电容传感器应用——水浸传感器
什么是电容传感器？
电容式传感器是一种无需物理接触即可检测固体或液体目标的电子设备。
为了检测这些目标，电容式传感器从传感器的传感端发射电场。电容传感器可以检测到任何可以影响该电场的目标。
电容式传感器可检测的材料类型
电容式传感器可以检测的固体材料的一些示例包括所有类型的金属、所有类型的塑料、木材、纸张、玻璃和布料。
电容式传感器还可以检测水、油和油漆等液体。
一些电容式传感器可用于检测容器内的材料。
水浸传感器
水浸传感器是一种能够检测并响应环境中水存在或水位变化的设备，用于预防水灾损害和监控水位情况。
电容式传感器的一个关键优势是它们可以非接触式地测量液位，这意味着它们可以不直接接触液体而进行测量。这使得电容式传感器特别适合于需要保持卫生条件或处理腐蚀性、有毒或高温液体的应用。此外，电容式传感器通常具有高的灵敏度和良好的抗干扰能力，使它们能够在复杂的环境条件下可靠工作。
原理
电容式水浸传感器利用电容的变化来检测水的存在或水位的变化。这种类型的传感器特别适用于那些需要高灵敏度和准确性的应用场景。 电容式水浸传感器的核心原理基于电容的基本定义：电容是储存电荷的能力。当两个导体（在传感器中通常是电极）之间的介质（例如空气或水）发生变化时，系统的电容值也会随之变化。
具体到水浸传感器，当水接触到传感器的电极或接近电极时，作为介质的水会改变原有的电容值，因为水的介电常数远高于空气。这种电容的变化可以通过电路精确检测，并转换成电信号，从而判断出水的存在或水位的变化。所以电容式水浸传感器主要检测的是电极间的介电常数变化量。通过这种原理，可以实现更高的精度和更强的抗干扰性能。常见物质的介电常数如下表。
电容式水浸传感器优点
高灵敏度与准确性：电容式水浸传感器通过测量电容变化来检测水的存在，这使得它们对水分的存在非常敏感，即使是非常小的水量也能被准确检测到。
非接触式测量：这类传感器的设计允许进行非接触式的水浸检测，这不仅提高了传感器的耐腐蚀性和使用寿命，而且使得传感器能够在含有污垢或其他杂质的水中准确工作，无需担心污染问题。
广泛的应用范围：由于其高灵敏度和准确性，电容式水浸传感器适用于各种需求严格的应用场合，包括工业监控、环境监测、智能家居等。
良好的环境适应性：电容式传感器能够在广泛的温度和湿度范围内稳定工作，其性能不易受到环境变化的影响。
易于集成和扩展：电容式水浸传感器的设计使得它们易于与现有的监测系统集成，支持多点监测和复杂场景应用。
和电阻式水传感器技术对比
电阻式水浸传感器通常由两个暴露的导电电极组成，这些电极在空气中是断开的，因此电路是开路状态。当水连通这两个电极时，水的导电性闭合了电路，导致电阻发生变化。这种变化可以通过电路检测，并转换成电信号，从而触发报警系统或其他响应机制。如下图为市面上常见的水浸传感器的背面，可以看到两个裸露的电极。
1. 灵敏度和精确度受限：
电阻式水浸传感器的灵敏度和精确度较低，特别是在检测纯净水或非常低导电率的液体时。
电容式传感器的优点：电容式传感器具有高灵敏度和精确度，能够有效检测各种介质的水位变化，包括纯净水和低导电率的液体。电容式传感器通过测量介质对电场的影响来工作，因此不受介质导电率的限制。
2. 腐蚀性问题：
长期暴露在水分环境中，尤其是盐水或有腐蚀性的液体中，电阻式传感器的电极可能会发生腐蚀，影响传感器的寿命和性能。
电容式传感器的优点：电容式传感器可以设计成完全密封的形式，其测量部分不直接接触液体，从而有效避免了腐蚀问题。这种设计使得电容式传感器特别适合于恶劣环境下的应用，保证了长期稳定的性能。下图是敏源水浸传感器底部，可以看到为全封闭形式。
3. 对环境变化敏感：
电阻式传感器的性能可能会受到环境因素的影响，例如温度波动可能会改变电阻值，从而影响检测精度。
电容式传感器的优点：电容式传感器的设计可实现对环境变化的高度适应性，温度和其他环境因素对其性能的影响较小。此外，可通过设计优化或补偿技术进一步提高其在各种环境条件下的稳定性和准确性。
4.不耐脏污：
电阻式水浸传感器在遇到泥土、污垢或其他残留物时，其性能会受到显著影响。
电容式传感器的优点：电容式传感器由于其非接触式的测量原理，对泥土、污垢或其他残留物的敏感度较低。即使表面有少量污染，也不会显著影响传感器的测量性能，维护更简便，适用于各种污染环境。
5. 可扩展性和灵活性有限：
在需要检测复杂或变化的水位条件时，电阻式传感器的设计可能不如电容式传感器灵活。
电容式传感器的优点：电容式传感器的设计允许高度的可定制性和灵活性，能够轻松适应复杂或多变的应用需求。通过调整传感器的形状、大小和电路设计，可以实现对不同形状和大小容器内液位的精确监测，满足更广泛的应用场景。
成本问题
在评估电容式水浸传感器与电阻式水浸传感器的成本时，需要从多个维度进行综合考量。虽然电容式传感器在电子器件部分的成本上可能略高于电阻式传感器，但考虑到结构设计、以及长期运营和维护的角度来看，电容式传感器展现出了显著的成本效益优势。
首先，电容式传感器采用非接触式设计，避免了与液体直接接触，从而显著提高了耐久度。这种设计不仅减少了因长期接触腐蚀性或污染性液体而导致的损耗，还降低了对电极材质的要求，因为它们不需要直接暴露在可能加速磨损的环境中。相比之下，电阻式传感器的电极必须直接接触液体，要求使用高质量、耐腐蚀的材料来保持长期的稳定性和可靠性，这无疑增加了材料成本。
其次，电阻式传感器因其电极需要直接接触液体，往往涉及更复杂的结构设计和密封性措施来安置和保护电极。这不仅提高了结构件的设计和制造难度，也增加了安装成本。而电容式传感器由于其非接触性质，极大简化了结构设计和安装过程，有效减少了结构件和安装的成本。 如下图所示，电极可以贴在外壳壁另一侧。
此外，电阻式传感器的电极直接安装于结构件上，需要通过接插件将电极信号引出至电路板，这一过程中额外的接插件、结构件和线缆均增加了成本。相比之下，电容式传感器由于其设计简洁，减少了额外配件的需求，从而进一步降低了整体成本。
综上所述，尽管电容式水浸传感器在某些电子部件上的初始成本可能略高，但其非接触式设计、对电极材质和结构设计的简化需求，以及安装过程的便捷性，都大幅降低了长期运营和维护的成本。因此，从综合成本效益的角度考虑，电容式水浸传感器相比电阻式传感器具有明显的优势。
总的来说，电容式传感器在灵敏度、抗腐蚀性、环境适应性、维护便利性以及设计灵活性方面相对于电阻式传感器具有显著优势，特别适合于需要长期工作，要求高的工作场景。
敏源方案
敏源水浸传感器系列，基于敏源独创的高频差分式数字电容芯片MC11系列，并结合了特有的电容监测电极设计。
敏源电容传感芯片
敏源MC11系列是高集成度双通道电容型传感芯片。芯片直接与被测电容极板相连，通过谐振激励并解算测量微小电容的变化。芯片还集成了温度传感电路，可用于进行温度补偿及其他温度传感场景。
相比于传统RC振荡类触控电容结构，MC11工作稳定、电路简单，仅需一个参考电容，可配置的工作频率，适用于多种应用场景。芯片的频率计算通过内部数字信号处理单元全数字化输出，多种工作模式可灵活配置。
和国内外同类产品相比，MC11系列具有低成本的外围电路、更宽的电容激励频率，更宽的工作电压范围，更灵活的参考频率及工作模式配置。芯片兼具温度传感信号用于温度补偿，独立的双通道测量电路可以相互补偿参考，也可配置自动报警逻辑。小尺寸、低成本的芯片可广泛用于液位测量、触控、水浸传感等检测场景。
MCP61是敏源推出的新一代电容传感微处理器SOC芯片，集成了双通道电容型模拟前端传感电路（AFE CAP），可直接与被测物附近的差分电容极板相连，通过谐振激励并解算测量微小电容的变化。芯片集成了Arm® Cortex®-M0 内核的微处理器，可实现各种嵌入式感知处理的算法，将原始振荡频率数值，转换成电容值及液位、含水率、位移距离等具体物理量。此外，芯片模拟前端还集成了温度传感电路，可用于进行温度补偿的传感场景。
MC11芯片内部结构框图如下：
MCP61芯片内部结构框图如下：
敏源水浸传感器家族
基于液位测量，水浸传感等应用，敏源设计了一系列模块及产品，用于覆盖不同的用户场景。
|
型号 |
接口 |
供电电压(V) |
是否可接网关 |
功耗 |
是否可级联 |
尺寸（mm） |
典型应用 |
|
WS11 |
UART |
2~5.5 |
是 |
7uA |
否 |
φ50 |
井盖液位;智能家居，机房，楼宇 |
|
WS11 Sensor |
UART |
2~5.5 |
是 |
7uA |
否 |
76.2*56*20 |
井盖液位;智能家居，机房，楼宇 |
|
WLD-NC/NO |
无源干接点 |
9~30 |
否 |
<20mA |
否 |
76.2*56*20 |
PLC电力系统地下管道，隧道 |
|
WLD-485 |
RS485 |
9~30 |
否 |
<20mA |
可级联 |
76.2*56*20 |
PLC电力系统 |
|
WLD-OW |
单总线 |
2~5.5 |
是 |
<1mA |
可级联 |
76.2*5*20 |
PLC电力系统地下管道，隧道 |
WS11系列
WS11系列是一款电容型、非接触式感知的智能水浸传感器。该系列同时提供模组和传感器成品，可以满足用户的不同需要。
WS11 （模组）
WS11 Sensor（传感器成品）
WS11系列通过UART接口和上位机或者网关相连，作为智能家居系统、工业监控或城市防洪等多种应用场景的重要组成部分，实现实时的水位监测和泄漏检测。
WS11 支持超低功耗待机功能，该特性可以显著延长设备的电池寿命，使得传感器能够在不依赖频繁维护的情况下，长期稳定运行。配合其高效的功耗管理，WS11系列还设计了多种睡眠和唤醒策略，用户可以根据实际监测需求调整传感器的工作模式。例如，可以设置传感器在特定时间段内以更高的频率进行监测，而在低风险时段自动切换到省电模式。这种灵活的配置选项进一步提高了设备的应用灵活性和经济效益。
WS11 支持连续数字量输出，该功能允许传感器提供水浸程度值，能够精确反映监测环境中的水浸状况或任何潜在的泄露。这种高精度的连续监测不仅提高了检测的灵敏度，也使得对于水位的微小变化或是早期的泄露迹象能够被即时捕捉和报告，大大增强了预警和应对措施的有效性。此外，连续数字量输出支持复杂的数据分析和处理，为用户提供了进一步分析水浸事件原因、趋势以及潜在风险的能力。通过利用这些数据，用户可以建立更加精细的水浸模型，优化现有的防水措施，甚至在一定程度上预测未来可能发生的泄露事件，从而采取更加主动的防护措施。
基于WS11的特性，该传感器特别适用于低功耗物联网应用。
具体使用案例：
地下井盖积水监测：在城市排水系统中，WS11/WS11 Sensor水浸产品可以实时监控井盖下的积水情况，预防因积水过多而引发的道路淹没或行人安全事故。
机房：在数据中心或通信机房，WS11/WS11 Sensor水浸产品可以监测设备周围的水侵情况，防止水损害昂贵的电子设备，确保数据的安全和服务的稳定性。
楼宇：对于商业大厦或住宅楼，该传感器能够监控可能的水泄漏，如管道破裂，保护建筑免受水损害，并减少维修成本。
智能家居：在智能家居系统中，WS11/WS11 Sensor水浸产品可以增强家庭的安全性，通过实时监测厨房、浴室等区域的泄漏情况，及时通知居住者采取措施。
WLD-485
WLD-OW
在用户场景中，有时候需要检测多点的渗漏情况，还需要对渗漏位置进行定位。为了满足这种复杂且精细的监控需求，敏源针对这种应用需求，开发了WLD-485、WLD-OW水浸传感器产品。WLD-485支持485总线，WLD-OW支持单总线，可以实现组网和级联的功能，使其成为一种高度灵活且功能强大的解决方案，特别适合需要大范围和多点检测的场景，如大型工厂、商业建筑、数据中心和智能楼宇。
通过485总线或单总线的支持，WLD-485、WLD-OW水浸传感器能够与多达数百个传感器通过单一通讯线路连接，形成一个覆盖广泛的监控网络。这种组网能力不仅减少了安装和维护的复杂性，而且通过集中管理，可以更有效地监控和响应潜在的泄漏事件。更重要的是，级联功能允许每个传感器在发现水浸事件时，将警报信号沿网络传递，确保信息的快速传达，从而加快响应速度。
WLD-485、WLD-OW传感器的独特之处还在于其能够准确地定位渗漏点。在传统的水浸监控方案中，虽然可以检测到泄漏的存在，但往往难以确定具体的泄漏位置，这对于迅速采取措施控制损失来说是一个大问题。WLD-485、WLD-OW通过高精度的感测技术和智能算法，能够在其监控网络内精确地识别出泄漏的位置，大大缩短了问题定位和处理的时间。
此外，WLD-485、WLD-OW水浸传感器的设计考虑到了易用性和兼容性。它支持广泛的工业标准，可以轻松集成到现有的自动化和监控系统中，无需进行大规模的系统升级或更换。这种设计不仅降低了系统升级的成本，也为用户提供了极大的灵活性，使得任何规模的设施都能够轻松部署和扩展水浸监测能力。
具体使用案例：
地暖渗漏检测：地暖系统由于其埋设在地面下，一旦发生管道泄漏，将难以立即发现。水浸传感器能够在最初阶段检测到泄漏，防止水损害扩散到更广的区域，减少维修成本和避免对建筑结构的潜在损害。
隧道渗水监测: 隧道特别是地下隧道，容易受到地表水或地下水的影响。水浸传感器可以实时监控隧道内的水位，一旦检测到异常即时发出警报，从而启动排水系统或采取其他应对措施，防止水害事故的发生。
WLD-NC/NO
敏源的WLD-NC/NO水浸传感器集成继电器，该传感器可将水浸传感器判断是否有水浸的结果转化成开关量，通过继电器控制输出，从而实现对各种电气设备的直接控制。这种设计让WLD-NC/NO水浸传感器不仅能在检测到泄漏时提供即时的警报，还能触发联动反应，如自动关闭电源、启动排水系统或激活其他安全措施，有效减少或避免水浸造成的损失和风险。
此外，传感器提供的NC（Normally Closed，常闭）和NO（Normally Open，常开）两种输出模式，为用户提供了更大的灵活性和选择空间。在常闭模式下，正常情况传感器继电器闭合，一旦检测到水浸，继电器断开，切断电路或触发特定动作。相反，在常开模式下，传感器在正常情况下维持断开状态，只有在检测到水时才闭合继电器，激活所连接的设备或系统。该传感器的开断逻辑如下：
这种集成继电器的设计简化了安装和配置过程，使得WLD-NC/NO水浸传感器可以轻松集成到现有的安全、自动化或智能家居系统中，无需额外的中间设备或复杂的编程。用户可以根据自己的需要，设置传感器触发阈值，实现更精细的控制。
具体使用案例：
电力机柜：电力机柜中的水浸传感器是关键的安全设备，其主要作用是监测电力机柜内部是否发生水浸情况。水浸传感器可以及时发现水分进入电力机柜的迹象，并通过继电器自动断电。从而防止潜在的电气设备损坏、短路甚至火灾等危险情况发生。
