电容式传感器的操作和优化（电容式传感器如何工作和如何高效地使用它们）

电容式传感器技术说明 LTXNUMX-XNUMX

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总结

本技术说明回顾了电容传感的概念和理论，以帮助优化电容式传感器的性能。它还定义了一些电容传感术语，并应用在雄狮精仪的文献和手册中。

技术说明的组织方式如下：

• 电容和距离
• 聚焦电场
• 目标大小的影响
• 测量范围
• 多通道检测
• 靶材影响
• 测量非导体
• 精度最大化
  • 精度最大化 ：目标大小
  • 精度最大化 ：目标形状
  • 精度最大化 ：表面光洁度
  • 精度最大化 ：平行度
  • 精度最大化 ：环境
• 工厂校准
• 灵敏度
• 灵敏度误差
• 偏移误差
• 线性度误差
• 误差范围
• 带宽
• 分辨率

电容和距离

非接触式电容传感器通过测量称为电容的电气特性的变化来工作。 电容描述了它们之间具有空间的两个导电物体如何响应施加在它们上的电压差。 当向导体施加电压时，它们之间会产生电场，从而导致正电荷和负电荷聚集在每个物体上（图 1）。 如果电压的极性反转，电荷也会反转。

电容式传感器使用交流电压，使电荷不断反转其位置。 电荷的移动会产生由传感器检测到的交流电流（图 2）。 电流的大小由电容决定，而电容由导电物体的面积和接近程度决定。 更大和更近的物体比更小和更远的物体产生更大的电流。 电容还受物体之间间隙中非导电材料类型的影响。

从技术上讲，电容与物体的表面积和物体之间材料的介电常数成正比，与物体之间的距离成反比（图3）。

图1 对导电物体施加电压会使正负电荷分别聚集到两个物体上。 这样在两个物体之间的空间内就产生了电场。

图2 施加交流电压使电荷在物体之间来回移动，产生可由传感器检测到的交流电。

图3 电容由面积、距离和介电常数（导体之间的材料）决定。电容随面积或介电常数的增大而增大，随距离的增大而减小。 当面积和介电常数增大时，电容增大；当距离增大时，电容减小 当距离增加时。

在典型的电容式检测应用中，探头或传感器是导电物体之一，目标物体是另一个。（使用电容式传感器来检测塑料和其他绝缘体的情况将在非导电目标章节中进行讨论。）传感器和目标的大小以及它们之间的材料被假定为常数。因此，电容的任何变化都是探头和目标之间距离变化的结果。经过校准的电子元件，会根据电容的变化产生特定的电压变化。这些电压按比例缩放以表示距离的特定变化。与给定的距离变化量对应的电压变化量被称为灵敏度。一个常见的灵敏度设置是1.0V/100μm。这意味着每100μm的距离变化，输出电压变化正好为1.0V。在这种校准设置下，输出结果的+2V变化意味着目标已向探头靠近200μm。

聚焦电场

当电压施加到导体上时，电场从每个表面产生出来。在电容式传感器中，传感电压被施加到探头的检测区域（图4，图5）。

为了精确测量，检测区域的电场需要被控制在探头和目标之间的空间内。如果电场被允许扩散到目标上的其它物体或其它区域，则其它物体位置的变化将被测量为目标位置的变化。

一种称为“保护”的技术被用来防止这种情况的发生。为了形成保护壳，检测区域的背面和侧面被另一导体包围，该导体保持与检测区域本身相同的电压（图4、图6）。

当电压施加到检测区域时，一个单独的电路对保护壳施加完全相同的电压。因为检测区域和保护壳之间没有电压差，所以它们之间没有电场。探头旁边或后面的任何其它导体都与保护壳而不是检测区域形成电场。只有检测区域的无防护的前端才允许与目标形成电场。

图4电容式传感器探头的组成部分

图5 显示无防护时检测区域电场（红色）的剖视图

图6 显示保护电场（紫色）塑形检测区域电场（红色）的剖视图

目标大小的影响

在为特定应用选择探头时，目标大小是主要考虑因素。当检测区域电场通过防护装置聚焦后，会产生一个略为圆锥形的电场，这是检测区域的投影。标准校准的最小目标直径为检测区域直径的130%。探头离目标越远，最小目标尺寸越大。

测量范围

探头的有效测量范围与传感区域的大小成函数关系。面积越大，量程越大。驱动器电子元件是基于探头的一定电容量而设计的。因此，较小的探头必须离目标更近，才能达到所需的电容量。电子元件在校准过程中是可调的，但有一个调整范围的限制。
通常来讲，探头的有效最大间隙大约是检测区域直径的40%，标准校准通常会使校准间隙远远小于最大间隙。

多通道检测

通常，一个目标会被多个探头同时测量。因为多通道检测系统测量的是变化的电场，所以每个探头的激发电压必须同步，否则探头会相互干扰。如果它们不同步，一个探头可能试图增加电场，而另一个探头却试图减小电场，从而给出错误的读数。

驱动器电子元件可以设置为主元件与从元件。在多通道系统中，主元件为从元件设置同步。

靶材影响

检测电场会寻找一个导电表面。如果目标是导体，电容式传感器不受特定目标材料的影响。因为检测电场遇到导体的表面就会停止，所以目标的厚度不会影响测量。

测量非导体

图7
非导体可以被测量，通过将检测电场穿过它们传递到后面的固定导电目标来实现

电容式传感器最常用于测量导电目标的位置变化。 但是电容传感器也可以有效地测量非导体的存在、密度、厚度和位置。 像塑料这样的非导电材料具有与空气不同的介电常数。 介电常数决定了非导电材料如何影响两个导体之间的电容。 当在探头和固定参考目标之间插入非导体时，感应场会穿过材料到达接地目标（图 7）。 非导电材料的存在改变了电介质并因此改变了电容。 电容将随材料的厚度或密度而变化。

精度最大化

既然我们已经讨论了电容式感应如何工作的基础知识，我们就可以制定策略，以在使用电容式传感器时最大限度地提高效率并最大限度地减少错误。 精度要求在校准传感器的相同条件下进行测量。 无论是在工厂校准的传感器还是在使用过程中校准的传感器，可重复的结果来自可重复的条件。 如果我们只希望距离影响测量，那么所有其他变量都必须是常数。 以下部分讨论了常见的错误源以及如何最小化它们。

精度最大化 ：目标大小

图9
目标尺寸过小会导致测量电场向目标的侧面延伸，从而引入误差

除非另有规定，否则工厂校准应该使用比检测区域大得多的平滑导电目标。用这种方法校准的传感器在测量比检测区域大30%以上的平面目标时，会给出精确的结果。如果目标区域太小，检测电场将开始环绕目标的侧面，这意味着检测电场比校准时延伸得更远，并将测量距离更远的目标（图9）。在这种情况下，对于相同的零点，探头必须更靠近目标。由于此距离与原始校准时不同，这将引入误差。探头不再测量平面，也会产生误差。

如果探头和目标之间的距离被认为是z轴，那么目标尺寸过小的另一个问题是传感器对探头的X和Y位置敏感。在间隙不变的情况下，如果探头在X轴或Y轴上移动，输出结果将发生显著变化，因为只有较少的电场到达目标的中心，更多的是到达了周围的侧面。

精度最大化 ：目标形状

图10 弯曲目标需要探头更近一些，而且灵敏度会受到影响

形状也是一个考虑因素。由于探头被校准到一个平面目标上，测量曲面目标将产生误差（图10）。因为探头将测量与目标之间的平均距离，所以零伏时的间隙将不同于系统校准时的间隙。由于检测电场对曲面时会有不同表现，这也会引入误差。在必须测量非平面目标的情况下，对系统进行工厂校准时可以在最终目标形状上进行校准。或者，当平面校准结果要在曲面上使用时，要能够提供相应的乘数来校正测量值。

精度最大化 ：表面光洁度

当目标表面不完全光滑时，系统将在传感器光斑大小覆盖的区域内进行平均。当探头在目标表面上平移时，由于表面平均位置发生了变化，所以测量值也会发生变化。这种误差的量级取决于表面不规则情况的性质和对称性。

精度最大化 ：平行度

校准期间，传感器表面与目标表面是平行的。如果探头或目标倾斜了相当大的角度，那么测量电场投影到目标上的圆点的形状就会伸长，并改变测量电场与目标之间的相互作用。由于测量电场此时的不同表现，便会引入测量误差。在高分辨率下，即使是几度也会引入误差。设计测量夹具时必须考虑平行度。

精度最大化 ：环境

雄狮精仪的电容式传感器系统经过补偿， 使温度从22°C–35°C（72°F–95°F）引起的漂移最小化。在此温度范围内，误差小于满量程的0.5%。 

一个更麻烦的问题是，几乎所有用于目标和固定装置的材料在此温度范围内都表现出显着的膨胀和收缩。 发生这种情况时，测量中与温度相关的变化不是仪表误差。 它们是目标和探头之间间隙的真实变化。 精细的夹具设计对于最大限度地减少这种错误和最大限度地提高精度大有帮助。

空气的介电常数受湿度的影响。随着湿度的增大，介电常数也增大。湿度也可以与探头的构成材料相互作用。实验数据表明，相对湿度从50%RH到80%RH的变化可以引起高达满量程0.5%的误差。

虽然雄狮精仪选择的探头材料已经尽量减少了这些误差，但在极高精度要求的实际应用中，控制温度和湿度是标准做法。国际标准规定，测量应在20°C下进行，或者对照20°C下的“真实长度”进行修正。

工厂校准

Lion Precision 的电容式传感器校准系统是与专业仪器公司合作设计的，专业仪器公司是空气轴承主轴和滑轨设计的全球领导者。 其先进的设计由精密运动控制电子设备驱动，位置精度小于 0.012µm 的不确定性。
校准系统会定期通过NIST可追踪激光干涉仪进行认证。校准期间使用的测量设备（数字仪表和信号发生器）也按照NIST可追踪标准进行校准。每件设备的校准信息都保存在文件中，以备可追溯的核查。

技术人员使用校准系统将校准目标精确定位到电容传感器的多个已知距离上。这些点的测量数据被收集起来，并通过校准系统分析灵敏度和线性度。数据分析的结果用于调整正在校准的传感器系统以达到订单要求的技术规格。

在灵敏度和线性度校准完成之后，电容式传感器系统被放置于一个环境室中，在该环境室中，温度补偿电路会被校准，以将22°C至35°C温度范围内的漂移减至最小。影响分辨率的带宽和输出噪声也要进行测量。

校准完成后，将生成校准合格证书。此合格证书随订购的传感器系统一起运送并存档。校准合格证书符合ISO 4.8-10012的第1章节。

灵敏度

灵敏度–线的斜率就是灵敏度； 在这种情况下为1V / 0.05mm。

灵敏度表示由于检测目标和电容传感器之间的间隙变化，导致输出电压对应变化的大小。一个常见的灵敏度为1V/0.1mm。这意味着每改变0.1mm的间隙，输出电压就会改变1V。当输出电压与间隙大小对应画出一条线，线的斜率就是灵敏度。

灵敏度误差

灵敏度误差——实际测量值的斜率偏离理想斜率。

传感器的灵敏度在校准过程中进行设置。当灵敏度偏离理想值时，这称为灵敏度误差、增益误差或标度误差。由于灵敏度是直线的斜率，所以灵敏度误差通常表示为斜率的百分比；将理想斜率与实际斜率进行比较。

偏移误差

系统的输出电压被增加了一个恒定值，

偏移误差——将一个恒定值添加到所有测量中。

这就是偏移误差。电容式传感器系统通常在安装过程中“归零”，消除与原始校准的任何偏差。但是，如果系统调零后偏移误差发生变化，则会给测量带来误差。温度变化是引起偏移误差的主要因素。雄狮精仪的系统被补偿与温度相关的偏移误差，使其保持在0.04%F.S./℃以下。

线性度误差

线性度误差——测量数据不在同一条直线上。

任何两点之间的灵敏度都可能略有不同。这种变化被称为线性度误差。线性度规格是对输出结果与直线之间的距离大小的测量。

为了计算线性度误差，需要将校准数据与这些点的最佳拟合直线进行比较。这条参考直线是运用最小二乘拟合的算法技术从校准数据中计算出来的。校准曲线上离此理想直线最远的点的误差量就是线性度误差。线性度误差通常用术语满量程的百分比来表示。如果最差点的误差为0.001mm，校准的满量程范围为1mm，则线性度误差为0.1%。
请注意，线性度误差不考虑灵敏度误差。它只是一种对直线度的测量，而不是直线斜率的测量。具有较大灵敏度误差的系统可以是非常线性的。

误差范围

误差带是线性度误差和灵敏度误差的综合结果。它是对校准范围内最坏情况绝对误差的测量。误差带的计算是通过比较特定间隙处的输出电压值与其期望值来实现的。将此比较中的最坏实例误差形成列表，这就是系统的误差带。

误差带——测量值与校准图表中预期值的最坏实例偏差。在这种情况下，误差带为-0.010mm。

带宽

带宽定义为输出降低至-3dB时的频率。该频率也称为截止频率。信号水平的-3dB下降等于实际输出电压的大约70%的下降。对于15kHz的带宽，低频时±1V的变化只能对应产生±0.7V的变化在频率达到15KHz时。除了检测高频运动外，快速响应输出在伺服控制反馈系统中使用时能够最大限度地增大相位裕度。部分驱动器提供可选择的带宽以最大限度地利用分辨率或响应时间。

分辨率

图14
15kHz传感器发出的噪声

分辨率被定义为系统能够实现的最小可靠测量。测量系统的分辨率必须优于测量所需的最终精度。如果需要知道0.02微米内的测量值，则测量系统的分辨率必须优于0.02微米。 
分辨率的主要决定因素是电噪声。输出电压中出现电气噪声，导致输出中出现小的瞬时误差。即使当探头/目标间隙完全恒定时，驱动器的输出电压也会有一些小但可测量的噪声，这些噪声似乎表明间隙正在变化。这种噪声是电子元件固有的，只能最小化，但无法消除。
如果驱动器的输出噪声为0.002V，灵敏度为10V/1mm，则其输出噪声为0.000,2mm（0.2μm）。这意味着在任何时刻，输出都可能有0.2微米的误差。

图15
100Hz传感器发出的噪声

输出中的噪声量与带宽直接相关。一般来说，噪声是在很宽的频率范围内均匀分布的。如果在输出之前对更高的频率进行滤波，结果就是噪声更小，分辨率更好（图。14、15页）。在检查分辨率规格时，了解规格适用的带宽是非常重要的。请参阅我们关于分辨率和带宽之间关系以及如何确保从数据表中获得准确信息的完整文章。