电容传感器
1. 什么是电容传感器？
电容传感器是一种测量电容变化的传感器。电容是指两个导体之间的电荷存储能力，它通常由两个电极（一正一负）和介质组成，当介质中存在物体或其他影响时，会改变电容器的电容值或电容分布情况，进而实现测量和检测的功能。而电容传感器则利用这种特性来测量物体的位置、形状、湿度、压力等参数。
2. 电容传感器是如何工作的？
电容传感器的工作原理是由两块平行板组成一个电容器，若忽略其边缘效应，其电容量为
式中，ε 为电容极板间介质的介电常数，ε = ε0εr，其中 ε0 为真空介电常数（ε0 = 8.85 × 10-12 F/m），ε r为极板间介质的相对介电常数；S为两平行板所覆盖的面积；d为两平行板之间的距离。
电容传感器通常由以下四个部分组成。
- 电极：电容传感器通常有两个电极，一个是感应电极，另一个是基准电极。感应电极接收周围环境的物理量变化，并转换为电荷或电压信号；基准电极用于提供一个参考电势，在测量中起到辅助作用。
- 绝缘层：绝缘层位于感应电极和基准电极之间，起到隔离两个电极的作用，防止电流通过传感器的其他部分短路。
- 衬底：衬底是整个电容传感器的基础结构，通常以一块薄片形式存在。衬底的材料和形状会影响电容传感器的性能。
- 接线和封装：电容传感器还包括接线和封装部分，用于将电极与外部电路连接并保护电容传感器内部免受外部环境的干扰。
以下是各模块的功能
- 感应电极：接收外部环境的物理量变化，并将这些变化转换为电荷或电压信号。
- 基准电极：提供一个参考电势，用于测量和校准感应电极的变化。
- 绝缘层：隔离感应电极和基准电极，防止电流通过传感器的其他部分。
- 衬底：提供电容传感器结构的支撑和稳定性。
- 接线和封装：连接电容传感器与外部电路，并保护电容传感器内当物体靠近或接触电容传感器时，物体与电容传感器之间的介电常数会改变，从而导致电容值的变化。
通过测量电容的变化，可以推断出物体的位置或其他参数。电容传感器的工作原理基于电容性质。电容即为一个电容器中存储电荷所需的电压与电荷量之比。当物体靠近或离开电容器时，介质之间的电容发生变化，进而改变传感器的电容值。通过测量电容的变化，可以判断物体的接近程度或位置变化。电容传感器具有高灵敏度、宽频率范围和低温漂移等特点，可广泛应用于工业控制、触摸屏、非接触式开关、安全系统以及汽车行业等领域。
3. 如何应用电容传感器？
电容式传感器是一种常见的传感器类型，可分为多种类型。
- 接触式电容传感器：与被测对象直接接触，并通过检测电容的变化来获取相应的物理量信息。例如，接触式温度传感器可以利用温度对电容值的影响来测量温度。
- 非接触式电容传感器：无需与被测对象直接接触，通过空气或介质中的电容变化来检测目标物体的参数。例如，非接触式距离传感器可以利用物体与传感器之间的电容差异来精确测量距离。
- 扩散型电容传感器：由两个相互平行且绝缘的电极组成，当目标物体靠近或接触到电极时，电容值会发生变化。扩散型电容传感器用于触摸屏、开关控制等应用场景。
- 双频电容传感器：通过使用高频和低频信号来检测电容随时间的变化，从而实现更高的灵敏度和准确性。双频电容传感器常用于手指触摸识别、心率监测等领域。
- 结构式电容传感器：传感器的结构和被测物体密切相关，具有特定的形状和大小。这种类型的电容传感器常用于物体检测、防盗系统等应用。
这些仅是电容式传感器的一些常见类型，根据不同的应用需求，还可以出现更多特殊设计的电容传感器。注意，在实际应用中，请根据具体要求选择合适的电容式传感器类型。 以下介绍几种常见电容传感器。
- 变极距型电容传感器
为变极距型电容传感器原理图。其中 A 为可动极板，一般称为动片；B 为固定极板。当动片因被测量变化引起移动时，就改变了两极板间的距离d，从而使电容量发生变化。设初始极距为d，则
若电容器极板间距离由初始值d缩小 Δd，电容量增大 ΔC，则有
，式中C与 Δd不是线性关系。但是，若 Δd/d≪1 时，则式可简化为
此时，C与 Δd近似为线性关系，所以变极距型电容式传感器只有在 Δd/d很小时，才有近似的线性关系，一般最大位移应小于间距的 1/10。