電容傳感器原理應用分析

　　已知的電容傳感器很少將極板置于同一平面，如圖1。若被測物為絕緣體，此種并聯多極板單一平面放置的，電容敏感元件之微小面積增量(ΔF=LΔx)上生成的電容值，按圖中所示的電力線，用近似半圓弧形線代替(也可用近似橢圓形線代替)，近似有：
　　
　　式中K為實際情況對上述假設情況的一個修正，同時包含極板的并聯對數(圖中為三對)。由此可知：被測物的組成成分變化能引起總介電常數ε的變化，輸出電容值Cx亦隨之變化，間接測定物料某特定成分；若被測物是介于導體與絕緣體之間，Cx還要并聯C+Rx(圖2b)。其中C>>Cx是極板絕緣薄膜(如漆)兩邊面積之間的電容值，Rx為被測物在傳感器極板之間的電阻：Rx=1/Sx，在此Sx是極板間電導，微小極板面積增量(ΔF=LΔx)上的電導ΔSx＝Δ(1/Rx)，亦可近似表為：
　　
　　式中U（s）和I（s）為拉氏運算子電壓與電流；Zx（s）為拉式運算子總阻抗；1/SC為運算子容抗，引入運算子阻抗Z，容抗1/SC與感抗SL之后，電路的微分方程變為代數方程，電路的分析類似于直流電路；只當電信號為穩定的正弦波(或余弦波)時，式中的S=jω為虛數，感抗與容抗才變為jωL與1/jωC；電壓與電流才變為交流有效電壓與有效電流，它類似于富里埃變換，所以圖2b敏感輸出可表示為電容性運算子阻抗Zx：
　　
　　若被測物為良導體，Zx便為Cx1與Cx2串聯值（圖2c）。Cx1為傳感器的左邊極板與被測物間的絕緣漆與空氣隙為中間介質的電容量；Cx2為右邊的電容量。Cx1與Cx2隨極板與被測物之間的耦合面積及空氣隙的大小而變化。由上可知：Zx隨被測物εx、Sx、微小空氣隙δx、耦合面積Fx等變化而變化。若被測物厚度＜20～25mm，還與厚度有關。
　　圖3a的Zx／fx變換輸出：
　　
　　圖4為8031單片機對變電容傳感器的檢出信號進行數據處理與數字顯示電路。傳感器的脈沖頻率信號(fx)無須A/D電路而直接送往8031的INTO與T0，由軟件完成頻率數字變換(fx/Dx)：8031的中斷允許寄存器(IE)的D位，為INTO中斷允許位置EXO“1”(容許中斷)；IE的D1為T0允許中斷位ET0置“1”(允許中斷)；定時/計數控制寄存器TCON的D0位，為INTO的控制位IT0置“1”(邊沿觸發)，使INTO接收fx的脈沖下降沿時觸發申請中斷，中斷服務程序為軟件計數，同時將TCON的D４＝TRO(為T0運行控制位)置“1”(啟動T0計數)，使T0接收同一個輸入脈沖下降沿時對輸入脈沖fx計數，計數到規定的數值后產生溢出中斷，由溢出中斷來停止上述軟件計數。從啟動計數到停止計數所需時間Δt，為測量信號fx周期的（n－1）倍，n為T0計數值，由此可算出頻數傳換（fx/D）輸出，這種不直接測定頻率的方法，可快速高分辨率的完成（fx/D）轉換，因Δt可隨意選用均勻脈沖細分，使軟件處理的模數轉換可達8bit～32bit。
　　這種傳感器可廣泛應用于物體計數、產品質量監視及安全檢測等。
　　平面電極放在金屬罐頭側邊，可對罐頭計數；放在罐頭上方，可檢驗罐頭是否變質：因殺菌不徹底而發酵變質生成的氣體，將罐頭端平面突起，減小電容極板與導電金屬（罐頭端平面）之間的間距（δ），使Cx增大，從而檢出不合格品。但實際