電容式傳感器

電容式傳感器稱為參數型傳感器，其中測量值的變化轉換為電容的變化。

電容式傳感器應用

電容式傳感器的可能應用極為多樣。它們用於幾乎所有行業的工業過程調節和控制系統。電容式傳感器用於控製罐體的液體、粉末或顆粒狀物質的填充，例如自動化生產線、傳送帶、機器人、加工中心、金屬切割機、信號系統中的限位開關，用於定位各種機構等。

目前，最廣泛使用的是接近（存在）傳感器，除了可靠性之外，它們還具有廣泛的優勢。接近傳感器以相對較低的成本覆蓋了廣泛的方向性，在所有行業中都有應用。這種類型的電容式傳感器的典型應用領域是：

• 灌裝塑料或玻璃容器的信號；

• 控制透明包裝的填充水平；

• 線圈斷線報警；

• 皮帶張力調整；

• 任何種類的部分帳戶等

電容式線性編碼器和角度編碼器是最常見的設備，廣泛用於各種測量綜合體的工程和運輸、建築和能源領域。

近年來在工業上廣泛使用的相對較新的設備已成為小型電容式傾角儀，其電輸出信號與傳感器的傾角成正比……。以下是傾角儀的主要應用領域：用於平台調平系統，確定各種類型的支撐和橫樑的偏差和變形，控制公路和鐵路在建設、維修和運營過程中的傾角，確定汽車、船舶和水下機器人、起重機和起重機、挖掘機、農業機械的滾動，確定各種類型的旋轉物體的角位移 - 軸、輪、靜止和移動物體上的變速箱機構。

電容式液位傳感器用於食品、製藥、化工、煉油行業的控制系統、生產過程的調節和管理。它們在處理液體、散裝材料、懸浮液、粘性物質（導電和非導電）以及冷凝、多塵條件時非常有效。

電容式傳感器還用於各種行業，以測量絕對壓力和表壓、介電材料的厚度、空氣濕度、應變、角加速度和線性加速度等。

電容式傳感器相對於其他類型傳感器的優勢

與其他傳感器類型相比，電容式傳感器具有許多優勢。他們的優勢包括：

• 易於生產，使用廉價材料進行生產； ——體積小、重量輕； ——低能耗； - 高靈敏度;

• 缺乏接觸（在某些情況下 - 一個集電器）；

• 使用壽命長；

• 需要非常小的力來移動電容式傳感器的移動部分；

• 易於使傳感器的形狀適應不同的任務和設計；

電容式傳感器的缺點

電容式傳感器的缺點包括：

• 相對較小的轉移（轉換）係數；

• 對屏蔽件要求高；

• 需要以更高（與 50 Hz 相比）的頻率工作；

然而，在大多數情況下，由於傳感器的設計，可以實現足夠的屏蔽，實踐表明，電容式傳感器在廣泛使用的 400 Hz 頻率下可提供良好的效果。固有 電容器 只有當板之間的距離與所考慮表面的線性尺寸相當時，邊緣效應才會變得顯著。這種影響可以通過保護環在一定程度上消除，這使得可以將其影響轉移到實際用於測量的板表面的限制之外。

電容式傳感器以其簡單性著稱，可實現穩健可靠的設計。如果正確選擇這些材料，電容器的參數僅取決於幾何特性而不取決於所用材料的特性。因此，通過為板選擇適當等級的金屬及其附件的絕緣材料，溫度對錶面變化和板間距的影響可以忽略不計。它仍然只是為了保護傳感器免受那些可能會破壞板之間絕緣的環境因素的影響——灰塵、腐蝕、濕氣、電離輻射。

電容式傳感器的寶貴品質——移動其可移動部分所需的少量機械力、調整跟踪系統輸出的能力以及高精度操作——使得電容式傳感器在誤差僅為百分之一甚至百分之一的設備中不可或缺千分之一是允許的。

電容式轉換器的類型及其設計特點

通常，電容式傳感器是扁平或圓柱形電容器，其中一個極板經歷受控運動，從而導致電容髮生變化。忽略末端效應，扁平電容器的電容可表示如下：

其中 ε 封閉在板之間的介質的相對介電常數，C 和 e — 所考慮的板的面積，以及它們之間的距離。

電容式傳感器可用於測量三個方向的各種量，取決於被測非電量與下列參數的函數關係：

• 介質的可變介電常數 ε；

• 板C的重疊區域；

• 板之間的不同距離 e。

在第一種情況下，電容傳感器可用於分析物質的成分，因為介電常數是物質特性的函數。在這種情況下，轉換器的自然輸入值將是填充板之間空間的物質的成分。這種類型的電容式傳感器特別廣泛地用於測量固體和液體的水分含量、液位以及確定小物體的幾何尺寸。在大多數實際使用電容式傳感器的情況下，它們的自然輸入值是電極相對於彼此的幾何位移。基於此原理，線性和角位移傳感器、用於測量力、振動、速度和加速度的設備、傳感器接近、壓力和應變傳感器（引伸計）。

電容式傳感器的分類

就實現方式而言，所有電容式測量變送器可分為單電容式和雙電容式傳感器。後者是差分和半差分。

單電容傳感器設計簡單，是單個可變電容器。其缺點包括受濕度和溫度等外部因素的顯著影響。為了補償這些誤差，應用差分設計......與單電容傳感器相比，這種傳感器的缺點是需要至少三根（而不是兩根）傳感器和測量設備之間的屏蔽連接線來抑制所謂的 -稱為寄生電容。然而，隨著此類設備應用領域的準確性、穩定性和擴展的顯著增加，這個缺點得到了補償。

在某些情況下，由於設計原因，很難創建差分電容傳感器（對於可變間隙差分傳感器尤其如此）。然而，如果同時將示例性電容器與工作電容器放置在同一外殼中，並且它們在設計、尺寸和使用的材料上盡可能相同，則整個設備對外部不穩定影響的敏感度將低得多確保。在這種情況下，我們可以談論半差分電容傳感器，它和差分傳感器一樣，指的是雙電容傳感器。

雙體積傳感器輸出參數的特殊性，表示為二維物理量（在我們的例子中為電容）的無量綱比率，因此有理由稱它們為比率傳感器。使用雙電容傳感器時，測量設備可能根本不包含任何標準電容測量值，這有助於提高測量精度。

直線位移編碼器

要測量和控制的非電量是多種多樣的。其中很大一部分是線性位移和角位移。基於一個電容器 電場 兩種主要類型的電容式位移傳感器可以在工作間隙中統一創建：

• 可變電極面積；

• 電極之間的間隙可變。

很明顯，前者更便於測量大位移（單位、數十、數百毫米），後者更便於測量小位移和超小位移（毫米、微米和更小的部分）。

角度編碼器

角位移電容式傳感器在原理上與線位移電容式傳感器類似，變面積傳感器也更適用於測量範圍不太小（以度為單位）的情況，變角間隙電容傳感器可以成功地用於測量小的和超小的角位移。通常，具有可變電容器極板面積的多節換能器用於角位移。

在此類傳感器中，其中一個電容器電極連接到物體的軸上，在旋轉過程中，它相對於靜止電極發生位移，從而改變電容器板的重疊面積。反過來，這會導致測量電路捕獲的電容變化。

測斜儀

測斜儀（傾角傳感器）是一種差分電容式傾角傳感器，包括一個膠囊形傳感元件。

電容式測斜儀

膠囊由帶有兩個扁平電極的基板 1 覆蓋絕緣層，本體 2 密封固定在基板上，本體內部空腔部分充滿導電液體 3 ，它是電池的公共電極一個敏感的元素。公共電極與扁平電極形成差分電容器。傳感器的輸出信號與差分電容器的電容值成正比，與外殼在垂直平面中的位置呈線性關係。

測斜儀的設計使輸出信號與一個所謂的工作平面的傾斜角呈線性關係，實際上不會改變另一個（非工作）平面的讀數，而其信號與溫度的關係很弱變化。為了確定飛機在空間中的位置，使用了兩個傾斜儀，它們彼此成 90° 角。

具有與傳感器傾斜角成比例的電輸出信號的小型測斜儀是相對較新的設備。它們的精度高、尺寸小、沒有可移動的機械單元、易於現場安裝且成本低，因此建議不僅將它們用作滾動傳感器，而且還可以用它們代替角度傳感器，不僅可以固定，還可以移動對象。

電容式液位傳感器

用於測量非導電液體液位的電容式變送器由兩個並聯的電容器組成

壓力傳感器

電容式壓力傳感器的基本設計之一是單定子，用於測量絕對壓力（電壓力傳感器).

這種傳感器由一個金屬電池組成，金屬電池被一個緊密拉伸的扁平金屬隔膜分成兩部分，在其一側有一個與身體隔離的固定電極。隔膜電極形成可變電容，包含在測量電路中。當隔膜兩側的壓力相等時，換能器是平衡的。其中一個腔室中的壓力變化會使隔膜變形並改變由測量電路固定的電容。

在雙工位（差壓）設計中，隔膜在兩個固定板之間移動，參考壓力被提供給兩個腔室之一，從而以最小的誤差直接測量差壓（過壓或壓差）。