电容传感器

用电测法测量非电学量时，**必须将被测的非电学量转换为电学量而后输入之。通常非电学量变换成电学量的元件称为变换器；根据不同非电学量的特点设计成的有关转换装置称为传感器，而被测的力学量（如位移、力、速度等）转换成电容变化的传感器称为电容传感器。

测量方法

有多种测量电容的方法。但只有运算电容法适合自动在线测量。应用中使用较多的有直流充放电法和交流法。从信号处理过程来看，充放电法与交流法并无本质区别。[4]
充放电法的信号处理流程如图1.
图1 充放电法的信号处理流程图
图1 充放电法的信号处理流程图
交流法的信号处理流程如图2.
图2 交流法的信号处理流程
图2 交流法的信号处理流程
因此，可以将两个电路统一起来。信号流程图如图3
图3 统一的测量变换电路
图3 统一的测量变换电路
相控整流电路对输入噪声信号的频谱产生搬移的作用。低频噪声成分被搬移到高频段，高频噪声成分被搬移到低频段。
相控整流输出的信号将被送入到低通滤波器中处理。输出噪声信号中的高频成分将被滤除掉。因此，相控整流电路输入信号中的低频噪声不会对*终测量结果产生影响。而(2n-1)fc附近的噪声将被搬移到低频出，影响*终测量结果。
为使测量电路有较高的分辨率，应使输入到相控整流电路的信号有较大的幅度，并有较高的信噪比。
前级放大电路，不但将信号放大，同时也引入了噪声。放大电路引入的噪声是由放大电路本身决定的。信号经过一级处理电路后，将加入固定幅度的噪声。因此，在输出信号幅度一定时，信号的信噪比与信号的平均值成正比。
充放电法，在施加方波激励时，交流放大输出的是窄脉冲，信号占空比很低。因此，信噪比也很低。其次，放大脉冲信号要较大的带宽，高次谐波两侧的噪声也将被相控整流器搬移到低频段，加大了低频噪声。
交流法，使用单频率正弦信号作为激励。信号平均值大，因而能得到较高的输出信噪比。同时，由于所处理的信号为单一频率正弦信号，可以使用窄带带通放大器，减小放大器引入的噪声，进一步输出信号的信噪比。
交流法测量变换电路可以得到更高的分辨率。而电路结构并不会比充放电法复杂。因此选用交流激励信号来构成本测量系统。

类型

FW-C1型电容式润滑油实时在线监测传感器

本传感器采用电容式测量方法，可以在线准确测定润滑油的污染程度，包括氧化程度、含水量和其它机械化学杂质污染度，从而精确测定润滑油质量，判定是否需要更换润滑油，即可节约油料，又能预测设备故障，是设备润滑油管理中改变传统的按期换油，实现按质换油的关键部件。本传感器采用螺纹连接，体积小，重量轻，结构可靠，是理想的在线润滑油检测传感器，可普遍应用于各类大型动力机械，轴承，齿轮箱，泵机和汽轮机的润滑油检测质量实时检测中。该传感器还可与控制室中的二次仪表或控制器相连，实现数据存储，积算、传输和控制功能。

FWS-CⅡ型在线电容式水分检测传感器

本传感器采用电容式测量方法，在线检测各种工作机械的液压、润滑系统介质的含水率，特别是外部水容易渗入机械内部的轧钢机、造纸机、汽轮 机、船舶机械。 监视循环油系统是否存在泄漏，如水冷却器等。 监视工作机械的密封元件是否损坏，引起外部水渗入。 监视环境空气湿度对润滑液压系统油品品质和含水率的影响。，从而精确测定润滑油质量，预测设备故障，是设备润滑油管理中的关键部件。本传感器采用螺纹连接，体积小，重量轻，结构可靠，测量精度高，工作稳定，具有较强的抗电磁干扰性能。封闭型不锈钢制外壳具有很好的防水防尘性能。可直接安装于工厂现场液压润滑管道上。是理想的在线水分检测传感器。

ZCS1100型精密电容位移传感器

本传感器采用电容式测量方法，可以在线检测压电微位移、振动台，电子显微镜微调，天文望远镜镜片微调，精密微位移测量等。该传感器是一个单一的通道，高性能线性位移测量系统，创新的电容位移测量技术，提供了纳米测量能力，成本低，适合测量任何导电目标。

ZNXsensor型超精密电容位移传感器

该传感器是一种非接触式的电容位移传感器；两个传感器板形成一个平行板电容器，每个传感器可用在两个不用的测量范围；纳米分辨率；零磁滞。

电容传感器如何取代机械开关

传统的机械开关具有用户熟悉的灵敏度和触觉反馈，对于电容传感器来说，这些参数也必须加以考虑和优化。不同的传感器可能需要独特的灵敏度，这取决于开关功能或开关在产品中的物理位置。而且，一套灵敏度设置不可能适合所有的用户，因此应该允许用户设置不同的灵敏度水平，若能通过灵敏度控制菜单进行选择将是*理想的。例如，AD7142支持这些灵敏性要求，允许一个单独的16位灵敏度控制寄存器为每个传感器编程。这些寄存器也可以嵌入到主机固件中，并在菜单显示中提供，允许用户选择不同的灵敏度水平，以满足其特殊需求。在用户没有与传感器接触期间，如果对每个传感器输入取样，则会白白浪费电池电量。为使电池效率化，CDC应能够检测到用户停止触碰传感器，并自动切换到低功耗模式。当传感器被再度触碰时，IC将自动重新进入正常工作模式。

为了节省更多的功率，还应该包括一个完全关断模式。这种情况下，只要禁用传感器，就会关断整个IC。在便携产品中，禁用传感器开关通常是通过设置一个机械开关或从控制菜单中选择阻塞模式来完成的。

利用电容传感器取代传统的机械开关还有一个好处，就是制造与装配工艺更加简单。传统的机械开关需要手工把每个开关插入到塑料壳体上的专用孔洞中，而一个包含所有这些开关的单一电容传感器板可以一步到位，放置在这个塑料壳体下面。含有一个定位槽口的传感器板安装孔和一些胶水就足以完成传感器板的安装与位置校准。

主处理器板发射的电磁噪声可能会耦合进入电容传感器和传感器走线中，导致不可预知的传感器动作，使性能下降，但通过简单的方法也可帮助将电磁干扰（EMI）对传感器的影响降至。**，CDC应安装在传感器板上，这会使传感器走线长度*短，从而降低EMI被耦合到走线中的机会。其次，利用一个具有结实接地层的四层传感器板，可以为传感器提供额外的EMI屏蔽。如果这两个方法不能有效地将EMI噪声与传感器隔离，还可以把一个接地金属屏蔽体放置在传感器板腔的上方。

电容传感器电场也会耦合到产品的金属壳或导电性金属涂层等导电表面，导致不可预知的传感器动作，这样就造成机械限制，要求电容传感器的边缘与金属表面的边缘保持一定的距离。而且，电容传感器的灵敏度也与传感器正上方的塑料厚度有关。如果塑料过厚，通量电力线将不能有效地穿过塑料，使传感器性能变得不可靠。通常，外壳与传感器之间的距离应该大于1.0mm，塑料厚度应该小于4.0mm，使灵敏度保持在适当的范围内。

优点

对于上述这些力学量，尤其是缓慢变化或微小量的测量，一般来说采用电容式传感器进行检测比较适宜，主要是这类传感器具有以下突出优点：
测量范围大
其相对变化率可超过****；
灵敏度高
如用比率变压器电桥测量，相对变化量可达10-7数量级；
动态响应快
因其可动质量小，固有频率高，高频特性既适宜动态测量，也可静态测量；
稳定性好
由于电容器*板多为金属材料，*板间衬物多为无机材料，如空气、玻璃、陶瓷、石英等；因此可以在高温、低温强磁场、强辐射下长期工作，尤其是解决高温高压环境下的检测难题。
油液的污染形式通常是金属磨粒、氧化物、油泥、结碳、水分、沉淀物、燃油以及氢、氯、热、电、空气等造成的污染。油液污染后其物理或化学性能都会生变化，根据介电常数的变化，便可综合测定在用油的总体污染程度和质量。
该传感器还可与控制室中的二次仪表或控制器相连，在线、连续、实时的检测各种低水分油品的含水率。直接显示，远程控制和报警。实现数据存储，积算、传输和控制功能。普遍应用于大中型机械联动机组的液压、润滑循环系统 例如：高线轧机和板带轧机润滑油系统、板带轧机和棒线轧机液压传动系统、汽轮发电机组润滑系统、造纸机组润滑系统、船舶机械润滑系统、燃料油库。

电容传感器优缺点

电容式传感器较电阻式传感器、电感式传感器而言具有一定的优势，但其也并不是**无缺的，其也有缺点存在，下面我们就对电容式传感器的优缺点进行整合：
优点：价格便宜、实惠;灵敏度高、准确性好;结构简单;恶劣环境下也可适用;温度稳定性好;具有平均效应;动态响应性好;过载能力强。
缺点：输出非线性;寄生电容、分布电容的灵敏度、测量精确度易受影响，不稳定;连接电路较复杂。

电容传感器原理

电容传感器也称为电容物位计，其电容检测元件基于圆筒形电容器原理进行工作，圆筒形电容器主要由两个相互绝缘的同轴圆柱*板构成，在两个*板之间填充介质，则该电容器的容量即为C=2∏eL/lnD/d，其中，ε表示两*板间介质的介电常数，L表示两*板之间相互重合的长度，D表示外面的圆柱形*板的直径，d表示里面的圆柱形*板的直径，由于在固定情况下进行测量时，其D、d、e三个参量是不会变的，因此可根据测量的电容量得知其液位高度。

电容传感器分类

电容式传感器一般由两个平行电*构成，在其两个电*之间以空气作为介质，在不考虑边缘效应的前提下，其电容可表示为C=εS/d，其中，ε表示两电*间介质(即空气)的介电常数，S表示两电*之间相互覆盖的面积，d表示两电*间的距离，电容受这三个参数影响，任意一参数的改变就会使得电容得以改变。因此，可将电容传感器分为介质变化型(ε的变化因此C的变化)、面积变化型(S的变化因此C的变化)和*距变化型(d的变化因此C的变化)三种。

概述

从能量转换的角度而言，电容变换器为无源变换器，需要将所测的力学量转换成电压或电流后进行放大和处理。力学量中的线位移、角位移、间隔、距离、厚度、拉伸、压缩、膨胀、变形等无不与长度有着密切联系的量；这些量又都是通过长度或者长度比值进行测量的量，而其测量方法的相互关系也很密切。另外，在有些条件下，这些力学量变化相当缓慢，而且变化范围*小，如果要求测量*小距离或位移时要有较高的分辨率，其他传感器很难做到实现高分辨率要求，在精密测量中所普遍使用的差动变压器传感器的分辨率仅达到1～5 μm数量级；而有一种电容测微仪，他的分辨率为0.1nm，比前者提高了四个数量级，量程为1250 μm，而且为零磁滞，因此他在精密小位移测量中受到青睐。
电容式传感器是将被测量（如尺寸、压力等）的变化转换成电容量变化的一种传感器。把被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化的传感器。它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。其*常用的形式是由两个平行电*组成、*间以空气为介质的电容器。忽略边缘效应，平板电容器的电容为εA/δ，式中ε为*间介质的介电常数，A为两电*互相覆盖的有效面积,δ为两电*之间的距离。
δ、A、ε 三个参数中任一个的变化都将引起电容量变化，并可用于测量。因此电容式传感器可分为*距变化型、面积变化型、介质变化型三类。*距变化型一般用来测量微小的线位移或由于力、压力、振动等引起的*距变化（见电容式压力传感器）。面积变化型一般用于测量角位移或较大的线位移。介质变化型常用于物位测量和各种介质的温度、密度、湿度的测定。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*广，很有发展潜力的传感器。

工作原理

电容传感器原理根据按压到采集头上的手指的脊和谷在手指表皮和芯片之间产生不同的电容，芯片通过测量空间中的不同的电磁场得到完整的指纹。由这一构造原理，可以大大地提高指纹的防伪性。伪造的指纹一般用硅树脂或者白明胶等绝缘材料，在电容传感器上是无法成像的，这样使伪造的指纹无用武之地。但电容技术的芯片昂贵，且易受到干扰。

简介

电容传感器，英文名称为capacitive type transducer，是一种将其他量的变换以电容的变化体现出来的仪器。其主要由上下两电*、绝缘体、衬底构成，在压力作用下，薄膜产生一定的形变，上下级间距离发生变化，导致电容变化，但电容并不随*间距离的变化而线性变化，其还需测量电路对输出电容进行一定的非线性补偿。