者是有腐蚀性的流体之中。
（2）单电容式压力传感器它是由固定的电极和圆形的薄膜组成的。
当受到压力作用的时候，薄膜就会发生变形，这样就会改变电容器的容量。
它的灵敏度大概是跟薄膜与固定的电极之间的距离和薄膜的张力成反比关系的；而跟压力和薄膜的面积成正比关系的。
有另外的一种型式，它是跟固定电极取凹形球面状的，而膜片是周围边缘的固定的张紧的平面，膜片能够使用塑料接着镀上金属层的这个方法制造而成的。
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R(R 2RL) RLUf (C1 C 2) (R RL)2
U SC KUf (C1 C 2)
44
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2、运算放大器式电路
Ui 1 I0 Ua
jC 0
USC 1 Ix Ua
jCx
Cx Ix
I0 Ix I
C0 a
C C1 C2
0rb0l
0
1
1
0
0rb0l 2 0
2
0
2
C 1
1
0
2
17
5、差动结构变面积型
① 扇形平板结构 CAC0 CBC0 0 r(R2 r 2 )
0
C CAC CBC 2 0 r(R2 r 2 ) 0
C1 C0 C
A
C01
1
0 0
C 2 C0 C
A
C01
1
0 0
10
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当 / 0 1时，
C1 C01
0
0
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B
C
A
rR
O
18
② 柱面型结构
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CAC0 CBC0 0rlr
Rr
l
A
rR
C B
C CAC CBC 2 0rlr
Rr
O
19
四、变介质型电容传感器
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C
CA CB
bl1
1
2
b(l0 l1)
C C1 C2 Cx
振荡回路固有电容
引线分布电容
f0
1
2 (C1 C2 Cx)L
f
1
2 (C1 C 2 Cx C)L
26
1、直放式：
C0
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27
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C 0, f 0
被测信号
调频电路的优点：
抗干扰能力强
特性稳定
调频信号 高电平直流信号
易于接口
鉴频信号
28
2、外差式
C0
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29
二、调幅电路
1、交流电桥电路
（1）普通交流电桥
B
Cx
Cc
A
C
Z
Z
D
Ui
Uk
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USC
30
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（2）紧耦合电感电桥
Cx1
Cx2
1 USC 3
Ui
M
L
L
2
31
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0(1
2
/
2 0
)
0rA 0
(1
0
)
C0
C0
0
C C0 C 0rA
0rA
0 0(1 / 0)
C 1 1 C0 0 0 当 / 0 1时，
C1
极板上移：
C 2 C C0 C
0rA 0
1 2
0rA 0(1 /
0)
0rA(1 / 0)
0(1
2
/
2 0
)
5
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当 0时，
C
0rA(1 / 0)
K
Ui I0
I
Usc
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Ui 1 I0 Ua
jC 0
USC 1 Ix Ua
jCx
I0 Ix I
K , Zi Ua 0, I 0 USC C 0 Ui
1 Z 12
2
Z 13
Zs(Ls)
3 Zs(Ls)
Zp(Lp)
Ls L M Lp M
耦合系数
Zp jM
ZS j (L M ) jL(1 M ) jL(1 k)
L
Z 12 ZS Zp jL
Z13 2ZS 2 jL(1 k)
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中间极移动式变面积型 差动结构变面积型
13
1、板状线位移变面积型
C C0 C 0rb0(l0 l) 0
C0 0rb0l0 0
S C C0 0rb0 l l0 0
0
线性
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l l0
b
14
2、角位移变面积型
0， C0 0rA
2 I2
CC11
AA
CC2 2
IL Ui (C1 C 2)
j
2
1 j (C1 C 2)ZL
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IL Ui (C1 C 2)
j
2
1 j (C1 C 2)ZL
USC IL ZL Ui (C1 C 2)
jZL
2R
22
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参考文献： 1、“用MATLAB语言建立液位电容传感器特性的数学 模型”，《传感器技术》，2001年6期 2、“射频电容式传感器的研究与应用”，《传感器技 术》，2001年2期
23
思考题！！！
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如何改善单极式变间隙型电容传感器的非线性？
差动变间隙型电容传感器，初始电容 C1 C2 80 pf，
初始间隙 0 4mm ，设动极板相对于定极板位移了 0.75mm，计算其非线性误差。若改为单极平
板电容，初始值不变，非线性误差有多大？
设计一个油料液位监测系统。当液位高于 H1 时，鸣 响震铃且红色LED亮，当液位低于 H2 时，鸣响震铃 且黄色LED亮，当液位处于 H1 和 H2 之间时，绿色 LED亮。
1 2
1 2
1
C 0 1bl0 1 2
2 2
C
C0 C0 l1 l0
1 1 2
1 1
2 2
CA
CB
1 1
l1 l0
20
例1：薄膜测厚
C
0A
( d ) d r
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d
参考文献：
“高静电场下的薄膜测厚技术”，《仪表技术与传感器》， 2001年8期
C C0
0
1
0
0
2
0
3
......
6
讨论： （1）略去高次项
C ， C0 0
K
C
C0
0
0rA
2 0
1
02
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7
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21
例2：电容式液位传感器
C C1 C2
2 0(l 0 l1) 2 0 1l1
ln(R r ) ln(R r )
l2
2 0l 0
ln(R r )
2 0l1（
ln(R r )
1
1）
l1
C m nl1 线性
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2r 0 l0 1
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§2 电容式传感器的测量电路 传感器与检测技术教程
被测非电量 电容式 电容 传感器
U、I、f
测量电路
直放式 调频电路 外差式
交流电桥电路 调幅电路
普通交流电桥 耦合电感电桥 变压器电桥 双T二极管交流电桥
运算放大器式电路 调宽电路
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一、调频电路
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f 1
2 LC
传感器电容
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第10讲 电容式压力传感器 Capacitive Pressure Sensors
非电量
电容量变化
电容元件
§1 容式传感器的原理和结构 传感器与检测技术教程
1、平板电容器
定极板
C 0rA
C —— 电容量，单位：F 法拉
0—— 真空介电常数，8.85×10-12F/m r —— 极板间介质的相对介电常数
0， C C0 C
0rA(1 )
C0(1 )
C 线性 C0
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3、筒状线位移变面积型
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C0
2 0rl 0
ln(R r )
l
C
C0
C
2 0r(l0
ln(R r )
l )
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（4）双T二极管交流电桥
D2 2
R2
D1 1
R1
a
Ui
C1 C2
RL USC
R1 a R2
RL
1
2
C1 Ui C 2
D1
D2
40
Ui
U
0 t1 t 2 t3
U
T
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t
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