基礎知識之電容傳感器

電容傳感器是一種測量電容變化的傳感器。電容是指兩個導體之間的電荷存儲能力，它通常由兩個電極（一正一負）和介質組成，當介質中存在物體或其他影響時，會改變電容器的電容值或電容分布情況，進而實現(xiàn)測量和檢測的功能。而電容傳感器則利用這種特性來測量物體的位置、形狀、濕度、壓力等參數(shù)。

電容傳感器的工作原理是由兩塊平行板組成一個電容器，若忽略其邊緣效應，其電容量為 式中，ε 為電容極板間介質的介電常數(shù)，ε = ε0εr，其中 ε0 為真空介電常數(shù)（ε0 = 8.85 × 10-12 F/m），ε r為極板間介質的相對介電常數(shù)；S為兩平行板所覆蓋的面積；d為兩平行板之間的距離。 電容傳感器通常由以下四個部分組成。

1. 電極：電容傳感器通常有兩個電極，一個是感應電極，另一個是基準電極。感應電極接收周圍環(huán)境的物理量變化，并轉換為電荷或電壓信號；基準電極用于提供一個參考電勢，在測量中起到輔助作用。
2. 絕緣層：絕緣層位于感應電極和基準電極之間，起到隔離兩個電極的作用，防止電流通過傳感器的其他部分短路。
3. 襯底：襯底是整個電容傳感器的基礎結構，通常以一塊薄片形式存在。襯底的材料和形狀會影響電容傳感器的性能。
4. 接線和封裝：電容傳感器還包括接線和封裝部分，用于將電極與外部電路連接并保護電容傳感器內部免受外部環(huán)境的干擾。

以下是各模塊的功能

• 感應電極：接收外部環(huán)境的物理量變化，并將這些變化轉換為電荷或電壓信號。
• 基準電極：提供一個參考電勢，用于測量和校準感應電極的變化。
• 絕緣層：隔離感應電極和基準電極，防止電流通過傳感器的其他部分。
• 襯底：提供電容傳感器結構的支撐和穩(wěn)定性。
• 接線和封裝：連接電容傳感器與外部電路，并保護電容傳感器內當物體靠近或接觸電容傳感器時，物體與電容傳感器之間的介電常數(shù)會改變，從而導致電容值的變化。

通過測量電容的變化，可以推斷出物體的位置或其他參數(shù)。電容傳感器的工作原理基于電容性質。電容即為一個電容器中存儲電荷所需的電壓與電荷量之比。當物體靠近或離開電容器時，介質之間的電容發(fā)生變化，進而改變傳感器的電容值。通過測量電容的變化，可以判斷物體的接近程度或位置變化。電容傳感器具有高靈敏度、寬頻率范圍和低溫漂移等特點，可廣泛應用于工業(yè)控制、觸摸屏、非接觸式開關、安全系統(tǒng)以及汽車行業(yè)等領域。

電容式傳感器是一種常見的傳感器類型，可分為多種類型。

1. 接觸式電容傳感器：與被測對象直接接觸，并通過檢測電容的變化來獲取相應的物理量信息。例如，接觸式溫度傳感器可以利用溫度對電容值的影響來測量溫度。
2. 非接觸式電容傳感器：無需與被測對象直接接觸，通過空氣或介質中的電容變化來檢測目標物體的參數(shù)。例如，非接觸式距離傳感器可以利用物體與傳感器之間的電容差異來精確測量距離。
3. 擴散型電容傳感器：由兩個相互平行且絕緣的電極組成，當目標物體靠近或接觸到電極時，電容值會發(fā)生變化。擴散型電容傳感器用于觸摸屏、開關控制等應用場景。
4. 雙頻電容傳感器：通過使用高頻和低頻信號來檢測電容隨時間的變化，從而實現(xiàn)更高的靈敏度和準確性。雙頻電容傳感器常用于手指觸摸識別、心率監(jiān)測等領域。
5. 結構式電容傳感器：傳感器的結構和被測物體密切相關，具有特定的形狀和大小。這種類型的電容傳感器常用于物體檢測、防盜系統(tǒng)等應用。

這些僅是電容式傳感器的一些常見類型，根據(jù)不同的應用需求，還可以出現(xiàn)更多特殊設計的電容傳感器。注意，在實際應用中，請根據(jù)具體要求選擇合適的電容式傳感器類型。 以下介紹幾種常見電容傳感器。

• 變極距型電容傳感器

為變極距型電容傳感器原理圖。其中 A 為可動極板，一般稱為動片；B 為固定極板。當動片因被測量變化引起移動時，就改變了兩極板間的距離d，從而使電容量發(fā)生變化。設初始極距為d，則若電容器極板間距離由初始值d縮小 Δd，電容量增大 ΔC，則有，式中C與 Δd不是線性關系。但是，若 Δd/d?1 時，則式可簡化為此時，C與 Δd近似為線性關系，所以變極距型電容式傳感器只有在 Δd/d很小時，才有近似的線性關系，一般最大位移應小于間距的 1/10。

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