感应，电容和超声传感器有什么区别？一文教您区分它们!

传感技术广泛应用于各种行业，包括石油和天然气、制药以及食品饮料行业。为了选择最合适的传感器，考虑因素应包括环境、尺寸、安装类型、外壳和连接等选项，在本文简要概述感应传感器、电容传感器和超声传感器原理、特点、用途及使用注意事项。

1、感应传感器

固态元件利用感应磁场的原理感应有无金属物体。检测铁磁性金属材料，适合在不干净的潮湿区域使用，防灰尘但传感距离有限制（最多50mm）

感应传感器工作原理

感应传感器结构内具有四个基本元件，即线圈、振荡器、触发电路和输出端。

感应传感器借助振荡器形成了一个高频场；线圈在传感器尖端辐射该场，从而形成传感场。当金属物体进入传感场时，涡电流就被引入其内，从而降低振荡器发出的能量。当能量降至足够低时，振荡器将停振。触发电路在感应到振荡停振时，将改变输出端开关装置的状态。

金属物体越靠近传感器尖端时振荡幅度越低，而远离时幅度增加，本质上这就是感应传感器的工作原理。

感应传感器优势

①适合在不干净环境内使用，不受潮湿或灰尘影响；

②无活动部件，即无机械磨损；

③与其他传感技术相比，对表面的依赖性较低；

④无盲区；

⑤检测不取决于颜色

感应传感器注意事项

感应传感器仅感应金属物体。

感应传感器应用

①组装线

②机床

③物质/物体的金属检测

④零件分类

⑤识别黑色和有色金属（仅限亚铁选择性传感器）

2、电容传感器

利用静电场内的变化检测金属、非金属、液体和固体的固态元件。

电容传感器工作原理

电容传感器结构内具有四个基本元件，即传感器板、振荡器、触发电路和输出端。

目标物体和传感器板构成了振荡器反馈电路。当物体和传感器板靠近时，反馈电容出现；当大电容出现时，就会开始振荡。触发电路感应振荡水平并得以控制，从而改变输出端开关装置的状态。

物体越远离传感器尖端时振荡幅度降低，而靠近时幅度增加。其在本质上为电容传感器的工作原理。

电容传感器优势

①检测金属、非金属、固体和液体；

②可穿透某些材料（产品包装盒）；

③固态，无磨损，使用寿命长；

④安装配置较多。

电容传感器注意事项

①传感距离较短，随着目标材料的变化而变化（≥ 25mm）；

②易受环境影响，湿度可影响传感输出；

③根本不选择其目标，重要的是控制靠近传感器的物体（假触发）。

电容传感器应用

①液面传感

②产品填装线

③塑料件检测

④材料搬运的货板检测

⑤不规则物体

3、超声传感器

超声传感器利用恒定声速检测有无物体。

基于声音以相对恒速传播的原理，测定超声波离开传感器并在碰到目标物体后反射回来所用的时间与目标物体的距离成正比。

传感器发出声脉冲，反射进入波场的物体。反射声被传感器接收；当物体在规定范围之内时，该声波回声产生输出信号。其在本质上为超声传感器的工作原理。

超声传感器优势

①不依赖于物体的颜色或光反射率；

②可忽视背景物体；

③检测固体和液体；

④随着距离的线性响应，即与测量装置连接时可给出距离指示；

⑤高达15m的较大传感范围

超声传感器注意事项

①嘈杂的噪声可给出错误读数；

②较长范围内可能难以感应吸声物体；

③确保四方平面对齐。

超声传感器应用

①距离和高度测量

②工业水平控制

③玻璃和透明物体检测

④检测缺失的零件或物体

超声波最大的劣势是水雾和颗粒也可以触发信号，适用场景比较受限！

液位检测电路之电容检测法

电容电感充放电该如何计算？

电容充电放电时间和充电电流计算公式

设V0 为电容上的初始电压值

V1 为电容最终可充到或放到的电压值

Vt 为t时刻电容上的电压值则

Vt=V0+（V1-V0）*［1-exp（-t/RC）］

例如，电压为E的电池通过R向初值为0的电容C充电V0=0，V1=E，故充到t时刻电容上的电压为

Vt=“E”*［1-exp（-t/RC）］

再如，初始电压为E的电容C通过R放电

V0=E，V1=0，故放到t时刻电容上的电压为

Vt=“E”*exp（-t/RC）

推导也许不难，利用积分可以了。充电：

Vin = i*R +Vc ， （ Vc是电容上电压，i是回路电流（充电电流），均是时间的函数。）

=》 Vin = （C*dVc/dt）*R + Vc

=》 dt/（RC） = dVc/（Vin-Vc）

积分两边后

t/（RC） = -ln（Vin-Vc） +K （ K是一个常数，由初始条件决定，这里可知 K=ln（Vin） ）

於是得 Vc = Vin*（1-exp（-t/RC）） ，Ic = （Vin/R）*exp（-t/RC）

RL电路的时间常数：τ=L/R

电路接直流，i=Io［1-e^（-t/τ）］　　Io是最终稳定电流

电路的短路，i=Io&TImes;e^（-t/τ）］　　 Io是短路前L中电流

最小的电容测量电路的设计：

电容式传感器是将被测量的变化转换成电容量变化的一种装置。电容式传感器具有结构简单、分辨力高、工作可靠、动态响应快、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等优点已在工农业生产的各个领域得到广泛应用。例如在气力输送系统中，可以用电容传感器来获得浓度信号和流动噪声信号，从而测量物料的质量流量；在电力系统中，采用电容传感器在线监测电缆沟的温度，确保使用的安全；由英国曼彻斯特科学与技术大学（UMIST）率先开发的电容层析成像（ECT）技术是解决火电厂煤粉输送风-粉在线监测等气固两相流成分和流量检测的有效途径，其中微小电容测量是关键技术之一。

电容传感器的电容变化量往往很小。结果电容传感器电缆杂散电容的影响非常明显。特别在电容层析成像系统中被测电容变化量可达0.01pF，属于微弱电容测量，系统中总的杂散电容（一般大于100 pF）远远大于系统的电容变化值，且杂散电容会随温度、结构、位置、内外电场分布及器件的选取等诸多因素的影响而变化，同时被测电容变化范围大。因此微小电容测量电路必须满足动态范围大、测量灵敏度高、低噪声、抗杂散性等要求。

1 充/放电电容测量电路

充/放电电容测量电路基本原理如图1所示。

由CMOS开关S1，将未知电容Cx充电至Ve，再由第二个CMOS开关S2放电至电荷检测器。在一个信号充/放电周期内从Cx传输到检波器的电荷量Q=Ve·Cx，在时钟脉冲控制下，充/放电过程以频率f=1/T重复进行，因而平均电流Im=Ve·Cx·f，该电流被转换成电压并被平滑，最后给出一个直流输出电压 Vo=Rf·Im=Rf·Ve·Cx·f（Rf为检波器的反馈电阻） 。

充/放电电容测量电路典型的例子为差动式直流充放电C/V转换电路，如图2所示。

Cs1和Cs2分别为源极板和检测极板与地间的等效杂散电容（通过分析可知，它们不影响电容Cx的测量）。S1-S4是CMOS开关，S1和S3同步，S2和S3同步，它们的通断受频率f的时钟信号控制，每个工作周期由充/放电组成。分析可得电路输出为

Vo=2KRfVeCxf （1）

式中，K为差分放大器D3的放大倍数。

该电路的主要优点是能有效地抑制杂散电容，而且电路结构简单，成本很低，经过软件补偿后电路稳定性较高，获取数据速度快。缺点是电路采用的是直流放大，存在较大的漂移；另外，充/放电是由CMOS开关控制，所以存在电荷注入问题。目前该电路已成功应用于6、8、12电极的ECT系统中。其典型分辨率可达3*10-15F。

2 AC电桥电容测量电路

AC电桥电容测量电路如图3所示，其原理是将被测电容在一个桥臂，可调的参考阻抗放在相邻的一个桥臂，二桥臂分别接到频率相同/幅值相同的信号源上，调节参考阻抗使桥路平衡，则被测桥臂中的阻抗与参与阻抗共轭相等。这种电路的主要优点是：精度高，适合作精密电容测量，可以做到高信噪比。

图3电路的缺点是无自动平衡措施，为此可采用图4所示的自动平衡AC电桥电容测量电路。

该系统输出Vd为一直流信号，ΔC为传感器的电容变化量。

式中，2/π为相敏因子。

结合平衡条件，在理论上输出Vd可写成

获得该电桥的自动平衡过程的步骤为：保证电桥未加载时ΔC=0，测量电桥非平衡值并利用公式（3）计算出电桥输出为零时所需的反馈信号Ve的值。重新测量桥路的输出，若输出为零，则桥路平衡；若输出不为零，重复上述测量步骤，直至桥路输出为零，即桥路平衡为止。该电桥电容测量电路原理上没有考虑消除杂散电容影响的问题，为此采取屏蔽电缆等复杂措施，而且其效果也不一定理想。通过实验测得其线性误差能达到±1*10-13F。

3 交流锁相放大电容测量电路

交流型的C/V转换电路基本原理如图5所示。

正弦信号Ui（t）对被测电容进行激励，激励电流流经由反馈电阻Rf、反馈电容Cf，和运放组成的检测器D转换成交流电压 Uo（t）：

若jωRfCf》》1，则（4）式为

式（5）表明，输出电压值正比于被测电容值。为了能直接反映被测电容的变化量，目前常用的是带负反馈回路的C/V转换电路。这种电路的特点是抗杂散性、分辨率可高达0.4*10-15F。

由于采用交流放大器，所以低漂移、高信噪比，但电路较复杂，成本高，频率受限。

4 基于V/T变换的电容测量电路

测量电路基本原理如图6所示。

电流源Io为4DH型精密恒流管，它与电容C通过电子开关K串联构成闭合回路，电容C的两端连接到电压比较器P的输入端，测量过程如下：当K1闭合时，基准电压给电容充电至Uc=Us，然后K1断开，K2闭合，电容在电流源的作用下放电，单片机的内部计数器同时开始工作。当电流源对电容放电至Uc=0时，比较器翻转，计数器结束计数，计数值与电容放电时间成正比，计数脉冲与放电时间关系如图7所示。

电容电压Uc与放电电流Io的关系为：

令Uc=0，则有：

式中，N为计数器的读数；Tc为计数脉冲的周期；它是一个常数；在Us和Io为定值时，C与N成正比。

基于V/T变换的电容测量电路，对被测电容只进行一次充放电即可完成对被测电容的测量。采用了电子技术中准确度较高的时间测量原理，克服了传统测量微弱信号电路中放大器的稳定性不好、零点漂移大等缺点，且电路结构简单、测量精度和分辨率高。

5 基于混沌理论的恒流式混沌测量电路

恒流式混沌电路如图8所示。

其工作原理如下：当K1、K2断开时，K3闭合。电容C充电使Uc=Ux，然后K3断开，待周期为t的脉冲序列δ中的一个脉冲到达G（逻辑电路）时，G的输入信号使K2闭合，K1保持断开（此时相当于图9中的X1点），电容开始以-0.5Io的恒定电流放电。当Uc=0时，相当于电路中的A点，比较器翻转，输出电压Up由高电平变为低电平，Up的变化促使G变化，使G控制K1闭合、K2断开，此时电容C由恒定电流Io充电，使Uc按A-X2方向上升。当又一个脉冲到来时（相当于图8中X2点），G又开始变化，使K1断开、K2闭合，又一个放电充电过程开始。这样周而复始的放电充电使Uc的变化如图9所示，只要适当调整，Io和t就可以使电路处于混沌状态。

这种方法突出的优点是测量的分辨率高，测量的绝对误差不随被测电容值的变化而改变，对作为传感器的元件只要求稳定即可。当被测电容很大时，相对误差还会减小。此方法除了可以直接测量电容外，也可以作为电容式传感器测量其它电量和非电量。

6 基于电荷放大原理的电容测量电路

基于电荷放大原理的电容测量电路如图10所示，该电路是通过测量极板上的激励信号所感应出的电荷量而得到所测电容值的。图中Cx为被测电容，它的左侧极板为激励电极，右侧极板为测量电极。Cas和Cbs表示每个电极所有杂散电容的等效电容，Cas由激励信号源驱动，它的存在对流过被测电容的电流无影响。电容Cbs在

测量过程中始终处于虚地状态，两端无电压差，因而它也对电容测量无影响，因此整个电路对杂散电容的存在不敏感。

基于电荷放大原理的电容测量电路，一方面该电路对被测电容只进行一次充放电，就可完成对电容的测量，由于测量结果是直流稳定信号，不存在脉动成分，故电路中无需滤波器。因此大大提高了基于该电路的数据采集系统的数据采集速度。同时该电路具有很强的抗杂散电容的性能。另一方面该电路可以对各开关的控制时序进行合理的设计，用以较好地解决了电子开关的电荷注入效应对测量精度的影响问题，使电路达到了较高的分辨率。现在此电路成功应用于12电极ECT系统中，在不实时成像的情况下，数据采集速度可达600伏/s，对杂散电容具有较强的抑制能力，系统灵敏度4.8 V/pF，可达最高分辨率为5*10-15F。

7 结论

电容传感器性能很大程度上取决于其测量电路的性能，目前的微小电容测量技术正处于不断的完善中，还不能满足实际应用发展的需要。从工业角度而言，一个完善的微小电容测量电路应该具备低成本、低漂移、响应速度快、抗杂散性好、高分辨率、高信噪比和适用范围广等优点。在上述讨论的测量电路各有优缺点，相比较而言，交流锁相放大测量电路是目前实验室应用最好的检测电路，在现有研究成果基础上进一步改善其电路复杂、频率受限的缺点，将在工业实际测量中具有广泛的应用前景。把微小电容测量技术研究工作推上一个新台阶。

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