电容式压力传感器工作原理图

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。

单电容式压力传感器工作原理今天咱们来唠唠单电容式压力传感器这个超有趣的小玩意儿的工作原理呀。

你看啊，电容这东西呢，就像是两个小伙伴在玩一种特殊的“隔空互动”游戏。

单电容式压力传感器里啊，有这么一个电容结构。

它一般有两块极板，这两块极板就像两个面对面站着的小伙伴，中间呢，有个小小的空隙。

这个空隙可就像是他们之间的小秘密空间啦。

正常情况下，这个电容的大小是由极板的面积、极板之间的距离还有极板之间的介质这些因素决定的。

就好比这两个小伙伴之间互动的强度，是由他们站得多近、他们自己有多大，还有他们周围的环境决定的一样。

那压力是怎么掺和进来的呢？当有压力作用在这个传感器上的时候，就像是有个调皮的小精灵在捣乱。

这个压力会让其中一块极板或者是让整个电容结构发生一些微小的变形。

比如说，可能会让极板之间的距离变小一点。

这就好比那两个小伙伴本来站得有点远，突然被轻轻推了一下，距离就拉近了一些呢。

一旦极板之间的距离变小了，电容可就发生变化啦。

你想啊，电容的计算公式里，极板距离是个很关键的因素呢。

距离变小了，按照公式算出来的电容值就会变大。

这就像是那两个小伙伴因为距离拉近了，他们之间的那种“互动能量”就增强了一样。

那这个电容值的变化怎么被我们知道呢？这就靠传感器里面的电路啦。

电路就像是一个超级敏锐的小侦探。

它能察觉到电容值的这种微小变化。

然后呢，把这个变化转化成我们能看懂的电信号。

这个电信号就像是一个小暗号，告诉我们压力有多大。

比如说，如果电容值变化得比较大，那可能就是压力比较大；如果电容值变化得比较小，那压力也就比较小。

而且哦，这个单电容式压力传感器可聪明啦。

它能够很精确地测量压力呢。

哪怕是很微小的压力变化，它都能通过电容的变化和电路的检测给反映出来。

就像一个特别细心的小助手，一点小动静都逃不过它的眼睛。

再说说它的应用吧。

这种传感器在好多地方都大显身手呢。

比如说在汽车里，它可以用来测量轮胎的气压。

轮胎里的气压有变化，它就能马上知道，然后告诉司机师傅。

MEMS压力传感器原理及应用详解目前的MEMS压力传感器有硅压阻式压力传感器和硅电容式压力传感器，两者都是在硅片上生成的微机电传感器。

硅压阻式压力传感器是采用高精密半导体电阻应变片组成惠斯顿电桥作为力电变换测量电路的，具有较高的测量精度、较低的功耗，极低的成本。

惠斯顿电桥的压阻式传感器，如无压力变化，其输出为零，几乎不耗电。

其电原理如图1所示。

硅压阻式压力传感器其应变片电桥的光刻版本如图2。

图1 惠斯顿电桥电原理图2 应变片电桥的光刻版本MEMS硅压阻式压力传感器采用周边固定的圆形的应力杯硅薄膜内壁，采用MEMS技术直接将四个高精密半导体应变片刻制在其表面应力最大处，组成惠斯顿测量电桥，作为力电变换测量电路，将压力这个物理量直接变换成电量，其测量精度能达0.01%~0.03%FS。

硅压阻式压力传感器结构如图3所示，上下二层是玻璃体，中间是硅片，硅片中部做成一应力杯，其应力硅薄膜上部有一真空腔，使之成为一个典型的绝压压力传感器。

应力硅薄膜与真空腔接触这一面经光刻生成如图2的电阻应变片电桥电路。

当外面的压力经引压腔进入传感器应力杯中，应力硅薄膜会因受外力作用而微微向上鼓起，发生弹性变形，四个电阻应变片因此而发生电阻变化，破坏原先的惠斯顿电桥电路平衡，产生电桥输出与压力成正比的电压信号。

图4是封装如IC的硅压阻式压力传感器实物照片。

MEMS硅压阻式压力传感器图3 硅压阻式压力传感器结构图4 硅压阻式压力传感器实物MEMS电容式压力传感器电容式压力传感器利用MEMS技术在硅片上制造出横隔栅状，上下二根横隔栅成为一组电容式压力传感器，上横隔栅受压力作用向下位移，改变了上下二根横隔栅的间距，也就改变了板间电容量的大小，即△压力=△电容量。

电容式压力传感器实物如图。

图5 电容式压力传感器结构图6 电容式压力传感器实物MEMS压力传感器的应用MEMS压力传感器广泛应用于汽车电子：如TPMS（轮胎压力监测系统）、发动机机油压力传感器、汽车刹车系统空气压力传感器、汽车发动机进气歧管压力传感器（TMAP）、柴油机共轨压力传感器;消费电子，如胎压计、血压计、橱用秤、健康秤，洗衣机、洗碗机、电冰箱、微波炉、烤箱、吸尘器用压力传感器、洗衣机、饮水机、洗碗机、太阳能热水器用液位控制压力传感器;工业电子，如数字压力表、数字流量表、工业配料称重等。

电容式传感器简介capacitive type transducer把被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化的传感器。

它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。

其最常用的形式是由两个平行电极组成、极间以空气为介质的电容器（见图）。

若忽略边缘效应，平板电容器的电容为εA/δ，式中ε为极间介质的介电常数，A为两电极互相覆盖的有效面积,δ为两电极之间的距离。

δ、A、ε三个参数中任一个的变化都将引起电容量变化，并可用于测量。

因此电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型、介质变化型三类。

极距变化型一般用来测量微小的线位移或由于力、压力、振动等引起的极距变化(见电容式压力传感器)。

面积变化型一般用于测量角位移或较大的线位移。

介质变化型常用于物位测量和各种介质的温度、密度、湿度的测定。

70年代末以来,随着集成电路技术的发展,出现了与微型测量仪表封装在一起的电容式传感器。

这种新型的传感器能使分布电容的影响大为减小，使其固有的缺点得到克服。

电容式传感器是一种用途极广，很有发展潜力的传感器。

电容式传感器工作原理电容式传感器也常常被人们称为电容式物位计，电容式物位计的电容检测元件是根据圆筒形电容器原理进行工作的，电容器由两个绝缘的同轴圆柱极板内电极和外电极组成，在两筒之间充以介电常数为e的电解质时，两圆筒间的电容量为C=2∏eL/lnD/d，式中L为两筒相互重合部分的长度；D为外筒电极的直径；d为内筒电极的直径；e为中间介质的电介常数。

在实际测量中D、d、e是基本不变的，故测得C即可知道液位的高低，这也是电容式传感器具有使用方便，结构简单和灵敏度高，价格便宜等特点的原因之一。

电容式传感器优缺点电容器传感器的优点是结构简单,价格便宜，灵敏度高，零磁滞，真空兼容，过载能力强，动态响应特性好和对高温、辐射、强振等恶劣条件的适应性强等。

缺点是输出有非线性，寄生电容和分布电容对灵敏度和测量精度的影响较大，以及联接电路较复杂等。

3.43 电容式压力传感器的结构和工作原理是怎么样的？
差压式电容传感器的核心部分是一个差动变极距式电容传感器。

它以热胀冷缩系数很小的两个凹形玻璃（或绝缘陶瓷）圆片上的镀金薄膜作为定极板，两个凹形镀金薄膜与夹紧在它们中间的弹性平膜片组成C1和C2 。

当被测压力p
、p2由两侧的内螺纹压力接头
进入各自的空腔，该压力通过不锈钢波纹隔离膜
以及热稳定性很好的灌充液（导压硅油），传导
到“δ腔”。

弹性平膜片由于受到来自两侧的压力
之差，而凸向压力小的一侧。

在δ腔中，弹性膜
片与两侧的镀金定极之间的距离很小（约0.5mm
左右），所以微小的位移（不大于0.1mm）就可
以使电容量变化100pF以上。

测量转换电路（相
敏检波器）将此电容量的变化转换成4~20mA的
标准电流信号，通过信号电缆线输出到二次仪
表。

从图b中还可以看到，该压力变送器自带液
晶数码显示器。

可以在现场读取测量值，总共只
需要电源提供4~20mA
电流。

电容式差压传感器
δ室剖面图
差动电容的输入激励源通常做在信号处理壳体中，其频率通常
选取100kHz左右，幅值约为１０V pp左右。

经变送器内部的CPU
线性化后，差压变送器的输出精度一般可达1%左右。

带隔离膜片的差动电容压力传感器
对额定量程较小的差动电容式差压变送器来说，当某一侧突然失压时，巨大的差压有可能将很薄的平膜片压破，所以设置了安全悬浮膜片和限位波纹盘，起过压保护作用。

电容式压力传感器的工作原理
电容式压力传感器是一种常用的压力测量装置。

它利用电容的变化来测量外力对其施加的压力。

其工作原理如下：
1. 电容是指两个电极之间的储存电荷的能力，可以通过距离两电极的距离和媒介介电常数来调节电容的大小。

2. 电容式压力传感器通常由两个平行的金属电极构成，形成一个电容结构。

3. 当外力施加到传感器上时，电容结构的形状和尺寸会发生微小的变化，进而影响电容的大小。

4. 这种微小的形变会导致电容值的变化。

通常，压力增大导致电容减小，压力减小则导致电容增大。

5. 传感器连接到一个电路中，通过测量电容的变化来推测外力对传感器的压力。

6. 传感器的电路可以根据电容变化转换为压力或压力差的电信号。

7. 检测到的电信号可以通过变换电路放大和处理后送往显示器、记录仪或控制系统等设备。

综上所述，电容式压力传感器通过测量电容的变化来感知外力对其施加的压力，并将此变化转换为电信号进行测量和控制。

第三章 电容式传感器电容测量技术近几年来有了很大进展，它不但广泛用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量，而且，还逐步扩大应用于压力、差压、液面、料面、成分含量等方面的测量。

由于电容式传感器具有一系列突出的优点：如结构简单，体积小，分辨率高，可非接触测量等。

这些优点，随着电子技术的迅速发展，特别是集成电路的出现，将得到进一步的体现。

而它存在的分布电容、非线性等缺点又将不断地得到克服，因此电容式传感器在非电测量和自动检测中得到了广泛的应用。

第一节 电容式传感器的工作原理和结构 一、基本工作原理电容式传感器是一种具有可变参数的电容器。

多数场合下，电容是由两个金属平行板组成并且以空气为介质，如图3—1所示。

由两个平行板组成的电容器的电容量为dAC ε=（3—1）式中ε——电容极板介质的介电常数。

A ——两平行板所覆盖面积； d ——两平行板之间的距离； C ——电容量当被测参数使得式(3—1)中的d 、A 和r ε发生变化时，电容量C 也随之变化。

如果保持其中两个参数不变而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化。

因此。

电容量变化的大小与被测参数的大小成比例。

在实际使用中，电容式传感器常以改变平行板间距d 来进行测量，因为这样获得的测量灵敏度高于改变其他参数的电容传感器的灵敏度。

改变平行板间距d 的传感器可以测量微米数量级的位移，而改变面积A 的传感器只适用于测量厘米数量级的位移。

二、变极距型电容式传感器由式(3—1)可知，电容量c 与极板距离d 不是线性关系,而是如图3—2所示的双曲线关系。

若电容器极板距离由初始值do 缩小d ∆，极板距离分别为do 和do-d ∆，其电容量分别为C0和C1，即0d AC ε=(3—2)⎪⎪⎭⎫⎝⎛∆-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆-=∆-=2020********d d d d d A d d d Add AC εεε(3—3)当Ad 《Ju 时，1…菩*1，则式(3—3)可以简化为 一W一一这时c1与AJ 近似呈线性关系，所以改变极板距离的电容式传感器注注是设计成Ad 在极小的范围内变化。