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環形電容傳感器：什么是電容傳感器？它是如何工作的？

電容傳感器是將被測的非電量的變化轉換為電容量變化的一種傳感器，它不僅能測量荷重、位移、振動、角度、加速度等機械量，還能測量液面、料面、成分含量等熱工參量。這種傳感器具有高阻抗、小功率、動態范圍大、動態響應較快、幾乎沒有零漂、結構簡單和適應性強等優點。因此，電容傳感器在自動檢測技術中占有很重要的地位，并得到廣泛的應用。但它在使用過程中也存在一些問題：
靈敏度的問題由兩平行板組成的一個電容器，若忽略其邊緣效應，其電容量可用下式表示：
式中，S為極板相互遮蓋面積，單位為m2;d為兩平行板間的距離，單位為m;ε為極板間介質的介電常數;εr極板間介質的相對介電常數;ε0真空的介電常數。從上式可以看出，當d小時可使電容量增大，而使靈敏度增加，但d過小容易引起電容器擊穿，一般我們可以采取在極板間放置云母來改善，此時電容C為兩電容串聯，可寫成：
式中，ε1云母片的介電常數;ε2空氣的介電常數;d0為氣隙寬度;d為兩極板間的距離。云母的介電常數為空氣的7倍，云母的擊穿電壓不少于103kv/mm，空氣的擊穿電壓僅為3kv/mm。厚度僅為0.01mm的云母片，它的擊穿電壓也不小于10kv/mm，因此有了云母片，極板之間的距離可大大減小，還能使電容傳感器輸出特性的線性得到改善。提高靈敏度除了采用加云母片的方法外，還可以采取以下措施：
1.提高電源頻率。
2.減小極板厚度可削弱邊緣效應。
電容傳感器中一些量的變化范圍在變極間距離的電容傳感器中，由于減小極間距離可以提高靈敏度，多用來測量微米級的位移，一般極板間距離不超過1mm，最大位移量應限制在間距的1/10范圍內;在變極板工作面積的傳感器中，可以測量厘米級的位移。在電容傳感器中，正確選擇電容的大小是很重要的。合理的設計既可以使傳感器滿足測量范圍的要求，又可以提高靈敏度，減小非線性誤差。一般其電容的變化在103PF～104PF范圍內，相對值ΔC/C的變化則在10-6～1范圍內。電容元件輸出阻抗一般在108Ω～106Ω，該數值還與所采用的交流電源頻率有關。為了減小絕緣電阻的影響和提高靈敏度，電源頻率一般采用在50kHz以上，但是采用高頻電源使信號放大、傳輸等問題比低頻時復雜的多。
分布電容的影響問題電容傳感器一個很關鍵的問題是分布電容電容量與傳感器電容量相比不僅不能忽略，而且影響還極其嚴重，其后果是造成傳輸效率降低、靈敏度下降、測量誤差增加及穩定性變差。近幾年來，對此問題有了新的解決途徑。其中“整體屏蔽法”就是一例，以差動電容傳感器為例，說明整體屏蔽法，在下圖中，CX1、CX2為差動電容，U為電源，A為放大器，整體屏蔽法是把整個電橋(包含電源電纜等)一起屏蔽起來，設計的關鍵點在于接地點的合理設置。采用把接地點放在兩個平衡電阻R1、R2之間與整體屏蔽共地，這樣，傳感器公用極板與屏蔽之間的分布電容C1與放大器的輸入阻抗并聯，從而可把C1視作放大器的輸入電容。由于放大器的輸入阻抗有極大值，C1的并聯也不希望存在，但它只影響靈敏度而已，另外兩個分布電容C3、C4并聯在橋臂R1、R2上，會影響電橋的初始平衡和整體靈敏度，并不影響電橋的正常工作。因此，分布參數對傳感器電容的影響基本消除，整體屏蔽法是解決電容傳感器分布電容問題的很好方法，缺點是使結構復雜。
圖1 消除分布電容的工作電路圖
非線性問題變間隙式電容傳感器相對輸出表達式為：
由上式可知變間隙式電容傳感器相對輸出與輸入為非線性關系。由于Δd/d<<1，工程上常采用以下兩種近似處理方法的辦法： 1.近似線性處理：即取上式右邊第一項近似，有： 2，近似非線性處理：即取相對輸出表達式的前兩項近似，有： 上述兩種近似產生的相對非線性誤差為： 以上分析說明，相對非線性誤差r0與間隙d0也成反比例關系，因此提高傳感器的靈敏度和減小非線性誤差是相矛盾的。在實際應用中，為解決這一矛盾，大都采用差動式電容傳感器。

環形電容傳感器：環形接近開關（電容式） 三易電氣

TEOPTO 電容式環形接近開關不僅能識別金屬零件也能檢測非金屬零件或液體檢測。
  在許多應用中具有優越的檢測優勢，常用于零件檢測、零件計數、位置控制、 粉末檢測、液位控制等領域。
◆ 高分辨率
◆ 響應時間短
◆ 靈敏度 可調節
◆ 脈沖寬度 可調節
◆ NO/NC 可切換
◆ 高防護等級
◆ 電纜連接 或M12連接器

3、檢測孔徑為10mm的選型表 (10mm  DIAMETER  HOLE PRODUCTS LIST)

靜態

輸出
 型號

NPN
 C01AN10N

PNP
 C01AN10P

動態

輸出
 型號

NPN
 C02AN10N

PNP
 C02AN10P

靜態

輸出
 型號

NPN
 C01AN10NC5

PNP
 C01AN10PC5

動態

輸出
 型號

NPN
 C02AN10NC5

PNP
 C02AN10PC5

檢測孔徑為10mm的技術指標 (10mm  DIAMETER  HOLE )

DC

供電電壓
 Service voltage
 10 ... 30 V DC

輸出
 Output
 pnp or npn, 200 mA, NO/NC;/ switchable

靈敏度調節
 Sensitivity adjustment
 電位器/Potentiometer

工作原理
 Operating principle
 靜態或動態;Static or Dynamic

最大額定輸出電流
 Maximum rating
 100 mA

靜態電流
 Internal power consumption
 < 20 mA              電壓降      Voltage drop      < 2,0 V              脈沖展寬      Pulse stretching      調整約1 ... 150ms / adjustable approx. 1 ... 150ms              響應時間      Speed of parts<0,5ms              環境溫度      Ambient temperature      -25 ... +70 °C              功能顯示      Function Display      黃色 LED ; YELLOW  LED              零件速度      Speed of parts      < 30 m/s              防護等級      Protection class      IP67              電纜      Cable      2 M / 3-wires      2 M / 2-wires              插件連接器      Connector      M12 (C5、C6) 插件連接器 ; M8 (V5、V6) 插件連接器       4、檢測孔徑為15mm的選型表 (15mm  DIAMETER  HOLE PRODUCTS LIST)                        靜態              輸出      型號              NPN      C01AN15N              PNP      C01AN15P              動態              輸出      型號              NPN      C02AN15N              PNP      C02AN15P                              靜態              輸出      型號              NPN      C01AN15NC5              PNP      C01AN15PC5              動態              輸出      型號              NPN      C02AN15NC5              PNP      C02AN15PC5       檢測孔徑為15mm的技術指標 (15mm  DIAMETER  HOLE )       DC              供電電壓      Service voltage      10 ... 30 V DC                  輸出      Output      pnp or npn, 200 mA, NO/NC;/ switchable              靈敏度調節      Sensitivity adjustment      電位器/Potentiometer              工作原理      Operating principle      靜態或動態;Static or Dynamic              最大額定輸出電流      Maximum rating      100 mA              靜態電流      Internal power consumption      < 20 mA              電壓降      Voltage drop      < 2,0 V              脈沖展寬      Pulse stretching      調整約1 ... 150ms / adjustable approx. 1 ... 150ms              響應時間      Speed of parts      <0,5ms              環境溫度      Ambient temperature      -25 ... +70 °C              功能顯示      Function Display      黃色 LED ; YELLOW  LED              零件速度      Speed of parts      < 30 m/s              防護等級      Protection class      IP67              電纜      Cable      2 M / 3-wires      2 M / 2-wires              插件連接器      Connector      M12 (C5、C6) 插件連接器 ; M8 (V5、V6) 插件連接器       5、檢測孔徑為20mm的選型表 (20mm  DIAMETER  HOLE PRODUCTS LIST)                        靜態              輸出      型號              NPN      C01AN20N              PNP      C01AN20P              動態              輸出      型號              NPN      C02AN20N              PNP      C02AN20P                              靜態              輸出      型號              NPN      C01AN20NC5              PNP      C01AN20PC5              動態              輸出      型號              NPN      B02AN20NC5              PNP      B02AN20PC5       檢測孔徑為20mm的技術指標 (20mm  DIAMETER  HOLE )       DC DC.NAMUR              供電電壓      Service voltage      10 ... 30 V DC      8.2 V DC                  輸出      Output      pnp or npn, 200 mA, NO/NC;/ switchable              靈敏度調節      Sensitivity adjustment      電位器/Potentiometer              工作原理      Operating principle      靜態或動態;Static or Dynamic              最大額定輸出電流      Maximum rating      100 mA              靜態電流      Internal power consumption      < 20 mA              電壓降      Voltage drop      < 2,0 V              脈沖展寬      Pulse stretching      調整約1 ... 150ms / adjustable approx. 1 ... 150ms              響應時間      Speed of parts      <0,5ms              環境溫度      Ambient temperature      -25 ... +70 °C              功能顯示      Function Display      黃色 LED ; YELLOW  LED              零件速度      Speed of parts      < 30 m/s              防護等級      Protection class      IP67              電纜      Cable      2 M / 3-wires      2 M / 2-wires              插件連接器      Connector      M12 (C5、C6) 插件連接器 ; M8 (V5、V6) 插件連接器       7、檢測孔徑為30mm的選型表 (30mm  DIAMETER  HOLE PRODUCTS LIST)                        靜態              輸出      型號              NPN      C01AN30N              PNP      C01AN30P              動態              輸出      型號              NPN      C02AN30N              PNP      C02AN30P                              靜態              輸出      型號              NPN      C01AN30NC5              PNP      C01AN30PC5              動態              輸出      型號              NPN      C02AN30NC5              PNP      C02AN30PC5       檢測孔徑為30mm的技術指標 (30mm  DIAMETER  HOLE )       DC DC.NAMUR              供電電壓      Service voltage      10 ... 30 V DC      8.2 V DC                  輸出      Output      pnp or npn, 200 mA, NO/NC;/ switchable              靈敏度調節      Sensitivity adjustment      電位器/Potentiometer              工作原理      Operating principle      靜態或動態;Static or Dynamic              最大額定輸出電流      Maximum rating      100 mA              靜態電流      Internal power consumption      < 20 mA              電壓降      Voltage drop      < 2,0 V              脈沖展寬      Pulse stretching      調整約1 ... 150ms / adjustable approx. 1 ... 150ms              響應時間      Speed of parts      <0,5ms              環境溫度      Ambient temperature      -25 ... +70 °C              功能顯示      Function Display      黃色 LED ; YELLOW  LED              零件速度      Speed of parts      < 30 m/s              防護等級      Protection class      IP67              電纜      Cable      2 M / 3-wires      2 M / 2-wires              插件連接器      Connector      M12 (C5、C6) 插件連接器 ; M8 (V5、V6) 插件連接器                  電氣連接圖:                                          連接器配件:                        連接電纜(參考選型數據表)      Connecting cables Data-sheet      訂貨編號/TYP              M8 插件      Connector M8/V5、V6      點擊查看              M12 插件      Connector M12/C5、C6      點擊查看                  3D CAD數據:      返回↑        數據更新中...          

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電容傳感器
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本詞條由“科普中國”科學百科詞條編寫與應用工作項目
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。
電容傳感器是指將被測量（如尺寸、壓力等）的變化轉換成電容量變化的一種傳感器。實際上，它本身（或和被測物體）就是一個可變電容器。
[1]
中文名
電容傳感器
外文名
Capacitive Transducer
實    質
一類傳感器
特    點
結構簡單等
應    用
測量金屬表面狀況等
學    科
電子工程
目錄
1
原理
2
特點
3
應用
4
改善方法
電容傳感器原理
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語音
由物理學知識可知，在忽略邊緣效應的情況下，平板電容器的電容量為
式中，
——真空的介電常數，
=
；ε——極板間介質的相對介電系數，在空氣中，ε=1；A——極板的重合面積，m2；δ——兩平行極板間的距離，m。上式表明，當被測量δ，A或ε發生變化時，都會引起電容的變化。如果保持其中的兩個參數不變，僅改變另一個參數，就可以把該參數的變化變換為單一電容量的變化，再通過配套的測量電路，將電容的變化轉換為電信號輸出。根據電容器參數變化的特性，電容式傳感器可分為極距變化型、面積變化型和介質變化型三種，其中極距變化型和面積變化型的應用較廣泛。
[1]
電容傳感器特點
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語音
電容傳感器有如下一些特點：①結構簡單；②動作時需要能量低，由于帶電極板間靜電吸引力很小（約幾個
N），因此電容傳感器特別適宜用來解決輸入能量低的測量問題；③動態特性好，電容傳感器的相對變化量只受線性和其它實際條件的限制，如果使用高線性電路時，電容變化量可達100%或更大；④自然效應小；⑤動態響應快以及能在惡劣的環境下工作。但由于電容傳感器的初始電容較小，受引線電容、寄生電容的干擾影響較大；另一方面電容傳感器輸出特性為非線性。
[2]
電容傳感器應用
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語音
電容傳感器可以直接測量的非電量為：直線位移、角位移及介質的幾何尺寸（或稱物位），直線位移及角位移可以是靜態的，也可以是動態的，例如是直線振動及角振動。用于上述三類非電參數變換測量的變換器一般說來原理比較簡單，無需再作任何預變換。用來測量金屬表面狀況、距離尺寸、振幅等量的傳感器，往往采用單極式變間隙電容傳感器，使用時常將被測物作為傳感器的一個極板，而另一個電極板在傳感器內。近年來已采用這種方法測量油膜等物質的厚度。這類傳感器的動態范圍均比較小，約為十分之幾毫米左右，而靈敏度則在很大程度上取決于選材、結構的合理性及寄生參數影響的消除。精度達到0.1μm，分辨力為0.025μm。可以實現非接觸測量，它加給被測對象的力極小，可忽略不計。測物位的傳感器多數是采用電容式傳感器作轉換元件。電容式傳感器還可用于測量原油中含水量、糧食中的含水量等。當電容傳感器用于測量其他物理量時，必須進行預變換，將被測參數轉換成d，S或ε的變化。例如在測量壓力時，要用彈性元件先將壓力轉換成d的變化。
[3]
電容傳感器改善方法
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語音
為了提高電容傳感器的靈敏度、減小界干擾、寄生電容及漏電的影響和減小線性誤差，可采用以下措施：①由于當d減小時可使電容量加大從而使靈敏度增加，但d過小容易引起電容器擊穿，一般可以在極板間放置云母片來改善；②提高電源頻率；③用雙層屏蔽線，將電路同電容傳感器裝在一個殼體中，可以減小寄生電容及外界干擾的影響。
[2]
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2020-07-250
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深圳響拇指電子科技有限公司
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2019-08-230
參考資料
1.

張洪亭，王明贊編．測試技術基礎：東北大學出版社，2013.12
2.

李田澤主編．傳感器技術設計與應用：海洋出版社，2015.05
3.

劉迎春，葉湘濱編著．傳感器原理  設計與應用  第5版：國防工業出版社，2015.06

環形電容傳感器：電容式傳感器

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電容式傳感器
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本詞條由“科普中國”科學百科詞條編寫與應用工作項目
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。
電容式傳感器是以各種類型的電容器作為傳感元件，將被測轉物理量或機械量換成為電容量變化的一種轉換裝置，實際上就是一個具有可變參數的電容器。電容式傳感器廣泛用于位移、角度、振動、速度、壓力、成分分析、介質特性等方面的測量。最常用的是平行板型電容器或圓筒型電容器。
中文名
電容式傳感器
外文名
capacitive type transducer
電容計算公式
εS/d
應    用
測量
發展時間
70年代末
所屬學科
自動化
目錄
1
簡介
2
原理
3
分類
4
優點
5
缺點
6
應用
電容式傳感器簡介
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語音
70年代末以來，隨著集成電路技術的發展,出現了與微型測量儀表封裝在一起的電容式傳感器。這種新型的傳感器能使分布電容的影響大為減小，使其固有的缺點得到克服。電容式傳感器是一種用途極廣，很有發展潛力的傳感器。典型的電容式傳感器由上下電極、絕緣體和襯底構成。當薄膜受壓力作用時，薄膜會發生一定的變形，因此，上下電極之間的距離發生一定的變化，從而使電容發生變化。但電容式壓力傳感器的電容與上下電極之間的距離的關系是非線性關系，因此，要用具有補償功能的測量電路對輸出電容進行非線性補償。
電容式傳感器原理
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語音
電容式傳感器也常常被人們稱為電容式物位計，電容式物位計的電容檢測元件是根據圓筒形電容器原理進行工作的，電容器由兩個絕緣的同軸圓柱極板內電極和外電極組成，在兩筒之間充以介電常數為ε的電解質時，兩圓筒間的電容量為
式中L為兩筒相互重合部分的長度；D為外筒電極的直徑；d為內筒電極的直徑；e為中間介質的電介常數。在實際測量中D、d、e是基本不變的，故測得C即可知道液位的高低，這也是電容式傳感器具有使用方便，結構簡單和靈敏度高，價格便宜等特點的原因之一。電容式傳感器是以各種類型的電容器作為傳感元件，由于被測量變化將導致電容器電容量變化，通過測量電路，可把電容量的變化轉換為電信號輸出。測知電信號的大小，可判斷被測量的大小。這就是電容式傳感器的基本工作原理。
[1]
電容式傳感器分類
編輯
語音
根據傳感器的工作原理可把電容式傳感器分為變極距型、變面積型和變介質型三種類型。根據傳感器的結構可把電容式傳感器分為三種類型的結構形式。它們又可按位移的形式分為線位移和角位移兩種，每一種又依據傳感器極板形狀分成平(圓形)板形和圓柱(圓筒)形，雖然還有球面形和鋸齒形等其他形狀，但一般很少用。其中差動式一般優于單組(單邊)式傳感器，它具有靈敏度高、線性范圍寬、穩定性高等特點。
[2]
電容式傳感器優點
編輯
語音
1)溫度穩定性好電容式傳感器的電容值一般與電極材料無關，這有利于選擇溫度系數低的材料，又因本身發熱極小，影響穩定性甚微。而電阻傳感器有銅損，易發熱產生零漂。2)結構簡單電容式傳感器結構簡單，易于制造和保證高的精度，可以做得非常小巧，以實現某些特殊的測量；能工作在高溫，強輻射及強磁場等惡劣的環境中，可以承受很大的溫度變化，承受高壓力，高沖擊，過載等；能測量超高溫和低壓差，也能對帶磁工作進行測量。3)動態響應好電容式傳感器由于帶電極板間的靜電引力很小(約幾個10^(-5)N)，需要的作用能量極小，又由于它的可動部分可以做得很小很薄，即質量很輕，因此其固有頻率很高，動態響應時間短，能在幾兆赫茲的頻率下工作，特別適用于動態測量。又由于其介質損耗小可以用較高頻率供電，因此系統工作頻率高。它可用于測量高速變化的參數。4)可以非接觸測量且靈敏度高可非接觸測量回轉軸的振動或偏心率、小型滾珠軸承的徑向間隙等。當采用非接觸測量時，電容式傳感器具有平均效應，可以減小工件表面粗糙度等對測量的影響。電容式傳感器除了上述的優點外，還因其帶電極板間的靜電引力很小，所需輸入力和輸入能量極小，因而可測極低的壓力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很靈敏，分辨力高，能感應0.01μm甚至更小的位移。由于其空氣等介質損耗小，采用差動結構并接成電橋式時產生的零殘極小，因此允許電路進行高倍率放大，使儀器具有很高的靈敏度。
[3]
電容式傳感器缺點
編輯
語音
①輸出阻抗高，負載能力差。無論何種類型的電容式傳感器，受電極板幾何尺寸的限制，其電容量都很小，一般為幾十到幾百皮法(pF)，因此使電容式傳感器的輸出阻抗很高，可達
～
Ω。由于輸出阻抗很高，因而輸出功率小，負載能力差，易受外界干擾影響而產生不穩定現象，嚴重時甚至無法工作。②寄生電容影響大。電容式傳感器的初始電容量很小，而連接傳感器和電子線路的引線電纜電容、電子線路的雜散電容以及電容極板與周圍導體構成的電容等寄生電容卻較大。寄生電容的存在不但降低了測量靈敏度，而且引起非線性輸出。由于寄生電容是隨機變化的．因而使傳感器處于不穩定的工作狀態．影響測量準確度。
[4]
電容式傳感器應用
編輯
語音
電容式傳感器具有結構簡單、耐高溫、耐輻射、分辨率高、動態響應特性好等優點，廣泛用于壓力、位移、加速度、厚度、振動、液位等測量中。但在使用中要注意以下幾個方面對測量結果的影響：①減小環境溫度、濕度變化(可能引起某些介質的介電常數或極板的幾何尺寸、相對位置發生變化)；②減小邊緣效應；③減少寄生電容；④使用屏蔽電極并接地(對敏感電極的電場起保護作用，與外電場隔離)；⑤注意漏電阻、激勵頻率和極板支架材料的絕緣性。
[5]
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電容式傳感器有哪些優點？
電容式傳感器是以各種類型的電容器作為傳感元件，將被測轉物理量或機械量換成為電容量變化的一種轉換裝置，實際上就是一個具有可變參數的電容器。下面，我們一起來看看電容式傳感器的優點吧。電容式傳感器是以各種類型的電容器作為傳感元件，將被測轉物理量或機械量換成為電容量變化的一種轉換裝...
2020-11-120
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參考資料
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