电容感应是一种无接触式传感技术，具有许多应用，范围从近距离感测（图。1）、手势识别、汽车雨水传感器、远程液位传感、材料处理和高分辨率金属剖面。我们将会发现，它甚至被用来制作音乐。
1.电容式接近传感器可用于坚固的外壳，适用于工业应用。(由自动化指导提供)
电容传感系统中的传感器可以是任何金属或导体，允许高度灵活的系统设计。由于其低功耗、低成本和高分辨率，电容式传感器在许多应用中正在取代感应式、光学式和超声波技术。
虽然电容式传感器可以像印刷电路板上的一个专用区域一样简单，但是系统设计人员还有许多其他的选择，包括集成电子器件。
电容感应与电容式触摸不照样，这是一种优化以执行数字交换机功能的相关技术。电容式触摸系统通常使用行和列布置中的许多通道;想想手机手机的触摸屏。它需要联系以运行，并且最多有几毫米。传感、不能碰
相比之下，电容传感器是一个模拟系统，可在高达70厘米的距离处运行。它具有更大的灵敏度和精度，因为它必须解决几个皮法的电容的变化。
电容传感原理“，
系统的电容代表了它储存电荷的能力，是一种基本的电特性。电容器是一种在电场中储存电能的元件;最简单的模型由由绝缘介质隔开的两个电导体或电极板组成（图2）．
2.最简单的电容模型包括带电板，电介质和地面。电介质在两个板之间。电容是板面积，介电材料和它们之间的距离的函数。（由TI提供）
对于图1所示的电容器，如图2所示，FARADS的电容由：
地点:
A =板的面积(W × L)
D =以米为单位的板块间距
εr=两板之间材料的介电常数
ε0.=自由空间介电常数(8.85 × 10-12 F/m)
当传感器板带电时，就会产生一个电场(图3)．
3.平行极板电容器的电场在极板之间是均匀的，但可以延伸到远离极板的地方，并包括在极板边缘附近的边缘效应(由TI提供)。
将电容器转入传感器
我们如何将此设备转换为电容传感器？图4显示三个选项。
4.用于电容传感器的三个拓扑：接近传感器使用手指作为接地板（A），具有平行传感器和地面（B）的液位感测和材料检测和分析（C）。（由TI提供）
一个近距离传感器通过在电路板上的导电区域外构造一个隔离的传感器板并对其充电而形成。然后，电容器将形成任何时间接地，导电物体，或一个介电常数不同于空气的物体，接近传感器板。手指是合格的，因为人体本质上处于地电位。
当手指接近传感器时，电容增加。即使变化是非线性的，一个可检测的差异是足够的接近检测。
把它展开成姿态传感器,我们可以使用多个独立的传感器进行上下和左右检测(图5)．当手指在传感器上移动时，四个传感器的电容都会发生变化。多通道检测器读取所有四个值;然后软件可以根据读数的差异计算速度和方向。
5.解码手势需要四个电容接近传感器和一个多通道转换器。(作者提供)
在许多应用中，如化学储存，工业过程控制，或商业洗涤，它是必要的感觉液体的水平．在这种情况下，传感器和接地板可以彼此相邻，如图4B所示，导致沿垂直接入具有高灵敏度的配置。
随着液位的变化，它改变介电值，从而改变电容。这种传感器配置利用了边缘场线;因此，电容的计算比简单极板的情况要复杂得多。
传感器材料分析由图1所示的基本板拓扑组成。图4C的材料具有待分析的材料，例如改变板之间的介电常数，如添加或移除。卸载的传感器具有空气电介质并用作参考电容。然后随着纸张或其他材料插入板之间的电容增加。
当然，这并不是唯一的传感器配置。其他选择包括多个传感器和地面布置，或单独或以联锁梳状布置，需要大的传感器区域和高灵敏度。
屏蔽和电容传感
电容式接近感应的一个问题是，磁力线将从感应板流向任何附近的地电位。理想情况下，被感知的目标将是主导影响。然而，大量的寄生(如地平面或地迹)通常会偷走电荷，降低传感器的灵敏度和探测距离。在噪音敏感的环境中，这是一个特别的问题，因为地面飞机是一个标准的设计解决方案。
6.通过从动屏蔽电极（B）可以减少PCB寄生菌（A）对传感器性能的影响。屏蔽驱动器包含在电容式接口设备和专用的微控制器中。（由TI提供）
添加A.活跃的盾能否帮助减少寄生和环境干扰，并允许传感器在全能力下工作(图6)．一个精心设计的有源屏蔽也将聚焦传感器输出，并将其导向所需的方向。
屏蔽驱动器是一个有源输出，与传感器输入的电压相同。因此，屏蔽和传感器输入之间没有电位差。任何外部干扰将耦合到屏蔽电极，与传感器电极的相互作用最小。
电容式传感器接口框图
一个专门的模拟前端将电容式传感器的信号转换成适合于进一步处理的数字值(图7)．它周期性地对传感器输出进行采样，并提供一个激励信号来给传感器板充电。传感器输出采样率相对较慢，每秒小于500个采样，但需要高分辨率的模数转换来捕获电容的微小差异。16位sigma-delta ADC提供了速度、分辨率和低功耗之间的良好折衷。
7.在电容传感装置中，激励阶跃波形对传感器电极充电。随后，电荷被转移到采样-保持电路，并由模数转换器测量。（由TI提供）
多通道设备可以执行差分测量以获得两个传感器之间的电容差的精确表示。例如，如果环境因素会导致电容的变化，则一个通道可以专用于环境传感器，该环境传感器监测由温度，湿度，材料类型，材料上应力引起的电介质变化，等等。差分测量可以为这些变量而耗尽变化。
对于某些应用，比率测量也是有价值的。在液体感测中，一个通道测量与液位相关的电容;第二通道用于参考传感器，其测量零电平的电容。由于电平电容与液体高度成比例，因此比率测量测量水平传感器和参考之间的比率或差异。
LC-Based电容式感应
电容感应的一个问题是杂交噪声的耦合。修改传感器以包括频率敏感组分是增加噪声抗扰度的有用方法。除了可变电容器元件之外，还将附加电容器和电感器添加到传感器中以形成谐振电感罐电路(图8)．
8.如图所示是LC水箱电路(a)及其特性曲线(b)。窄带响应使其能够抑制带外噪声。（由TI提供）
虽然LC储罐的结构很简单，但当集成为电容式传感器的一部分时，它有几个主要的优点(图9)．首先，由于其固有的窄带特性，LC谐振器提供了极好的抗电磁干扰(EMI)。第二，如果已知噪声源存在于特定的频率，改变传感器的工作频率可以在不使用外部电路的情况下过滤掉这些噪声源。这将有助于增加系统的灵敏度和降低复杂性。
9.一种基于lc的多通道电容传感系统的集成实现。(TI提供)(点击图片放大。)
使用这种方法，LC电路电容的变化被视为谐振频率的偏移。TI将这一原则应用于它的FDC2214它是一种电容-数字转换器，用于测量基于LC谐振器的传感器的振荡频率。该设备输出与频率成比例的数字值。这种频率测量可以由下游的MCU转换成等效电容。
休息一下!
现在来看看完全不同的东西……除了它的许多工业用途之外，它甚至可以用电容感应来制作音乐。的theremin是在1919年由Leon Theremin发明的，可以在七秒钟范围内产生声音(图10)．每个表演者的手用于通过两个独立的外差路电路来改变LC电路中的电容，控制体积和间距。
10.特雷门琴使用电容感应来产生异常美妙的音乐。表演者的左手控制音高;右边控制音量。(由TED.com)
在行动中，表演者看起来像是在两个无线电天线旁边挥舞着她的手，但声音让人想起声音，小提琴，甚至低音。这是A.视频音乐理论家帕梅拉·库斯汀在讲解技巧的同时还演奏了两首古老的爵士乐曲。你可以想象，以这种方式制作音乐需要精确地控制手和手臂的位置。一个意外的喷嚏或咳嗽可能是灾难性的!
结论
电容传感是一种越来越流行的灵活技术。构造一个传感器就像在印刷电路板上增加一个导电区域一样简单，而且低成本的集成接口芯片也很容易得到。它的低成本和低功耗使其成为广泛的消费和工业应用的理想选择。
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