电容式传感器概述

电容式传感器概述：

电容式传感器是通过两个电极产生的电场来感应被测物,将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。电容式传感器结构简单、感应灵敏度高、可非接触测量,并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作,这是它的独特优点。随着电子技术和光电技术的进步,以电场检测原理为基础的电容式传感器表现出良好的性能,得到迅速发展,目前这类产品已经成为最主要的技术种类。新一代的电容式传感器在技术方面的提高主要表现在可靠性、检测距离、使用寿命、动作频率方面的提高。随着集成电路技术和计算机技术的发展电容式传感器更加小巧、灵活,应用场合也更为广泛,逐渐成为一种很有发展前途的传感器。

电容式传感器工作原理介绍：

电容式传感器的工作原理是基于传感器两个电极的间距、相对尺寸变化以及两个电极间介质变化而产生的电容量变化。关于电容器电容量的计算公式如下：

从而影响电容量变化的主要有如下三个要素:

1. 电极间的距离(d）
2. 电极的尺寸(A）
3. 电极间介质的介电常数(εr)

这样,当被测量εr、A或d发生变化时,都会引起电容量的变化。如果保持

其中的两个参数不变,而仅改变另一个参数,就可把该参数的变化变换为电容量的变化。

那么,根据其改变参数的不同,可将电容式传感器分如下三种:

1. 改变极板距离(d)的变极距型电容式传感器
2. 改变极板遮盖面积(A)的变面积型电容式传感器
3. 改变电介质介电常数(εr)的变介质型电容式传感器

目前市场上包括进口品牌产品和国产品牌产品在内,均是属于变介质型电容式传感器产品。其结构一般如右图所示。

每个电容式传感器的感应元件是由一个传感器电极和一个屏蔽层电极组成的。这两个同轴金属电极共同组成一个电容器。

当被测物体(金属材质或非金属材质)接近传感器表面时,它同时进入了由这两个电极构成的电场,从而使这个电容器的电容量发生变化(△C)。这样,当被测物体接近时,RC振荡器电路产生的振幅会由比较器电路检测到,并且通过输出级电路形成输出信号。(见下图)

由于其特殊的工作原理,电容式传感器可实现非接触的,独立的和无磨损的检测。并且对于导电材料和非导电材料均可实现可靠检测。因此,电容式传感器可以适用于某些电感式传感器无法检测的应用场合。

电容式传感器典型的应用是距离和位置的测量,可以实现诸如:弯曲强度、厚度、液位、料位、偏心度、同心度、形变、磨损和震动等物理量类型的检测。

根据原理可将其分为自电容式（capacitive single ended mode，self-capacitive mode or shunt mode）与互电容式（mutual capacitance mode，differential mode）两种。

自电容是感应块相对地之间的电容，这个地在这里指的是电路的地，虽然这个地离感应块可能很近，也可能很远，但它总是存在的。当感应块上施加一个激励信号时，由于自电容的存在，将在感应块和地之间产生一个随激励信号变化的电场。

互电容由发射极和接收极组成，两极之间产生了电场，电场中的大部分能量直接聚集在电容器极板之间。少许能量会泄露到电容器极板以外的空间，而由这些泄露能量所形成的电场被称为“边缘场”，当把手指放在边缘电场的附近将增加电容式传感系统的导电表面积。与地面有高耦合的导电物体（如人类）可以部分屏蔽电场，因此，与自电容模式相比，它降低了电极之间的电容。而如果与地面的耦合很低的物体靠近这个场，则会发生相反的效应，并且耦合由于物体内部的极化而增加。（互电容是不是可以通过场的增强与减弱判断出金属与非金属）根据这种变化，可以实现距离的检测。

实际的器件和应用：

电容式传感器的感应面由两个同轴金属电极构成，很像“打开的”电容器电极，该两个电极构成一个电容，串接在RC振荡回路内。

电源接通时，RC振荡器不振荡，当一目标朝着电容器的电靠近时，电容器的容量增加，振荡器开始振荡。通过后级电路的处理，将振荡和不振荡两种信号转换成开关信号，从而起到了检测有无物体存在的目的。该传感器能检测金属物体，也能检测非金属物体，对金属物体可以获得最大的动作距离，对非金属物体动作距离决定于材料的介电常数，材料的介电常数越大，可获得的动作距离越大。

电容式传感器优缺点：

优点

1)温度稳定性好：电容式传感器的电容值一般与电极材料无关，这有利于选择温度系数低的材料，又因本身发热极小，影响稳定性甚微。而电阻传感器有铜损，易发热产生零漂。

2)结构简单：电容式传感器结构简单，易于制造和保证高的精度，可以做得非常小巧，以实现某些特殊的测量；能工作在高温，强辐射及强磁场等恶劣的环境中，可以承受很大的温度变化，承受高压力，高冲击，过载等；能测量超高温和低压差，也能对带磁工作进行测量。

3)动态响应好：电容式传感器由于带电极板间的静电引力很小(约几个10^(-5)N)，需要的作用能量极小，又由于它的可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻，因此其固有频率很高，动态响应时间短，能在几兆赫兹的频率下工作，特别适用于动态测量。又由于其介质损耗小可以用较高频率供电，因此系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数。

4)可以非接触测量且灵敏度高：可非接触测量回转轴的振动或偏心率、小型滚珠轴承的径向间隙等。当采用非接触测量时，电容式传感器具有平均效应，可以减小工件表面粗糙度等对测量的影响。

电容式传感器除了上述的优点外，还因其带电极板间的静电引力很小，所需输入力和输入能量极小，因而可测极低的压力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很灵敏，分辨力高，能感应0.01μm甚至更小的位移。由于其空气等介质损耗小，采用差动结构并接成电桥式时产生的零残极小，因此允许电路进行高倍率放大，使仪器具有很高的灵敏度。

缺点

①输出阻抗高，负载能力差。无论何种类型的电容式传感器，受电极板几何尺寸的限制，其电容量都很小，一般为几十到几百皮法(pF)，因此使电容式传感器的输出阻抗很高，可达 ～ Ω。由于输出阻抗很高，因而输出功率小，负载能力差，易受外界干扰影响而产生不稳定现象，严重时甚至无法工作。

②寄生电容影响大。电容式传感器的初始电容量很小，而连接传感器和电子线路的引线电缆电容、电子线路的杂散电容以及电容极板与周围导体构成的电容等寄生电容却较大。寄生电容的存在不但降低了测量灵敏度，而且引起非线性输出。由于寄生电容是随机变化的．因而使传感器处于不稳定的工作状态．影响测量准确度。

电容式传感器具有结构简单、耐高温、耐辐射、分辨率高、动态响应特性好等优点，广泛用于压力、位移、加速度、厚度、振动、液位等测量中。但在使用中要注意以下几个方面对测量结果的影响：①减小环境温度、湿度变化(可能引起某些介质的介电常数或极板的几何尺寸、相对位置发生变化)；②减小边缘效应；③减少寄生电容；④使用屏蔽电极并接地(对敏感电极的电场起保护作用，与外电场隔离)；⑤注意漏电阻、激励频率和极板支架材料的绝缘性。

竞争市场分析：

当今电容式传感器的生产市场鱼龙混杂，国内的厂家和国外的厂家都在大打价格战,争相降价以抢占市场。国内的产品在与国外产品竞争时优势明显，并不是国产产品的质量多么过硬,而是其价格比较低，质量相对好一些的国产品牌价格都在40元人民币左右,并且如果采购量比较大,其价格还有下浮空间。接下来说一下进口品牌，随着中国劳动力成本的上升，一些欧洲同类的竞争对手把生产基地正在逐步转移至东南亚其他国家,例如:易福门(IFM)在马来西亚，倍加福(P+F)在印尼和越南，均设有大型的生产基地。这样大大降低了劳动力成本,客户在不知情的情况下就买到了类似于中国制造的进口货。但是有一点就是其生产成本与在中国生产持平甚至更低，这样,这类公司再按照德国进口商品的价格去打折扣,其利润空间大到不可想象,因此目前同类竞争对手的销售价格一般都是面价的5折，如果采购量大,甚至可以到4折,3折甚至更低。单纯依靠进口的图尔克在价格上没有什么优势。还有一些知名的品牌，如:欧姆龙( OMRON)和奥托尼克斯( AUTONICS)早就在中国苏州一带建立了自己的工厂,其销售价格均在100元至200元人民币之间,如果采购量大,甚至可以到100元左右。

接近开关的齐平式安装与非齐平式安装的区别：

其主要是指传感器的安装方法，齐平安装可以埋入金属内使用，非齐平则不可埋入金属内使用，但动作距离与齐平式相比，检测距离要长。齐平式安装：传感器埋入金属性基座内，其有效感应工作表面与基座面齐平。非齐平式安装：传感器不埋入金属性基座内，其有效感应工作表面与其座保持尺寸。同一规格的接近传感器，非齐平式可获得较大感应距离。齐平式安装的传感器的优点为：它们有很好的机械保护性能，与非齐平式安装的传感器相比较，抗干扰能力强。齐平式安装的传感器与非齐平式安装的传感器相比较，其作用距离大约是后者的69%。

技术参数	图尔克		易福门	巴鲁夫	奥托尼克斯		倍加福	图尔克
型号	BC10-S30-VP4X	KI5002		BCSM30KN2		CR30-15DP	CCN15-30GS60-A0	BC10-M30K-VP4X
额定开关距离Sn	10/15mm	15mm ±10%		15mm ±10%		15mm ±20%	15mm	10mm
安装方式	齐平/非齐平	非齐平		非齐平		非齐平	非齐平	齐平/非齐平
温漂	20%			±15%				20%
重复精度	≤2% 满量程							≤2% 满量程
工作电压	10-65V DC	10-36V DC		20-250V DC/AC		12-24V DC	10-60V DC	10-65V DC
工作电流	≤200mA	13mA（24V				15mA	200mA	200mA
工作温度	-25~70℃	-25~70℃		-25~70℃		-25~70℃	-25~70℃	-25~70℃
开关频率	100Hz	40Hz		40Hz		50Hz	10Hz	100Hz
输出	PNP互补	PNP常开		常闭		PNP常开	NPN互补	PNP互补
反极性保护	有	有		有			有	有
短路保护	有	有		无			有	有
外壳材质	塑料圆柱型	PBT螺纹		PBT		黄铜（镀镍）	不锈钢	铜镀铬圆柱型
LED指示灯	单指示灯	黄色LED		未提及			黄色LED	黄色LED
迟滞	2-20%	1-15%		Max15%				2-20%
余波max	10%	10%						10%
防护等级	IP67	IP65		IP65		IP65	IP67	IP67

Note：红色标注为同级对比。总结：图尔克的产品类型比较全，外壳材料也有很多种，安装方式具有灵活性，技术上也有一些优势，但是价格上没有优势。

奥托尼克斯电容式传感器接近CR系列M18的有三款，只是控制输出不同，分别是NPN常开/常闭，PNP常开。其余技术参数一致。检测距离为8mm±20%，开关频率50Hz，最大工作电流15mA，防护等级IP66，PA6外壳材质，工作温度-25-70℃，工作电压12-24V DC。

保护电路一般都配有反极性保护，短路保护，过载保护等。可用电位器进行灵敏度调节，开关距离可调。设计标准可参考EN 60947-5-2:2007，EN 60947-5-2/A1:2012，IEC 60947-5-2:2007，IEC 60947-5-2AMD1:2012。  EMC电磁兼容