|5.4 全向高灵敏度电容传感器设计|
电容传感器是一种应用极为广泛的电学无源传感器，根据作用原理不同可以分为极距变化型、面积变化型、介质变化型三种类型。结合本书研究内容，针对介质变化型电容传感器进行了调研分析，现有介质变化型电容传感器根据结构特点可以分为指状电容传感器、螺旋电容传感器和平面电容传感器三类，各自结构和性能特点如下：
（1）指状电容传感器。指状电容的外形一般为圆柱体，指端位置布置一个测试极板，壳体作为另一个电极（该电极通常接地）。当物体靠近传感器时，传感器介电常数发生变化，从而使电容量发生变化，检测电路输出状态也随之发生变化，形成有效信号。但是由于电场线分布不规则，因此检测线性度较差，典型应用是电容式接近传感器。该类传感器原理图及实物如图5-9所示。
图5-9 指状电容式接近传感器
（a）原理图；（b）实物图
（2）螺旋式电容传感器。该类型的传感器由2个或多个矩形极板构成，极板紧贴在管道内侧，呈螺旋状分布。该类传感器具有良好的敏感度，但是检测精度受到管道内被测物体均匀度（流体的流型）影响严重，同时体积较大，检测电路结构复杂，主要应用于管道内粉尘浓度检测。螺旋式电容传感器原理结构如图5-10所示。
图5-10 螺旋电容传感器原理结构示意图
（3）平面梳齿电容传感器。也称为容栅电容，由多个共面的矩形电极阵列排布形成，测试精度由极板尺寸和排布尺寸等参数决定，具有检测范围广、检测灵敏度高等特点，但是受到梳齿排布方式影响，通常具有检测方向单一等问题。传统梳齿状电容主要应用于位移检测，现在广泛应用于MEMS传感器设计，在加速度测试等领域得到了广泛的应用。典型的容栅式位移传感器和MEMS梳齿电容传感器如图5-11所示。
图5-11 平面梳齿电容传感器
（a）容栅式位移传感器；（b）梳齿状电容传感器
采用电场法检测混合物浓度时，直接检测信号为电容传感器的输出信号（感应电荷），电容传感器特性对于测试效果具有重要的影响。分析云爆燃料云雾形态和运动特征，可知被测对象具有运动方向不定、浓度变化迅速等特点，要求测试系统和传感器具备快速精确响应和全向检测的能力。针对上述问题，本书设计了一种能够实现全向高灵敏度检测的同心共面环状电容传感器。