什么是电容式传感器：工作原理及其应用

一个简单的电容式传感器多年来，非金属物体的检测一直在商业上进行，尽管它们被限制在短范围内，通常低于1厘米。通常，电容传感器是一种接近传感器，用于通过传感器形成的电场效应检测附近物体。这些类型的传感器在通过塑料或木材等绝缘材料进行观察时，能够感应导电材料，这与雷达有一些相似之处。

与雷达相比，这些差异是显著的。电容式传感器体积更小、更简单、更便宜、耗电更少。因此，本文简要解释了电容式传感器以及它与应用程序的配合。

什么是电容式传感器？

一种用于在没有任何物理接触的情况下检测液体或固体等目标的电子设备被称为电容式传感器。为了检测这些目标，电容式传感器将从传感器的检测端产生电场。任何可以中断该电场的目标都可以通过该传感器检测到。

电容传感器可以检测到的固体材料有纸张、塑料、玻璃、布和木材。电容传感器可以检测到的液体有油、油漆、水等。

电容式传感器的工作原理

电容式传感器的工作原理与普通电容器类似。在该传感器中，感测面内的金属板电连接到振荡器电路，并且被检测到的目标可以充当电容器的下一个板。与产生电磁场的电感传感器不同，电容传感器产生静电场。

电容式传感器的框图如下所示。内部电容图如上图所示。该传感器包括具有通过两个金属电极形成的感测表面的高频振荡器。一旦物体接近感应表面，它就会进入电极的静电场，并改变振荡器的电容。

因此，一旦达到一定幅度，振荡电路将开始振荡并改变传感器的输出条件。一旦目标离开电容式传感器，振荡器的振幅将减小，从而将电容式传感器切换回其原始位置。
该传感器的典型探测范围约为1英寸或25毫米，而一些传感器的探测范围可扩展至2英寸。

这些传感器可以简单地检测物体的优越介电常数。因此，这可以实现对非金属容器内材料的检测，因为与容器相比，液体的介电常数要高得多。因此，这提供了传感器在整个容器中观察和检测液体的能力。为了更好地操作，它们必须在温度和湿度相当恒定的情况下使用。

电容式传感器公式

电容式传感器是一种用于电容式传感的设备。它主要基于电容耦合原理。该传感器可以简单地检测和测量不同的东西，如运动、化学成分、位移、电场，并间接检测许多其他变量，这些变量可以变为介电常数或运动，如加速度、压力、流体成分和液位。
电容式传感器包括两块金属板，它们相隔距离“d”和面积“A”。因此，两个端子之间的电容“C”可以通过以下表达式给出。

C=ε0*εr*A/h

哪里

“C”是法拉第范围内的电容

“εr”是绝缘体的相对介电常数

“εo”是自由空间的介电常数

“A”是两块板的重叠面积

“h”是两块板之间的间隙宽度。

电容式传感器的类型

电容式传感器提供非接触式目标检测。这些传感器不仅检测目标的存在或不存在；然而，它们也可以检测压力、流量、间距、液位等。这可以简单地对不同行业的不同材料进行检测。有不同类型的电容式传感器，包括以下传感器。

很小的

这种类型的电容式传感器可以采用晶片或圆柱形，可以放置在最紧凑的地方。这些传感器主要用于监测和控制机器过程和工作，就像用于工作计数的探测器一样。为了在狭小的空间内提供最出色的配合，小型传感器头需要一个外部放大器。所以在这个外部放大器上，电位计可以用来调节灵敏度。

圆柱形的

与∅6.5–M12和M12–M30范围内的微型传感器相比，这种圆柱形电容式传感器更大。该传感器主要包括可调节的传感距离、外壳直径范围以及齐平和非齐平安装选项。这些传感器主要在整个容器壁上直接提供液位检测或无接触接近检测。

高温

高温电容式传感器用于传感器头暴露在极端温度下的地方。即使在最严重的情况下，这些传感器仍然可以通过热材料和温度直接接触来检测液体温度水平和散装货物。

模拟电容传感器

模拟电容式传感器的工作原理与典型的电容式传感器类似，尽管根据其使用方式，它具有不同的优点。例如，与其他用途相比，这些传感器在材料选择、厚度和浓度差异监测方面非常出色。

电源操作电容式传感器电路

电源操作电容式传感器电路图如下所示。该电路可以用电容式传感器等电子元件构建，R1=220K，R2=47K，R3=1K，D1=TIC106M 600V 5A SCR，LP1是任何小型霓虹灯灯泡，LP2是230V灯，BZ1是230V蜂鸣器（可选），SPST SW1（可选）和PL1是公电源插头和电缆。

该电路作为高灵敏度电容式传感器工作。一旦人体的一部分靠近传感器，蜂鸣器和灯就可以在电源电压的一半下工作。此电路可作为车门报警电路或电容式传感器电路的替代电路。

一旦该电路用作车门报警器，一旦有人从外部触摸车门把手，就会触发蜂鸣器或指示灯。报警器不是自锁式的，因此一旦把手从门上移开，蜂鸣器/指示灯就会停用。

宽范围灵敏度控制“R2”允许在不同类型的门、把手和锁上使用电路。事实证明，即使锁的一小部分与墙壁接触，但该设备也能通过所有金属门发挥作用。

该电路可以用作简单的触摸控制，因为一旦“R1”的左侧端子被触摸，它就会工作。在这种情况下，您可以在没有传感器板的情况下执行。或者，使用薄铝板或铜片测量传感器的30 x 20厘米，可以在20厘米的距离处注意到人体的一部分。

该电路主要设计用于230V AC的操作。如果需要110至120V AC操作，则“R1”值必须更改为100K。如果该电路不能正常工作，请尝试将电源插头翻转到插座中，因为电源中性线应连接到D1的阴极端子。一旦该电路被用作门把手报警器，那么R2将是一个更好的系统——一个微调器，否则电位计在5K到10K的范围内。

请注意，负载将由一半可用的主电压电源驱动。这应该不会造成任何问题，因为灯将产生足够的光用于信号目的，并且主电源操作的蜂鸣器应该工作，只会产生一点噪音。电路连接到230V交流电源，一旦插入，请远离电路，并将其放入塑料盒中。

电容式传感器与电感式传感器

这个电容式传感器和电感式传感器之间的差异包括以下内容。

电容式传感器	感应传感器
电容式传感器通过使用电场来检测物体。	感应传感器利用磁场检测物体。
为了通过电容式传感器检测物体，物体不需要是导电的。	为了通过感应传感器检测物体，物体必须是导电的。
这些传感器用于检测金属和非导电材料。	该传感器用于检测金属物体。
电容式传感器的工作原理是，它测量被称为电容的电特性内的变化。	这些传感器的工作原理是电感的变化。
电容式传感器有四种类型：微型、圆柱形、高温和。模拟	感应传感器有三种类型：高频振荡、磁性和静电电容。
它的开关频率较低。	它具有更高的开关频率。
由于可能出现错误触发，因此准确性不高。	准确度非常好。
电容式传感器的检测范围为2到50mm。	感应传感器的检测范围为0.8到100mm。

电容式传感器与Arduino接口

我们知道，电容式传感器只是检测周围环境中的电容变化。该传感器对含有特定导电性的不同材料（如金属和液体）做出响应。某些类型的传感器也有机会调节灵敏度。这可以通过按钮或电位计实现。

该传感器经常用于检测水箱内的水位、泄漏或管道内的气泡。此外，它还可以用作触摸传感器、金属探测器，或者类似于门触点。

MPR121电容式触摸传感器与Arduino的接口如下所示。在该图中，MPR121模块被用作电容触摸传感器，电容触摸传感器是一种高精度传感器。

该模块包括12个触摸按钮，支持I2C通信，因此可以轻松连接到任何微控制器。该板不包括任何调节器，因此电压供应必须在1.7–3.6VDC之间。

MPR121的引脚配置

MPR121电容式触摸传感器的引脚输出包括以下内容。该传感器模块包括下面讨论的左侧的6个引脚，以及右侧的12个引脚（0至11）是触摸按钮。

• VCC是类似3.3V的模块的电源。
• IRQ是一种中断输出。
• SCL是I2C协议的串行CLK输入。
• SDA是用于I2C协议的串行数据I/O。
• ADD是I2C协议的调整地址。
• GND是一个接地端子。

该接口所需的硬件和软件组件主要包括Arduino UNO R3、MPR121接近电容式触摸传感器模块、公母跳线和Arduino IDE。以下接口图将显示如何通过连接线将Arduino Uno连接到MPR121模块。

电路连接完成后，转到库管理器并需要安装Adafruit MPR121库。之后，需要将以下代码上传到Arduino板，然后打开串行监视器。

/*
修改日期：2021年1月20日
由来自Arduino实例的MehranMaleki修改
家
*/
#包括<Wire.h>
#包括“Adafruit_MPR121.h”
#如果定义_BV
#定义_BV（位）（1<<（位））
#结束语
//一条i2c总线上最多可以有4条，但一条就足够测试了！
Adafruit_MPR121上限=Adafruit _MPR121（）；
//跟踪最后接触的引脚
//所以，我们知道按钮何时被“释放”
uint16_t最后一次触摸=0；
uint16_t当前已触摸=0；

无效设置（）{
串行开始（9600）；
while（！Serial）｛//需要防止leonardo/micro起步过快！
延迟（10）；
}
Serial.println（“Adafruit MPR121电容式触摸传感器测试”）；
//默认地址为0x5A，如果连接到3.3V，则为0x5B
//如果绑定到SDA则为0x5C，如果SCL则为0x5D
if（！大写开始（0x5A））{
Serial.println（“找不到MPR121，检查接线？”）；
而（1）；
}
Serial.println（“找到MPR121！”）；
}
空心环（）{
//获取当前触摸的触控板
currftouched=cap.touched（）；
对于（uint8_t i=0；i<12；i++）{
//如果*被触摸过，*以前没有被触摸过的话，提醒！
如果（（currttouch&_BV（i））&&！（最后一次触摸&_BV（i））{
序列打印（i）；串行打印（“触摸”）；
}
//如果它被触摸过，现在却没有，请警惕！
if（！（当前触摸过的&_BV（i））&&（上次触摸过的&&_BV（i）））{
Serial.println（“已发布”）；
}
}
//重置我们的状态
lasttouch=当前触摸；
//请注释掉这一行，以获取传感器的详细数据！
回来
//调试信息，什么
串行打印（“\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t 0x”）；Serial.println（大写。触摸（），十六进制）；
串行打印（“Filt:”）；
对于（uint8_t i=0；i<12；i++）{
串行打印（cap.filteredData（i））；串行打印（“\t”）；
}
Serial.println（）序列号；
串行打印（“基本：”）；
对于（uint8_t i=0；i<12；i++）{
串行打印（大写基线数据（i））；串行打印（“\t”）；
}
Serial.println（）序列号；
//推迟，这样就不会让人不知所措
延迟（1000）；
}

首先，本项目代码验证电容式传感器模块是否正确连接到Arduino板。之后，它会在串行监视器上显示每个按键的触摸和释放。

电容式传感器特性

这个电容式传感器的特性包括以下内容。

• 这些传感器可以感应通过机械限位开关无法注意到的小型或轻型物体。
• 这些传感器为基于物体计数的应用中的快速响应提供了最大的切换速率。
• 它们可以感知塑料、玻璃等非金属屏障中的液体目标。
• 它们的运行寿命很长，包括几乎无限的运行周期。
• 固态o/p产生无反弹的接触信号。
• 间距或量程距离：与范围在5到40毫米之间的其他传感器相比，这些传感器通常具有更大的传感距离。
• 这些传感器提供了线性、精度、稳定性、带宽和分辨率的组合，比应变仪和LVDT等传统传感器更好。

优势

这个电容式传感器的优点r包括以下内容。

• 这些传感器检测非金属目标。
• 他们可以通过使用某些类型的容器进行检测
• 结构简单
• 电容式传感器可根据不同类型的材料进行调节。
• 这些传感器检测固体和液体目标
• 减少成本
• 它具有高灵敏度，可以通过较小的能量进行操作。
• 它适用于测量压力、湿度、力等。
• 它具有良好的频率响应和分辨率（<0.003 mm）

缺点

电容式传感器的缺点包括以下方面。

• 它对湿度、温度等环境条件的变化非常敏感，因此这将影响性能。
• 与电阻测量相比，电容测量并不容易。
• 与感应型传感器相比，这些传感器是不准确的。

应用

这个电容式传感器的应用包括以下内容。

• 电容式传感器检测和测量除空气外具有电介质的导电物体。
• 这些传感器最常用于确定导电目标位置内的变化。然而，这些类型的传感器在测量密度、存在、厚度和非导体位置方面也非常有效。与空气相比，诸如塑料之类的非导电材料具有不同的介电常数。
• 电容式传感器用于检测或测量位置、接近度、加速度、位移、液位和湿度。
• 作为输入设备，电容感应触摸屏被用于手机、平板电脑、数字音频播放器等
• 这些传感器取代了机械按钮。

因此，这一切都是关于电容式传感器的概述。这些传感器经常用于测量导电目标位置内的变化。然而，在测量密度、存在、厚度和非导体位置时，这些可以非常有效。这里有一个问题要问你，什么是感应传感器？