电容式位移传感器

电容是一种电学概念，通过在两个导体之间的间隙中施加电荷产生。一个简单的定义为：在两个间隙的具有相同轮廓的平行导电板上施加电荷，在这种情况下，电容可以由以下等式表示:

  ^[3]

其中，C是电容，ε0是自由空间常数的介电常数，K是间隙中材料的介电系数，A是极板面积，d是极板之间的距离。

电容式位移传感系统一般有两种类型。一种用于测量导体材料的厚度。另一种用于测量非导体材料的厚度或液位。

导体材料的电容测量系统模型类似于上述模型，其中一块导电板用传感器代替，另一块板用待测量的导体代替。由于极板和测量目标的面积保持不变，并且，间隙中材料(通常是空气)的介电常数也保持不变，此时电容变化源自于极板和目标之间的距离变化 ^[4] 因此，上述等式可以简化为:

其中∝表示比例关系。出于这种比例关系，电容传感系统测量电容变化，通过转化对距离进行测量。

测量非导体材料厚度的传感器可以看作是串联的两个电容器，每个电容器具有不同的介电常数(和介电系数)。两种电介质材料的厚度之和保持不变，但每种电介质材料的厚度可变。待测材料的厚度会取代另一种电介质。该间隙通常是气隙(介电常数= 1)，由于该材料具有更高的介电常数。材料越厚，电容值越大，并可被系统检测。

测量液位的传感器作为两个并联电容进行工作，总面积保持恒定。同上，流体介电常数和空气介电常数的差异导致了导电探针或极板之间的电容变化，并可被系统检测。

2.1 精密定位

电容式传感器常见的应用之一是精确定位。电容式位移传感器可以用来测量物体的位置(纳米级)。这种精确定位用于需要定位硅晶片以进行曝光的半导体工业中。电容式传感器也应用于晶片测试和检查中的电子显微镜预对焦。。

2.2 磁盘驱动器行业

在磁盘驱动器行业中，电容式位移传感器用于测量磁盘驱动器的主轴跳动量(测量旋转轴偏离理想固定线的程度)。通过主轴的准确跳动量，磁盘驱动器制造商能够确定驱动器最大数据量写入量。电容式传感器还用于在数据写入磁盘驱动器盘片之前确保磁盘驱动器盘片与主轴垂直。

2.3 精密厚度测量

电容式位移传感器可用于非常精确的厚度测量。电容式位移传感器通过测量位置变化来工作。如果先测量了厚度已知的参考物件的位置，再测量其他物件，就可以利用位置差来确定这些物件的厚度。^[5]

为了使单次测量有效，上述待测物必须完全平坦，并在完全平坦的表面上进行测量。如果被测物有任何弯曲或变形，或者没有牢固地靠在平坦表面上，那么被测物和它所放置的表面之间的距离将作为误差包括在厚度测量之中。这个误差可以通过使用两个电容传感器测量单个物件来消除。电容传感器放置在待测部分的两侧，通过从两侧进行测量，在测量中考虑弯曲和变形，可以消除其在厚度读数中的影响。

塑性材料的厚度可以通过将其放置在两个电极之间一段设定的距离来测量。这样就形成了一种电容器。当塑性材料被放置在电极之间时，其充当电介质并置换了空气(介电常数为1，与塑性材料不同)。因此，电极之间的电容会发生变化。通过测量电容变化以得到材料厚度。^[6]

电容传感器电路可以检测10^-5皮法(10 attofarads)量级的电容变化。

2.4 非导体测量

虽然电容位移传感器最常用于测量导体的位置变化，但该传感器也可用于测量非导体的厚度或密度。^[4] 放置在探针和导体之间的非导体的介电常数与间隙中的空气不同，因此会改变探针和导体之间的电容。(参见上面的第一个等式)通过分析电容的这种变化，可以确定非导体的厚度和密度。

2.5 机床计量

电容式位移传感器经常用于计量应用之中。在许多情况下，传感器被用来“测量生产中的零件形状误差”。同时也可以测量制造零件的设备出现的误差，这种做法被称为机床计量”。^[7] 在许多情况下，传感器用于分析和优化各种机床主轴的旋转，例如表面磨床、车床、铣床和空气轴承主轴。^[8] 通过测量机床本身的误差，而不是简单地测量最终产品的误差，可以在制造过程的早期解决一些问题。

2.6 装配线测试

电容式位移传感器经常用于装配线测试。有时，该传感器用于测试组装零件的均匀性、厚度或其他设计特征。有时，只是用来判断某种成分的是否存在，比如胶水。^[9] 使用电容传感器测试装配线零件有助于防止生产过程中质量问题的出现。

电容式位移传感器与涡流(或感应)位移传感器有许多相似之处；然而，电容传感器使用的电场与涡流传感器 ^[10][11] 使用的磁场是相反的，这导致了两种传感技术之间的各种差异，最显著的差异是电容传感器通常能够进行更高分辨率的测量，而涡流传感器可以在肮脏的环境中工作，电容传感器则不能。^[10]

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