电容式压力传感器：结构简单小巧，灵敏度高

时间：2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：电容式差压（压力）传感器具有结构简单、体积小、电容相对变化大、灵敏度高等优点，获得广泛应用。

1.测量原理

电容式差压（压力）传感器是根据电容原理工作的压力检测仪表。它是利用弹性元件受压变形来改变可变电容器的电容量，从而实现压力-电容的转换。电容式差压（压力）传感器具有结构简单、体积小、电容相对变化大、灵敏度高等优点，获得广泛应用。

电容式差压（压力）传感器的测量部分由高低压侧压盖和差动电容膜盒组成，用螺栓固定在一起，其核心部分是一个球面电容器，其原理结构图如图3-17所示。

膜片式可动极板位于两块固定极板之间，同时将高低压室隔离。高低压室充满隔离液，常用硅油。当高低压室分别承受高压p₂和低压p₁时，硅油的不可压缩性和流动性，变能将压差p₂-p₁传递到测量膜片的左右面上。因为测量膜片焊接前加有预张力，所以当时处于中间的平衡位置十分平整，此时定极板左右两电容的电容值完全相等，即C_H=C_L，电容量的差值。当有压差作用时，测量膜片发生变形，也就是动极板向低压侧定极板靠近，同时远离高压侧定极板，如图3-18所示，引起差动电容C_H、C_L变化，使得电容C_H＜C_L。

图3-17 差动电容膜盒

等效电容按下式计算：

式中 C₀——传感器初始电容；

C_A——测量膜片受压变形位置与初始位置间行成的电容；

ε₀——真空介电常数；

ε_r——极板间介质相对介电常数，硅油为2.7；

图3-18 球-平面型差动电容等效电路

T——测量膜片初始张力；经过计算可得到下列结果：

上式说明：

1）差动电容的相对变化量与压力成正比；(www.xing528.com)

2）比值与介电常数ε无关，如与ε有关就会产生很大误差，如ε是温度的函数。

3）如果差动电容的结构完全对称，则可得到良好的稳定性。通过引出线将差动电容的相对变化量H输送到电子转换电路，将其转换成4～20mA直流电流输出。

2.电容式压力传感器测量电路

（1）二极管双T形电路电路原理如图3-19所示，供电电压是交流电源U_s，C₁、C₂为差动式传感器的两个电容。电路的工作原理简述如下：当U_s处于正半周时，VD1导通，VD2截止，C₁充电，同时C₂经U_s、VD1、R₁、R₂及R₂、R_L放电，在负载电阻上的放电电流为i₂；在负半周时，VD1截止，VD2导通，C₂充电，同时C₁经R₁、R₂、VD2、U_s及R₁、R_L放电，在负载电阻上的放电电流为i₁，若R₁=R₂=R，C₁=C₂，则负载上电压周期内的电流正好大小相等，方向相反，其平均值为零。C₁或C₂的任何变化都将使负载上有电压输出，其值为

表明，双T二极管交流电桥测量电路的灵敏度与高频交流电源的电压和频率有关。

图3-19 双T二极管交流电桥

（2）脉冲宽度调制测量电路利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随传感器电容量变化而变化。通过低通滤波器得到对应被测量变化的直流信号。

图3-20所示为差动脉冲调宽电路原理图，图中C₁、C₂为差动式电容传感器的两个电容；A₁、A₂是两个电压比较器，U_AB为其参考电压。当触发器输出Q=1，时，触发器Q端输出高电平电压经R₁对电容C₁充电，F点电位上升，同时电容R₂经VD₂迅速放电G点电位为低；当F点电位大于比较器参考电U_r时，比较器A₁发出一置零脉冲信号，使触发器的输出翻转为低电平，Q=0，，此时电C₁经VD₁迅速放电，F点电位为低，同时触发器Q端的高电平R₂对C₂充电，G点电位上升，当其电位大于比较器参考电压U_r时，比较器A₂发出一置1脉冲信号，使触发器的输出翻转，如此循环，在A、B两端可获得一脉冲宽度可调的PWM信号，经后续的低通滤波器滤波后输出一直流电压信号。