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電容傳感器的原理
電容式傳感器是以各種類型的電容器作為傳感元件,將被測(cè)物理量或機(jī)械量轉(zhuǎn)換成為電容量變化的一種轉(zhuǎn)換裝置,實(shí)際上就是一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器。電容式傳感器廣泛用于位移、角度、振動(dòng)、速度、壓力、成分分析、介質(zhì)特性等方面的測(cè)量。常用的是平行板型電容器或圓筒型電容器。
電容傳感器也常常被人們稱為電容式物位計(jì),電容式物位計(jì)的電容檢測(cè)元件是根據(jù)圓筒形電容器原理進(jìn)行工作的,電容器由兩個(gè)絕緣的同軸圓柱極板內(nèi)電極和外電極組成,在兩筒之間充以介電常數(shù)為ε的電解質(zhì)時(shí),兩圓筒間的電容量為:
式中L為兩筒相互重合部分的長度;D為外筒電極的直徑;d為內(nèi)筒電極的直徑;e為中間介質(zhì)的電介常數(shù)。在實(shí)際測(cè)量中D、d、e是基本不變的,故測(cè)得C即可知道液位的高低,這也是電容式傳感器具有使用方便,結(jié)構(gòu)簡單和靈敏度高,價(jià)格便宜等特點(diǎn)的原因之一。
電容式傳感器是以各種類型的電容器作為傳感元件,由于被測(cè)量變化將導(dǎo)致電容器電容量變化,通過測(cè)量電路,可把電容量的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。測(cè)知電信號(hào)的大小,可判斷被測(cè)量的大小。這就是電容式傳感器的基本工作原理。
電容式傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)
1、電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)
(1)溫度穩(wěn)定性好
傳感器的電容值一般與電極材料無關(guān),僅取決于電極的幾何尺寸,且空氣等介質(zhì)損耗很小,因此只要從強(qiáng)度、溫度系數(shù)等機(jī)械特性考慮,合理選擇材料和幾何尺寸即可,其他因素(因本身發(fā)熱極?。┯绊懮跷ⅰ6?/span>電阻式傳感器有電阻,供電后產(chǎn)生熱量;電感式傳感器存在銅損、渦流損耗等,引起本身發(fā)熱產(chǎn)生零漂。
(2)結(jié)構(gòu)簡單,適應(yīng)性強(qiáng)
電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡單,易于制造。能在高低溫、強(qiáng)輻射及強(qiáng)磁場(chǎng)等各種惡劣的環(huán)境條件下工作,適應(yīng)能力強(qiáng),尤其可以承受很大的溫度變化,在高壓力、高沖擊、過載等情況下都能正常工作,能測(cè)超高壓和低壓差,也能對(duì)帶磁工件進(jìn)行測(cè)量。此外傳感器可以做得體積很小,以便實(shí)現(xiàn)某些特殊要求的測(cè)量。
(3)靜電引力小
電容傳感器兩極板間存在著靜電場(chǎng),因此極板上作用著靜電引力或靜電力矩。靜電引力的大小與極板間的工作電壓、介電常數(shù)、極間距離有關(guān)。一般說來,這種靜電引力是很小的,因此只有對(duì)推動(dòng)力很小的彈性敏感元件,才須考慮因靜電引力造成的測(cè)量誤差。
(4)動(dòng)態(tài)響應(yīng)好
電容式傳感器由于極板間的靜電引力很小,(約幾個(gè)10-5N),需要的作用能量極小,又由于它的可動(dòng)部分可以做得很小很薄,即質(zhì)量很輕,因此其固有頻率很高,動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短,能在幾MHz的頻率下工作,特別適合動(dòng)態(tài)測(cè)量。又由于其介質(zhì)損耗小可以用較高頻率供電,因此系統(tǒng)工作頻率高。它可用于測(cè)量高速變化的參數(shù),如測(cè)量振動(dòng)、瞬時(shí)壓力等。
(5)可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量、具有平均效應(yīng)
當(dāng)被測(cè)件不能允許采用接觸測(cè)量的情況下,電容傳感器可以完成測(cè)量任務(wù)。當(dāng)采用非接觸測(cè)量時(shí),電容式傳感器具有平均效應(yīng),可以減小工件表面粗糙度等對(duì)測(cè)量的影響。
電容式傳感器除上述優(yōu)點(diǎn)之外,還因帶電極板間的靜電引力極小,因此所需輸入能量極小,所以特別適宜低能量輸入的測(cè)量,例如測(cè)量極低的壓力、力和很小的加速度、位移等,可以做得很靈敏,分辨力非常高,能感受0.001µm甚至更小的位移。
2、電容式傳感器的缺點(diǎn)
(1)輸出阻抗高,負(fù)載能力差
電容式傳感器的容量受其電極幾何尺寸等限制,一般為幾十到幾百pF,使傳感器的輸出阻抗很高,尤其當(dāng)采用音頻范圍內(nèi)的交流電源時(shí),輸出阻抗高達(dá)106~108Ω。因此傳感器負(fù)載能力差,易受外界干擾影響而產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象,嚴(yán)重時(shí)甚至無法工作,必須采取屏蔽措施,從而給設(shè)計(jì)和使用帶來不便。容抗大還要求傳感器絕緣部分的電阻值(幾十MΩ以上),否則絕緣部分將作為旁路電阻而影響傳感器的性能(如靈敏度降低),為此還要特別注意周圍環(huán)境如溫濕度、清潔度等對(duì)絕緣性能的影響。高頻供電雖然可降低傳感器輸出阻抗,但放大、傳輸遠(yuǎn)比低頻時(shí)復(fù)雜,且寄生電容影響加大,難以保證工作穩(wěn)定。
(2)寄生電容影響大
傳感器的初始電容量很小,而其引線電纜電容(l~2m導(dǎo)線可達(dá)800pF)、測(cè)量電路的雜散電容以及傳感器極板與其周圍導(dǎo)體構(gòu)成的電容等“寄生電容"卻較大,①降低了傳感器的靈敏度;②這些電容(如電纜電容)常常是隨機(jī)變化的,將使傳感器工作不穩(wěn)定,影響測(cè)量精度,其變化量甚至超過被測(cè)量引起的電容變化量,致使傳感器無法工作。因此對(duì)電纜選擇、安裝、接法有要求。
(3)輸出特性非線性
變極距型電容傳感器的輸出特性是非線性的,雖可采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)來改善,但不可能消除。其他類型的電容傳感器只有忽略了電場(chǎng)的邊緣效應(yīng)時(shí),輸出特性才呈線性。否則邊緣效應(yīng)所產(chǎn)生的附加電容量將與傳感器電容量直接疊加,使輸出特性非線性。
隨著材料、工藝、電子技術(shù),特別是集成電路的高速發(fā)展,使電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)得到發(fā)揚(yáng)而缺點(diǎn)不斷得到克服。電容傳感器正逐漸成為一種高靈敏度、高精度,在動(dòng)態(tài)、低壓及一些特殊測(cè)量方面大有發(fā)展前途的傳感器。
電容傳感器應(yīng)用
電容傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、耐高溫、耐輻射、分辨率高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好等優(yōu)點(diǎn),廣泛用于壓力、位移、加速度、厚度、振動(dòng)、液位等測(cè)量中。但在使用中要注意以下幾個(gè)方面對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響:①減小環(huán)境溫度、濕度變化(可能引起某些介質(zhì)的介電常數(shù)或極板的幾何尺寸、相對(duì)位置發(fā)生變化);②減小邊緣效應(yīng);③減少寄生電容;④使用屏蔽電極并接地(對(duì)敏感電極的電場(chǎng)起保護(hù)作用,與外電場(chǎng)隔離);⑤注意漏電阻、激勵(lì)頻率和極板支架材料的絕緣性。
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