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。
电容式压力传感器的结构和工作原理
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见的压力测量装置，它利用电容的变化来感知外部压力的变化。
其工作原理主要基于电容的变化与被测介质的压力之间的关系。
本文将从电容式压力传感器的基本结构和工作原理入手，详细介绍其工作原理。
电容式压力传感器的基本结构包括两个平行的金属电极，这两个电极之间填充有一种介质，当外部施加压力时，介质的压缩会导致两个电极之间的电容发生变化。
这种电容的变化与介质的压力成正比，通过测量电容的变化就可以得到外部压力的大小。
在电容式压力传感器中，介质的选择非常关键。
通常情况下，介质的压缩性越大，电容的变化就越明显。
因此，压力传感器的灵敏度与介质的特性密切相关。
另外，传感器的结构设计也会影响到电容的变化，一些特殊结构的传感器可以在压力较小的情况下获得更大的电容变化，从而提高传感器的测量精度。
在实际应用中，电容式压力传感器通常会与电路连接，通过测量电容的变化来获得压力的大小。
传感器的电路一般会包括电容测量电路和信号处理电路。
电容测量电路用于测量电容的变化，通常会采用充放电法或者交流桥路法来实现。
而信号处理电路则用于将电容的变化转换为标准的电压或电流信号，以便于后续的数据处理和显示。
除了压力的测量，电容式压力传感器还可以应用于液位的测量。
通过将传感器的电极部分浸入液体中，介质的压缩会受到液体的压力影响，从而可以实现液位的测量。
这种应用场景下，传感器的介质选择和结构设计会有所不同，需要考虑液体的密度和粘度等因素。
总的来说，电容式压力传感器利用电容的变化来感知外部压力的变化，其工作原理简单而有效。
通过合理的结构设计和信号处理电路的设计，可以实现对压力的准确测量，并且可以应用于不同介质和工作环境下的压力测量和液位测量。
在实际应用中，需要根据具体的需求选择合适的传感器型号和参数，以确保测量的准确性和稳定性。
电容式压力传感器
= 0, Q= 1, 于是A点为低电位, C1通过VD1迅速放电, 而B点高
电位通过R2对C2充电, 时间常数为τ2=R2C2, 直至G点电位高于 参比电位Ur。
比较器A2输出正跳变信号, 使触发器发生翻转, 重复前述 过程。 电路各点波形如图 所示, 当差动电容器的C1 = C2时, 其 平均电压值为零。当差动电容C1 ≠ C2, 且C1 > C2时, 则τ1 = R1 C1>τ2 = R2 C2 。由于充放电时间常数变化, 使电路中各点电压 波形产生相应改变。
如图 所示, 此时uA、uB脉冲宽度不再相等, 一个周期 （T1+T2）时间内其平均电压值不为零。此uAB电压经低通滤波 器滤波后, 可获得输出
uAB
uA
uB
U1(T1 T2 ) T1 T2
式中: U1——触发器输出高电平;T1、T2——C1、C2充放电 至Ur所需时间。
由电路知识可知:
T1 =R1C1ln U1(T1 T2 ) T1 T2
变极距型电容式传感器只有在Δd/d0很小时, 才有近似的线 性输出。
一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在 20～100pF 之间, 极板间距离在25～200μm的范围内, 最大位移应小于间距 的1/10, 故在微位移测量中应用最广。
二、 变面积型电容式传感器
图 是一种变极板间介质的电容式传感器用于测量液位 高低的结构原理图。
1
1
f0=
2 [(C1 C2 C0 )L] 2
当被测信号不为 0 时, C≠0, 振荡器频率有相应变化, 此时频率 为
f
1
1 f0 f
2 [(c1 c2 c0)L] 2
电容式传感器
将被测非电量的变化转换为电容量变化的传感器
41113105 生物工程 钟超群
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。 典型的电容式传感器由上下电极、绝缘体和衬底构 成。当薄膜受压力作用时，薄膜会发生一定的变形，因 此，上下电极之间的距离发生一定的变化，从而使电容 发生变化。但电容式压力传感器的电容与上下电极之间 的距离的关系是非线性关系，因此，要用具有补偿功能 的测量电路对输出电容进行非线性补偿。
3.2 电容式物位传感器
电容式物位传感器有两个导电极板(通常把容器壁作为 一个电极),由于电极间是气体、液体或固体而导致静电容 发生变化,因而可以敏感物位。它的敏感元件有三种形式, 即棒状、板状和线状,其工作温度、压力主要受绝缘材料的 限制。电容式物位传感器可以采取微机控制,实现自动调整 灵敏度,并具有自诊断功能,同时能够检测敏感元件的破损、 绝缘性的降低、电缆和电路的故障等,并可以自动报警,实 现高可靠性的信息传递。由于电容式传感器无机械可动部 分,且敏感元件简单,操作方便,是目前应用最广的一种物位 传感器。
3.3 固态电容式指纹传感器
个人身份的确定和权限的认定是人类社会生活的一个重要环节,尤其随 着信息网络时代的到来,人们对安全性的要求越来越高。传统的身份识别方 法在安全性、可靠性方面的不足越来越明显。随着传感器技术的发展,人们 利用电容式传感器对人体不变的生物特征如指纹进行识别,从而识别人的身 份,可靠性大大提高,广泛应用与养老金领取、人事工资管理、银行柜员身 份确认等很多场合。 目前市场上有两种固态指纹传感器,第一种是单次触摸型传感器,要求 手指在采集区进行可靠的触摸;第二种则需要用手指在传感器表面擦过,传 感器会采集一套特定的数据进行快速分析和认证。这两种指纹传感器都是 利用指纹中凸起的部分置于传感器电容像素电极时电容量会有所增加,从而 通过检测增加的电容来进行数据采集的。目前这两种指纹传感器都得到了 广泛的应用。
电容式传感器教学
各种电容式传感器
电容式压力 变送器
电容式差压传感器
电容式接近开关
Байду номын сангаас
硅微压力 电容式传感器
电容式传感器典型应用
电容式指纹传感器
测量管道液位高度
4.1 电容传感器工作原理和类型
❖ 电容式传感器是将被测非电量变化成电容量的变化。
一、电容传感器工作原理 1、以平板电容说明：
C s 0r s
改变式中
接大气
传感器
基准
低压 阀
选通 阀
管 道
高压 阀
接真空 低压 阀
传感器
管道
高压 阀
反应罐
2.电容板材在线测厚仪
➢电容测厚仪用于测量金属带材在轧制过程中的厚度变化。
• 带材是电容的动极板，总电容 C1+C2 作为桥臂。 • 带材只是上下波动时 Cx = C1+C2总的电容量不变；
带材的厚度变化使电容 Cx 变化。
二、测量电路
1.电桥电路
由电容转换元件组成的变压器式交流电桥测量系统如图 所示，电容传感器 C1,两C2 个桥臂为差动形式
交流电桥的输出电压为：
U0
U 2
Z1 Z2
Z2 Z1
U0
U 2
C1 C2
C2 C1
代入：
Z1
1
jc1
1
Z2 jc2
U0
U 2
C1 C2
C2 C1
极板在中间位置时
C x
C0
a
➢ 平板变面积型电容传感器灵敏度
初始电容：
C0
ab
结论：
C b k0 x
• 变面积式电容传感器灵敏度k0为常数；
第十讲 压力测量知识
精密表 0.1, 0.16, 0.25, 0.4
工业表 1.0, 1.5, 2.5
37
仪表类型选择
①被测介质压力大小 ②被测介质的性质
例如，氧气、乙炔都有专门的测量仪表，对腐蚀性介质要采 用不锈钢或其他耐腐蚀的材料
③对仪表输出信号的要求
例如是否需要为电信号
④使用环境
P1
P2
比较高，常用于测量低压、负 压、差压。
体积大，读数不方便，玻璃管 易损坏。
假设被测的介质为气体，可忽 略被测介质的高度形成的静压 值。根据流体静力学原理可得
h1
0
h2
P P P2 g (h1 h2 ) 1
U型管
10
单管压力计
h1 A1 h2 A2 h1 h2 A2 A1
40
压力表的安装
导压管的敷设
导压管长度小于50m，内径为6-10mm。 对于水平敷设，导压管要有1：10～1：20的坡度，测量液 体介质时下坡，测量气体介质时上坡。
当被测介质易冷凝或冻结，必须加装伴热管后再行保温；
当测量腐蚀性介质时，应加装隔离罐；当测量高温蒸气压
力时，应加装冷凝盘管；测量含尘气体时，应加装灰尘捕
12
h2 l sin a
主要用于测量微小的压力、负压和压差。
斜管压力计
13
液柱式压力计特点
液柱式压Байду номын сангаас计常用液体－封液
水，酒精，四氯化碳，水银
优点
可测微压
简单可靠、准确度高
缺点
不能测过高压力 测量结果难以转成电量，因而难以远传、自动记录和用于动态测 量
电容式进气压力传感器
进气压力传感器
进气压力传感器主要检测的是节、 气门后方的进气歧管的绝对压力， 它根据发动机转速和负荷的大小 检测出歧管内绝对压力的变化， 然后转换成信号电压送至电子控 制器(ECU)，ECU依据此信号电压 的大小，控制基本喷油量的大小。
数字信号：信号频率随进气真空的改变而改变，当没有真空时信号频率 为160HZ，在怠速时真空度为64.3kPa，信号频率约为105HZ。检测时应按 照维修手册中的资料来确定真空度和输出频率信号的关系。
波形的幅值大多数应满5V，波形的形状要适当一致，矩形的拐角和垂直 沿的一致性要好。
OVER
进气压力传感器输出特性
发动机工作中，节气门开度越小，进 气歧管的真空度越大，歧管内的绝对 压力就越小，输出信号电压也越小。 节气门开度越大，进气歧管的真空度 越小，歧管内的绝对压力就越大，输 出信号电压也越大。输出信号电压与 歧管内真空度的大小成反比（负特 性），与歧管内绝对压力的大小成正 比（正特性）。
测量原理
两种检测方法（FORD）
（1）万用表检测
电源线：拔下连接器，点火开关ON，发动机静止，供电电 压５V。
搭铁线：拔下连接器，点火开关OFF，搭铁电阻小于5Ω。
信号线：插好连接器，发动机运转，动态信号频率80Hz— 160Hz，减速80HZ，怠速105HZ，大气压160HZ 。（2源自示波器检测电容式进气压力传感器
1. 结构： 厚膜电极附在氧化铝膜片上 2. 原理： 两氧化铝膜片构成电容，膜片上的压力 电容值传感器输 出信号的频率（80~120HZ）与进气压力成正比。 3. 应用 FORD、LINCOLN-MERCURL车型
金属电容式压力传感器工作原理
金属电容式压力传感器工作原理金属电容式压力传感器是一种常见的压力传感器，它通过测量金属电容的变化来实现对压力的检测和测量。
其工作原理是利用金属电容在外力作用下的形变特性，从而改变电容值，进而实现对压力的测量。
金属电容式压力传感器由金属弹性元件和电容测量电路组成。
金属弹性元件通常采用金属薄膜或金属薄片制成，其形状和尺寸可以根据具体应用场景的需求进行设计。
当外力作用在金属弹性元件上时，金属弹性元件会产生形变，从而改变金属电容的值。
金属电容的变化通过电容测量电路来检测和测量。
电容测量电路通常由电容传感器、电容调节电路和信号处理电路组成。
电容传感器用于感知金属电容的变化，将变化后的电容值转换为电信号。
电容调节电路用于调节电容传感器的工作状态，保证其在合适的范围内工作。
信号处理电路用于对电容传感器输出的电信号进行放大、滤波、线性化等处理，以便得到准确的压力测量值。
金属电容式压力传感器的工作原理基于电容的变化规律。
根据电容的定义，电容C等于电容器两极板之间的介电常数k乘以两极板之间的面积A，再除以两极板之间的距离d。
即C=kA/d。
当外力作用在金属弹性元件上时，形变会导致两极板之间的距离d发生变化，从而改变电容的值。
利用电容与电容值之间的关系，可以推导出金属电容式压力传感器输出信号与外力之间的关系。
金属电容式压力传感器具有许多优点。
首先，由于金属弹性元件的形变对电容的改变十分敏感，因此可以实现较高的测量精度。
其次，金属电容式压力传感器具有较宽的测量范围和良好的线性特性，适用于多种压力检测和测量场景。
此外，金属电容式压力传感器具有较小的尺寸和重量，便于集成和安装。
然而，金属电容式压力传感器也存在一些限制和注意事项。
首先，金属电容式压力传感器对温度变化较为敏感，温度的变化会导致金属弹性元件的形变，从而影响电容的测量结果。
因此，在实际应用中，需要考虑温度补偿措施，以提高测量精度。
其次，由于金属电容式压力传感器采用金属材料制成，对于某些特殊环境，如腐蚀性气体或液体的存在，可能会导致金属材料的腐蚀和损坏。
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R(R 2RL) RLUf (C1 C 2) (R RL)2
U SC KUf (C1 C 2)
44
传感器与检测技术教程
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
45
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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)
32
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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
37
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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
传感器与检测技术教程
7
传感器与检测技术教程
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
传感器与检测技术教程
2r 0 l0 1
24
§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
25
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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15
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 )
39
传感器与检测技术教程
（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
41