电容式压力传感器通过检测由隔膜移动引起的电容变化来测量压力。
电容器由两个平行的导电板组成,两个导电板之间隔开一个小间隙。电容定义为:
哪里:
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更改任何变量都会导致电容发生相应变化。最容易控制的是间距。这可以通过使一个或两个板成为受压力变化而偏转的隔膜来完成。
通常,一个电极是压敏膜片,另一个是固定的。电容式压力传感器的示例在右侧显示。
测量电容变化的一种简单方法是使其成为调谐电路的一部分,该电路通常由电容传感器和电感器组成。这可以改变振荡器的频率或改变谐振电路的交流耦合。
隔膜可以由多种材料制成,例如塑料,玻璃,硅或陶瓷,以适合不同的应用。
传感器的电容通常约为50至100 pF,变化仅为几微微法拉。
可以选择材料的刚度和强度以提供一定范围的灵敏度和工作压力。为了获得大信号,传感器可能需要相当大,这可能会限制操作的频率范围。但是,较小的振动膜更灵敏,响应时间更快。
大而薄的振膜可能对振动噪声敏感(毕竟,在低压情况下,使用相同的基本原理制造电容式麦克风)。
高压传感器中使用了较厚的隔膜,以确保机械强度。通过控制隔膜厚度,可以轻松构建满量程压力高达5,000 psi的传感器。
![]() 电容式传感器结构的横截面 |
通过为热膨胀系数低的电容器板选择材料,可以使传感器对温度变化的敏感性非常低。该结构还需要具有低滞后性,以确保测量的准确性和可重复性。
因为膜片本身是传感元件,所以没有多余的元件粘结到膜片上的问题,因此电容传感器能够在比某些其他类型的传感器更高的温度下工作。
电容式压力传感器也可以采用与制造半导体电子设备相同的制造技术直接构建在硅芯片上(见左图)。这样就可以构建非常小的传感元件,并与电子设备组合在一起进行信号调节和报告。使用微电子机械系统(MEMS)的压力传感器将在6.4章中进行详细介绍。
可以通过将传感器连接到频率相关的电路(例如振荡器或LC振荡电路)中来测量电容的变化。在这两种情况下,电路的谐振频率都会随着电容随压力的变化而变化。
振荡器需要一些额外的电子组件和电源。谐振LC电路可以用作无源传感器,而无需其自身的电源。
板之间材料的介电常数可能随压力或温度而变化,这也可能是误差的来源。空气和大多数其他气体的相对介电常数随压力而增加,因此这将略微增加电容随压力的变化。在这方面,在板之间具有真空的绝对压力传感器表现理想。
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可以通过使用“触摸模式”来构造更线性的传感器,在这种模式下,隔膜在整个正常工作范围内(如右图所示)与相对的板(中间有一层薄绝缘层)接触。这种结构的几何形状导致输出信号更加线性。
这种类型的传感器也更加坚固,能够应对更大的超压。这使其更适合工业环境。但是,由于两个表面之间的摩擦,该结构更易于滞后。
![]() 一些无源传感器中的外部天线可刺激调谐电路 |
用于测量和调节信号的电子设备需要靠近传感元件放置,以最大程度地减小杂散电容的影响。
由于电容传感器可以作为组件集成到高频调谐电路中,因此非常适合无线测量。
对于无源传感器,可以使用外部天线来提供信号来刺激调谐电路,从而测量谐振频率的变化(参见左图)。这使得它们适用于需要植入的医疗设备。
替代地,对于有源传感器,由振荡器产生的频率可以由天线拾取。
电容式压力传感器通常用于测量喷气发动机,汽车轮胎,人体和许多其他地方的气体或液体压力。但是它们也可以用作可穿戴设备中的触觉传感器,或者测量施加到开关或键盘上的压力。
它们具有多种用途,部分是由于其机械简单性,因此可以在苛刻的环境中使用。电容传感器可用于绝对,表压,相对或差压测量。
电容式压力传感器比其他类型的压力传感器具有许多优势。
它们可以具有非常低的功耗,因为没有直流电流流过传感器元件。电流仅在信号通过电路测量电容时流动。外部读取器向电路提供信号的无源传感器不需要电源-这些属性使其非常适合远程或IoT传感器等低功率应用。
传感器的机械结构简单,因此坚固耐用,输出稳定,适合在恶劣的环境中使用。电容式传感器通常可以承受暂时的过压情况。
它们具有低磁滞性和良好的重复性,并且对温度变化不太敏感。
另一方面,电容式传感器具有非线性输出,尽管在触摸模式设备中可以减小非线性输出。然而,这可能以更大的磁滞为代价。
最后,由于传感器的高输出阻抗并且要最大程度地减小寄生电容的影响,接口电子器件需要仔细的电路设计。