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        技術專題

        電容式傳感器的種類、原理、特點及應用

        發布日期:2014-07-08 點擊:2302

              電容式傳感器是將被測量的變化轉換為電容量變化的一種裝置,它本身就是一種可變電容器。由于這種傳感器具有結構簡單,體積小,動態響應好,靈敏度高,分辨率高,能實現非接觸測量等特點,因而被廣泛應用于位移、加速度、振動、壓力、壓差、液位、等分含量等檢測領域。

          這里主要介紹電容式傳感器的原理、結構類型、測量電路及其工程應用。當被測量的變化使S、d或ε任意一個參數發生變化時,電容量也隨之而變,從而完成 了由被測量到電容量的轉換。

          根據當式中的三個參數中兩個固定,一個可變,使得電容式傳感器有三種基本類型:變極距型電容傳感器、變面積型電容傳感器和變介電常數型電容傳感器。電容式傳感器的測量電路就是將電容式傳感器看成一個電容并轉換成電壓或其他電量的電路。因此,常用的測量電路主要有橋式電路、調頻電路、脈沖寬度制電路、運算放大器電路、二極管雙 T形交流電橋和環行二極管充放電法等。調頻電路實際是把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分,當輸入量導致電容量發生變化時,振蕩器的振蕩頻率就發生變化。雖然可將頻率作為測量系統的輸出量,用以判斷被測非電量的大小,但此時系統是非線性的,不易校正,因此必須加入鑒頻器,將頻率的變化轉換為電壓振幅的變化,經過放大就可以用儀器指示或記錄儀記錄下來。

          調頻電容傳感器測量電路具有較高的靈敏度,可以測量高至 0.01μm級位移變化量。信號的輸出頻率易于用數字儀器測量,并與計算機通信,抗干擾能力強,可以發送、接收以達到遙測遙控的目的。

          因此,在實際應用中,常采用差動式結構,既使靈敏度提高 1 倍,又使非線性誤差大大降低,抗干擾能力增強。

          電容式傳感器具有如下特點

         (1) 結構簡單,適應性強

          電容式傳感器結構簡單,易于制造,精度高;可以做得很小,以實現某些特殊的測量,電容式傳感器一般用金屬作電極,以無機材料作絕緣支承,因此可工作在高低溫、強輻射及強磁場等惡劣的環境中,能承受很大的溫度變化,承受高壓力、高沖擊、過載等;能測超高壓和低壓差。

         (2) 動態響應好

          電容式傳感器由于極板間的靜電引力很小,需要的作用能量極小,可動部分可以做得小而薄,質量輕,因此固有頻率高,動態響應時間短,能在幾兆赫的頻率下工作,特適合于動態測量;可以用較高頻率供電,因此系統工作頻率高。它可用于測量高速變化的參數,如振動等。

         (3) 分辨率高

          由于傳感器的帶電極板間的引力極小,需要輸入能量低,所以特別適合于用來解決輸入能量低的問題,如測量極小的壓力、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。

         (4) 溫度穩定性好

          電容式傳感器的電容值一般與電極材料無關,有利于選擇溫度系數低的材料,又由于本身發熱極小,因此影響穩定性也極微小。

         (5) 可實現非接觸測量、具有平均效應

          如回轉軸的振動或偏心、小型滾珠軸承的徑向間隙等,采用非接觸測量時,電容式傳感器具有平均效應,可以減小工件表面粗糙度等對測量的影響。

        不足之處是輸出阻抗高,負載能力差,電容傳感器的電容量受其電極幾何尺寸等限制,一般為幾十皮法到幾百皮法,使傳感器輸出阻抗很高,尤其當采用音頻范圍內的交流電源時,輸出阻抗更高,因此傳感器負載能力差,易受外界干擾影響而產生不穩定現象;寄生電容影響大,電容式傳感器的初始電容量很小,而傳感器的引線電纜電容、測量電路的雜散電容以及傳感器極板與其周圍導體構成的電容等“寄生電容”卻較大,降低了傳感器的靈敏度,破壞了穩定性,影響測量精度,因此對電纜的選擇、安裝、接法都要有要求。

          電容式傳感器可用來測量直線位移、角位移、振動振幅(測至0.05μm的微小振幅),尤其適合測量高頻振動振幅、精密軸系回轉精度、加速度等機械量,還可用來測量壓力、差壓力、液位、料面、糧食中的水分含量、非金屬材料的涂層、油膜厚度、測量電介質的濕度、密度、厚度等。在自動檢測和控制系統中也常常用來作為位置信號發生器。

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