Емкостный принцип измерения

В 60-х годах XX в. были разработаны первые аналоговые электронные датчики давления, в которых использовался емкостный принцип измерения.

¹⁾ Атмосферное для датчиков избыточного давления и вакуум для датчиков абсолютного давления.

Емкостный сенсор в его современном варианте представляет собой конденсатор, образованный диэлектрической оболочкой сенсора, помещенной внутри прочного металлического корпуса, измерительными электродами, выполняющими функцию обкладок конденсатора, и упругой металлической или керамической мембраной. Пространство между мембраной и электродами заполнено силиконовым маслом, служащим для передачи давления на мембрану и одновременно для увеличения емкости конденсатора. При подаче разности давлений на сенсор мембрана деформируется, и емкость между обкладками изменяется. Измерение емкости производится электронным модулем датчика, подключенным к обкладкам сенсора. Кроме того, сенсор обычно содержит еще термопреобразователь (на рисунке не показан).
Преимуществами емкостного принципа измерения являются сравнительно простая (на первый взгляд) конструкция сенсора, достаточно высокая чувствительность (∆C/C = 15...20%) и большой практический опыт разработки датчиков с емкостными сенсорами, накопленный к настоящему времени.

Однако, несмотря на более чем 30-летнюю историю своего применения и совершенствования, емкостные сенсоры и сейчас обладают весьма существенными недостатками и ограничениями, вытекающими из базовых законов физики и до конца неустранимыми за счет совершенствования конструкции, материалов и технологии изготовления. Такими недостатками являются:

нелинейный выходной сигнал сенсора;
значительный гистерезис (из-за неидеальных упругих свойств мембраны);
сильное влияние статического давления (за счет изменения диэлектрической проницаемости заполняющей жидкости);
существенное влияние температуры (за счет температурного расширения элементов сенсора и изменения диэлектрической проницаемости);
недостаточная стабильность (из-за "усталости" материала мембраны);

чувствительность к вибрации (резонансная частота колебаний мембраны находится в пределах спектра промышленных вибраций).

Часть этих недостатков (нелинейность, влияние температуры и отчасти давления) до определенной степени компенсируется в современных серийных датчиках путем так называемой "характеризации", т. е. калибровки датчиков на заводе-изготовителе при различных температурах и давлениях с дальнейшим расчетом и "прошивкой" таблицы поправочных коэффициентов в память микропроцессорного электронного модуля. Это весьма трудоемкая и дорогостоящая проце­дура, требующая специального высокоточного оборудования, что сказывается на стоимости датчиков.

Другие недостатки (гистерезис, дрейф нуля, остаточное влияние статического давления, чувствительность к вибрации) не могут быть скомпенсированы характеризацией. Чтобы уменьшить эти недостатки, изготовители применяют современные прогрессивные материалы для центральной мембраны сенсора, а также различные, все более изощренные варианты конструкции сенсора. Определенный прогресс в данном вопросе имеется, однако, кардинальные решения, устраняющие указанные недостатки, невозможны в принципе, поскольку эти недостатки заложены в самом емкостном принципе измерения. А каждое следующее небольшое улучшение характеристик значительно усложняет конструкцию и технологию изготовления датчика, что ведет к его удорожанию и не способствует повышению надежности.