电容式压力传感器

基本结构与工作机理

电容式压力传感器将压力引起的弹性膜片形变转换为极板间距变化，从而改变电容量。典型差动结构由一片金属测量膜片（动电极）和两个在凹形玻璃盘上镀金形成的固定电极组成，膜片与两侧固定电极分别构成电容 $C_{\mathrm{H}}$ 和 $C_{\mathrm{L}}$。膜片左右两室通常充满硅油，利用其不可压缩性和流动性将两侧压力 $p_{\mathrm{H}}$、$p_{\mathrm{L}}$ 传递到膜片上。

差压-电容转换关系

设初始极板间距为 $d_0$，膜片有效面积为 $A$，极板间介电常数为 $\epsilon$。当差压 $\mathrm{\Delta }p=p_{\mathrm{H}}-p_{\mathrm{L}}>0$ 时，膜片向低压侧偏移 $\mathrm{\Delta }d$，则两侧电容近似为

由此可推导出

由材料力学可知，在小位移范围内膜片位移与差压成正比：

其中 $K$ 为与结构有关的常数。因此

该式表明，差动电容的相对变化量与差压成正比，且与介电常数 $\epsilon$ 无关，从而减小了介电常数随温度、湿度变化带来的影响。若采用脉冲宽度调制电路，测量电路的输出电压可与差压成线性关系。

差压与绝对压力测量

上述结构直接测量两侧压力之差 $\mathrm{\Delta }p$。若将膜片一侧密封并抽至高真空（例如 ${10}^{-5}\mathrm{P}\mathrm{a}$），则该侧压力近似为零，另一侧压力即为绝对压力，此时传感器可测量真空或微小绝对压力，此类器件常称为电容真空计。

隔离与传递结构

在工业差压测量中，为避免被测介质直接接触测量膜片，常采用波纹隔离膜片和基座结构，通过内部填充液（如硅油）将压力传递到中央测量膜片。课件中提及的金属膜、玻璃层、测量膜、波纹隔离膜片及基座即为此类结构。

特点与适用范围

差动电容式压力传感器结构简单、灵敏度高、响应速度快（约 $100\mathrm{m}\mathrm{s}$），能测量微小差压（$0\sim 0.75\mathrm{P}\mathrm{a}$）。使用时需注意减小环境温度、湿度变化、边缘效应、寄生电容的影响，并采用屏蔽电极、注意漏电阻、激励频率和极板支架材料绝缘性。低频工作时漏电阻会降低灵敏度，一般选用 $50\mathrm{k}\mathrm{H}\mathrm{z}$ 到几兆赫的电源频率。

电容差的正负取决于高低压侧、电极编号与输出极性的约定。给出的量程、准确度或响应时间是特定结构实例，不能作为所有电容差压传感器的统一指标。