电容式传感器

电容式传感器称为参数型传感器，其中测量值的变化转换为电容的变化。

电容式传感器应用

电容式传感器的可能应用极为多样。它们用于几乎所有行业的工业过程调节和控制系统。电容式传感器用于控制罐体的液体、粉末或颗粒状物质的填充，例如自动化生产线、传送带、机器人、加工中心、金属切割机、信号系统中的限位开关，用于定位各种机构等。

目前，最广泛使用的是接近（存在）传感器，除了可靠性之外，它们还具有广泛的优势。接近传感器以相对较低的成本覆盖了广泛的方向性，在各行各业都有应用。这种类型的电容式传感器的典型应用领域是：

• 灌装塑料或玻璃容器的信号；

• 控制透明包装的填充水平；

• 线圈断线报警；

• 皮带张力调整；

• 任何种类的部分帐户等

电容式线性编码器和角度编码器是最常见的设备，广泛用于各种测量综合体的工程和运输、建筑和能源领域。

近年来在工业上广泛使用的相对较新的设备已成为小型电容式倾角仪，其电输出信号与传感器的倾角成正比……。以下是倾角仪的主要应用领域：用于平台调平系统，确定各种类型的支撑和横梁的偏差和变形，在建设、维修和运营期间控制公路和铁路的倾角，确定汽车、船舶和水下机器人、起重机和起重机、挖掘机、农业机械的滚动，确定各种类型的旋转物体的角位移 - 轴、轮、静止和移动物体上的变速箱机构。

电容式液位传感器用于食品、制药、化工、炼油行业生产过程的控制系统、调节和管理。它们在处理液体、散装材料、悬浮液、粘性物质（导电和非导电）以及冷凝、多尘条件时非常有效。

电容式传感器还用于各种行业，以测量绝对压力和表压、介电材料的厚度、空气湿度、应变、角加速度和线性加速度等。

电容式传感器相对于其他类型传感器的优势

与其他传感器类型相比，电容式传感器具有许多优势。他们的优势包括：

• 易于生产，使用廉价材料进行生产； ——体积小、重量轻； ——低能耗； - 高灵敏度;

• 缺乏接触（在某些情况下 - 一个集电器）；

• 使用寿命长；

• 需要非常小的力来移动电容式传感器的移动部分；

• 易于使传感器的形状适应不同的任务和设计；

电容式传感器的缺点

电容式传感器的缺点包括：

• 相对较小的转移（转换）系数；

• 对屏蔽件要求高；

• 需要以更高（与 50 Hz 相比）的频率工作；

然而，在大多数情况下，由于传感器的设计，可以实现足够的屏蔽，实践表明，电容式传感器在广泛使用的 400 Hz 频率下可提供良好的效果。固有 电容器 只有当板之间的距离与所考虑表面的线性尺寸相当时，边缘效应才会变得显着。这种影响可以通过保护环在一定程度上消除，这使得可以将其影响转移到实际用于测量的板表面的限制之外。

电容式传感器以其简单性着称，可实现稳健可靠的设计。如果正确选择这些材料，电容器的参数仅取决于几何特性而不取决于所用材料的特性。因此，通过为板选择适当等级的金属及其附件的绝缘材料，温度对表面变化和板间距的影响可以忽略不计。它仍然只是为了保护传感器免受那些可能会破坏板之间绝缘的环境因素的影响——灰尘、腐蚀、湿气、电离辐射。

电容式传感器的宝贵品质——移动其可移动部分所需的少量机械力、调整跟踪系统输出的能力以及高精度操作——使得电容式传感器在误差仅为百分之一甚至百分之一的设备中不可或缺千分之一是允许的。

电容式转换器的类型及其设计特点

通常，电容式传感器是扁平或圆柱形电容器，其中一个极板经历受控运动，从而导致电容发生变化。忽略末端效应，扁平电容器的电容可表示如下：

其中 ε 封闭在板之间的介质的相对介电常数，C 和 e — 所考虑的板的面积，以及它们之间的距离。

电容式传感器可用于测量三个方向的各种量，取决于被测非电量与下列参数的函数关系：

• 介质的可变介电常数 ε；

• 板C的重叠区域；

• 板之间的不同距离 e。

在第一种情况下，电容传感器可用于分析物质的成分，因为介电常数是物质特性的函数。在这种情况下，转换器的自然输入值将是填充板之间空间的物质的成分。这种类型的电容式传感器特别广泛地用于测量固体和液体的水分含量、液位以及确定小物体的几何尺寸。在大多数实际使用电容式传感器的情况下，它们的自然输入值是电极相对于彼此的几何位移。基于此原理，线性和角位移传感器、用于测量力、振动、速度和加速度的设备、传感器接近、压力和应变传感器（引伸计）。

电容式传感器的分类

就实现方式而言，所有电容式测量变送器可分为单电容式和双电容式传感器。后者是差分和半差分。

单电容传感器设计简单，是单个可变电容器。其缺点包括受湿度和温度等外部因素的显着影响。为了补偿这些误差，应用差分设计......与单电容传感器相比，这种传感器的缺点是需要至少三根（而不是两根）传感器和测量设备之间的屏蔽连接线来抑制所谓的 -称为寄生电容。然而，随着此类设备应用领域的准确性、稳定性和扩展的显着增加，这个缺点得到了补偿。

在某些情况下，由于设计原因，很难创建差分电容传感器（对于可变间隙差分传感器尤其如此）。然而，如果同时将一个示例性电容器与一个工作电容器放置在同一外壳中，并且它们在设计、尺寸和使用的材料上尽可能相同，那么整个设备对外部不稳定影响的敏感度将低得多确保。在这种情况下，我们可以谈论半差分电容传感器，它和差分传感器一样，指的是双电容传感器。

双体积传感器输出参数的特殊性，表示为二维物理量（在我们的例子中为电容）的无量纲比率，因此有理由称它们为比率传感器。使用双电容传感器时，测量设备可能根本不包含任何标准电容测量值，这有助于提高测量精度。

直线位移编码器

要测量和控制的非电量是多种多样的。其中很大一部分是线性和角位移。基于一个电容器 电场 可以在工作间隙中统一创建两种主要类型的电容式位移传感器：

• 可变电极面积；

• 电极之间的间隙可变。

很明显，前者更便于测量大位移（单位、数十、数百毫米），后者更便于测量小位移和超小位移（毫米、微米和更小的部分）。

角度编码器

角位移电容式传感器在原理上与线位移电容式传感器类似，变面积传感器也更适用于测量范围不太小（以度为单位）的情况，变角间隙电容传感器可以成功地用于测量小的和超小的角位移。通常，具有可变电容器极板面积的多部分换能器用于角位移。

在此类传感器中，其中一个电容器电极连接到物体的轴上，在旋转过程中，它相对于静止电极发生位移，从而改变电容器板的重叠面积。反过来，这会导致测量电路捕获的电容变化。

测斜仪

测斜仪（倾角传感器）是一种差分电容式倾角传感器，包括一个胶囊形传感元件。

电容式测斜仪

胶囊由带有两个扁平电极的基板 1 覆盖绝缘层，本体 2 密封固定在基板上，本体内部空腔部分充满导电液体 3 ，它是电池的公共电极一个敏感的元素。公共电极与扁平电极形成差分电容器。传感器的输出信号与差分电容器的电容值成正比，与外壳在垂直平面中的位置呈线性关系。

测斜仪的设计使输出信号与一个所谓的工作平面的倾斜角呈线性关系，实际上不会改变另一个（非工作）平面的读数，而其信号与温度的关系很弱变化。为了确定平面在空间中的位置，使用了两个倾斜仪，它们彼此成 90° 角。

具有与传感器倾斜角成比例的电输出信号的小型测斜仪是相对较新的设备。它们的精度高、尺寸小、没有可移动的机械单元、易于现场安装且成本低，因此建议不仅将它们用作滚动传感器，而且还可以用它们代替角度传感器，不仅可以固定，还可以移动对象。

电容式液位传感器

用于测量非导电液体液位的电容式变送器由两个并联的电容器组成

压力传感器

电容式压力传感器的基本设计之一是单定子，用于测量绝对压力（电压力传感器).

这种传感器由一个金属电池组成，金属电池被一个紧密拉伸的扁平金属隔膜分成两部分，在其一侧有一个与身体隔离的固定电极。隔膜电极形成可变电容，包含在测量电路中。当隔膜两侧的压力相等时，换能器是平衡的。其中一个腔室中的压力变化会使隔膜变形并改变由测量电路固定的电容。

在双工位（差压）设计中，隔膜在两个固定板之间移动，参考压力被提供给两个腔室之一，从而以最小的误差直接测量差压（过压或压差）。