电容厚度传感器 一文读懂电容传感器的原理与应用

一文读懂电容传感器的原理与应用

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电容传感器的原理

电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感元件，将被测物理量或机械量转换成为电容量变化的一种转换装置，实际上就是一个具有可变参数的电容器。

电容式传感器广泛用于位移、角度、振动、速度、压力、成分分析、介质特性等方面的测量。最常用的是平行板型电容器或圆筒型电容器。

电容传感器也常常被人们称为电容式物位计，电容式物位计的电容检测元件是根据圆筒形电容器原理进行工作的，电容器由两个绝缘的同轴圆柱极板内电极和外电极组成，在两筒之间充以介电常数为ε的电解质时，两圆筒间的电容量为：

C=2∏eL/lnD/d

式中L为两筒相互重合部分的长度；D为外筒电极的直径；d为内筒电极的直径；e为中间介质的电介常数。在实际测量中D、d、e是基本不变的，故测得C即可知道液位的高低，这也是电容式传感器具有使用方便，结构简单和灵敏度高，价格便宜等特点的原因之一。

电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感元件，由于被测量变化将导致电容器电容量变化，通过测量电路，可把电容量的变化转换为电信号输出。测知电信号的大小，可判断被测量的大小。这就是电容式传感器的基本工作原理。

电容式传感器的优缺点

电容式传感器的优点

（1）温度稳定性好

传感器的电容值一般与电极材料无关，仅取决于电极的几何尺寸，且空气等介质损耗很小，因此只要从强度、温度系数等机械特性考虑，合理选择材料和几何尺寸即可，其他因素（因本身发热极小）影响甚微。而电阻式传感器有电阻，供电后产生热量；电感式传感器存在铜损、涡流损耗等，引起本身发热产生零漂。

（2）结构简单，适应性强

电容式传感器结构简单，易于制造。能在高低温、强辐射及强磁场等各种恶劣的环境条件下工作，适应能力强，尤其可以承受很大的温度变化，在高压力、高冲击、过载等情况下都能正常工作，能测超高压和低压差，也能对带磁工件进行测量。此外传感器可以做得体积很小，以便实现某些特殊要求的测量。

（3）静电引力小

电容传感器两极板间存在着静电场，因此极板上作用着静电引力或静电力矩。静电引力的大小与极板间的工作电压、介电常数、极间距离有关。一般说来，这种静电引力是很小的，因此只有对推动力很小的弹性敏感元件，才须考虑因静电引力造成的测量误差。

（4）动态响应好

电容式传感器由于极板间的静电引力很小，（约几个10-5N），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MHz的频率下工作，特别适合动态测量。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，如测量振动、瞬时压力等。

（5）可以实现非接触测量、具有平均效应

当被测件不能允许采用接触测量的情况下，电容传感器可以完成测量任务。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。

电容式传感器除上述优点之外，还因带电极板间的静电引力极小，因此所需输入能量极小，所以特别适宜低能量输入的测量，例如测量极低的压力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很灵敏，分辨力非常高，能感受0.001µm甚至更小的位移。

电容式传感器的缺点

（1）输出阻抗高，负载能力差

电容式传感器的容量受其电极几何尺寸等限制，一般为几十到几百pF，使传感器的输出阻抗很高，尤其当采用音频范围内的交流电源时，输出阻抗高达106～108Ω。因此传感器负载能力差，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，必须采取屏蔽措施，从而给设计和使用带来不便。容抗大还要求传感器绝缘部分的电阻值极高（几十MΩ以上），否则绝缘部分将作为旁路电阻而影响传感器的性能（如灵敏度降低），为此还要特别注意周围环境如温湿度、清洁度等对绝缘性能的影响。高频供电虽然可降低传感器输出阻抗，但放大、传输远比低频时复杂，且寄生电容影响加大，难以保证工作稳定。

（2）寄生电容影响大

传感器的初始电容量很小，而其引线电缆电容（l～2m导线可达800pF）、测量电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电容等“寄生电容”却较大，①降低了传感器的灵敏度；②这些电容（如电缆电容）常常是随机变化的，将使传感器工作不稳定，影响测量精度，其变化量甚至超过被测量引起的电容变化量，致使传感器无法工作。因此对电缆选择、安装、接法有要求。

（3）输出特性非线性

变极距型电容传感器的输出特性是非线性的，虽可采用差动结构来改善，但不可能完全消除。其他类型的电容传感器只有忽略了电场的边缘效应时，输出特性才呈线性。否则边缘效应所产生的附加电容量将与传感器电容量直接叠加，使输出特性非线性。

随着材料、工艺、电子技术，特别是集成电路的高速发展，使电容式传感器的优点得到发扬而缺点不断得到克服。电容传感器正逐渐成为一种高灵敏度、高精度，在动态、低压及一些特殊测量方面大有发展前途的传感器。

电容传感器应用

电容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。

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堡盟PL240电容式传感器，挑战复杂环境实现点物位测量

芒种时节就要到了，一年最热的时间，你是否已经准备好零食和空调度过这个悠长炎热的夏日了呢？对于生产企业和实验室而言，进入芒种后，就要开始面对炎热天气带来的液体介质储料问题了。流体液位的准确是工厂存储和保证生产的关键。

堡盟PL240电容式传感器是一款非接触式测量设备，能够在存储箱体外部测量流体液位，不受内部微膜层和残留物的干扰，长期使用亦可准确定位。

非接触检测，严苛环境从容应对

精细化学工厂内部一般都配有大量存储和运输用的箱体或罐体。但长期存储原料后其内壁往往会产生残留的附着物，而随着液位的下降也会产生微膜层类似的物质。

传统的电容式传感器容易受此类物质干扰，出现测量不准确的问题，而测量不准又会进一步导致系统认为内部储料处于高液位，让设备继续运行，进一步导致机器空转，引起故障。

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1、堡盟新型PL240电容式传感器完全不受这种情况的影响，由于其采用了非接触式测量设计 ，因此可以安装在塑料或玻璃储存罐体的外部，即使容器壁厚度高达6 mm也完全不用担心产生影响。

2、PL240电容式传感器能够通过挂料补偿可靠检测清洁液、食品饮料或试验液体等介质的点物位，且湿气和潮气几乎不会对传感器造成干扰。

3、非接触式检测不仅避免了残留物和挂料的问题产生，也带来了更多方便，如检测腐蚀性液体、食品饮料或实验室液体等需要避免与异物颗粒的直接接触场景的测量。

创新功能，操作简便

创新的智能测量原理

作为堡盟最新推出的非接触式物位测量电容式传感器，堡盟PL240电容式传感器采用了创新的智能测量原理，即使潮湿雾气以及储罐内壁附着有膜层或残留物的苛刻工况下也能可靠地进行非接触式点物位检测。

安装方便，可快速投入使用

PL240电容式传感器可通过胶带、电缆扎带或螺钉直接快速地安装在储罐或管道上。

由于性能出色，传感器和储罐之间的间隙可以控制在1mm。因此，针对过去难以进行直接接触式检测的交换式罐箱，传感器可安装在其外部的机器部件上。在大多数应用中，PL240电容式传感器都能快速投入使用，无需进行多余的设置。

非接触式测量的方式，让PL240能够在更多场合发挥作用，大量非接触式的测量的场景都能看到PL240工作的身影。

如精细化学，医疗实验室，食品工业等等，对于实验室自动化或者是设备工程以及半导体生产等场景，PL240电容式传感器也可以通过简单的安全方式快速进入测量状态，从容应对。

PL240电容式传感器为堡盟广泛的智能流体监测产品添加了新型解决方案，也进一步开拓了新场景下的市场空间。

点击链接获取定制化解决方案： https://iy2piho5nlo5xbkf.mikecrm.com/QEjaWzK

点击链接，查看产品详情： https://www.baumer.cn/cn/zh/new-baumer-sensor-detects-point-levels-despite-films-and-adhesion-/n/news-pl240

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