[发明专利]一种差分电容式压力传感器及其用以精确测量管道流体压力的方法

说明书

本发明提供了一种差分电容式压力传感器，包括：测量电容，包括基座电极和感应电极；保护电极，环绕测量电容设置，在测量电容和保护电极之间包括密封空气腔；参考电容，设置在测量电容和保护电极之间。本发明还提供了一种利用该压力传感器精确测量管道流体压力的方法，包括：获得测量电容的电容变化量ΔC；获得测量电容的电容值C₁和参考电容的电容值C₂；设定测量电容的电容值C₁和参考电容的电容值C₂的差分容值C_in等于测量电容的电容变化量ΔC；将差分电容值C_in转换为电压V_in；对转换电压V_in进行补偿和校准并输出。本发明消除了因两电极之间密封空气介电常数的变化所造成的电容量漂移影响，减小了测量误差，提高了测量精度。

技术领域

本发明主要涉及电容式压力传感器技术领域，尤其涉及一种使用差分电容式压力传感器及其用以精确测量管道流体压力的方法。

背景技术

电容式压力传感器，是一种利用电容敏感元件将被测压力转换成与之成一定关系的电量输出的压力传感器。

图1是传统的压力传感器的结构示意图，包括防护套1、密封胶2、插头总成3和壳体20，陶瓷电容18和柔性电路板4通过密封件19设置在插头总成3和壳体20之间。

结合图2示意说明该压力传感器的工作原理。

当冷媒压力施加到封装在其中的陶瓷电容18后，陶瓷电容18感压膜片受到机械压力形变后，陶瓷电容18输出一陶瓷电容电容值。陶瓷电容电容值经过电容转换为电压(简称C/V)转换电路后，并经过模数转换器(简称ADC)转换后输出一原始电压值RAW_P，该原始电压值再经过内部主芯片MCU校准计算后输出一校准数字量CAL_P，该校准数字量按照串行通讯网络LIN通讯协议通过LIN收发器输出标准LIN信号或者直接输出一模拟信号，从而获得机械压力的当前数值。

图3所示为传统电容式压力传感器的常态示意图。

从图示中可以了解到，该传感器的组成包括：一组电容极板作为敏感元件，该电容极板采用圆形金属薄膜或镀金属薄膜，当薄膜感受压力而变形时,薄膜与固定电极之间形成的电容量发生变化，通过测量电路即可输出与电压成一定关系的电信号。

在图3中，位于上面的电容极板为基座电极31，与其相对的另一个电容极板为感应电极32，感应电极32感应压力后会发生变形。在该组电容极板周围间隔密封空气腔34之外还设有环形保护电极32。具体来说，该电容式压力传感器的基本测量原理是通过测量该组电容极板之间的电容变化量，来获得测量对象压力值。

根据电容变化量的计算公式，当电容膜片材料，厚度确定时，自变量电容极板之间的距离随压力的变化而变化。

但在实际应用中，由于基座电极31和感应电极32之间封装时会有密封空气，而密封空气会因为温度的变化而发生形态变化，导致空气的介电常数ε改变产生测量误差，无法被系统消除。所以目前电容式压力传感器的测量精度受温度变化影响，其测量精度较低，一般为3～5％FS左右。

为了消除密封空气带来的介电常数的改变而产生的误差，使电容的输出容值仅和当前承受的压力相关，必须解决相对介电常数ε在不同环境下的变化问题。

在一种解决方案中，可以对基座电极31和感应电极32之间的密封空气腔进行抽真空处理，可以消除密封空气带来的测量误差，但是由于目前加工的工艺所限，尤其是基座电极31采用陶瓷材料，抽真空难度较高，一般在工业使用中不推荐此方法。所以，需要进一步研发一种高精准度电容式压力传感测量方法。