電容式傳感器是以各種類(lèi)型的電容器作為傳感元件,將被測物理量或機械量轉換成為電容量變化的一種轉換裝置,實(shí)際上就是一個(gè)具有可變參數的電容器。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)特性等方面的測量。最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(chēng)為電容式物位計,電容式物位計的電容檢測元件是根據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電極和外電極組成,在兩筒之間充以介電常數為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(cháng)度;D為外筒電極的直徑;d為內筒電極的直徑;e為中間介質(zhì)的電介常數。在實(shí)際測量中D、d、e是基本不變的,故測得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,結構簡(jiǎn)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(lèi)型的電容器作為傳感元件,由于被測量變化將導致電容器電容量變化,通過(guò)測量電路,可把電容量的變化轉換為電信號輸出。測知電信號的大小,可判斷被測量的大小。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)溫度穩定性好
傳感器的電容值一般與電極材料無(wú)關(guān),僅取決于電極的幾何尺寸,且空氣等介質(zhì)損耗很小,因此只要從強度、溫度系數等機械特性考慮,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?。而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)結構簡(jiǎn)單,適應性強
電容式傳感器結構簡(jiǎn)單,易于制造。能在高低溫、強輻射及強磁場(chǎng)等各種惡劣的環(huán)境條件下工作,適應能力強,尤其可以承受很大的溫度變化,在高壓力、高沖擊、過(guò)載等情況下都能正常工作,能測超高壓和低壓差,也能對帶磁工件進(jìn)行測量。此外傳感器可以做得體積很小,以便實(shí)現某些特殊要求的測量。
(3)靜電引力小
電容傳感器兩極板間存在著(zhù)靜電場(chǎng),因此極板上作用著(zhù)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、極間距離有關(guān)。一般說(shuō)來(lái),這種靜電引力是很小的,因此只有對推動(dòng)力很小的彈性敏感元件,才須考慮因靜電引力造成的測量誤差。
(4)動(dòng)態(tài)響應好
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)響應時(shí)間短,能在幾MHz的頻率下工作,特別適合動(dòng)態(tài)測量。又由于其介質(zhì)損耗小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,如測量振動(dòng)、瞬時(shí)壓力等。
(5)可以實(shí)現非接觸測量、具有平均效應
當被測件不能允許采用接觸測量的情況下,電容傳感器可以完成測量任務(wù)。當采用非接觸測量時(shí),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。
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量,例如測量極低的壓力、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,尤其當采用音頻范圍內的交流電源時(shí),輸出阻抗高達106~108Ω。因此傳感器負載能力差,易受外界干擾影響而產(chǎn)生不穩定現象,嚴重時(shí)甚至無(wú)法工作,必須采取屏蔽措施,從而給設計和使用帶來(lái)不便。容抗大還要求傳感器絕緣部分的電阻值極高(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?chē)h(huán)境如溫濕度、清潔度等對絕緣性能的影響。高頻供電雖然可降低傳感器輸出阻抗,但放大、傳輸遠比低頻時(shí)復雜,且寄生電容影響加大,難以保證工作穩定。
(2)寄生電容影響大
傳感器的初始電容量很小,而其引線(xiàn)電纜電容(l~2m導線(xiàn)可達800pF)、測量電路的雜散電容以及傳感器極板與其周?chē)鷮w構成的電容等“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)常常是隨機變化的,將使傳感器工作不穩定,影響測量精度,其變化量甚至超過(guò)被測量引起的電容變化量,致使傳感器無(wú)法工作。因此對電纜選擇、安裝、接法有要求。
(3)輸出特性非線(xiàn)性
變極距型電容傳感器的輸出特性是非線(xiàn)性的,雖可采用差動(dòng)結構來(lái)改善,但不可能完全消除。其他類(lèi)型的電容傳感器只有忽略了電場(chǎng)的邊緣效應時(shí),輸出特性才呈線(xiàn)性。否則邊緣效應所產(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(xiàn)性。
隨著(zhù)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)、低壓及一些特殊測量方面大有發(fā)展前途的傳感器。
電容傳感器應用
電容傳感器具有結構簡(jiǎn)單、耐高溫、耐輻射、分辨率高、動(dòng)態(tài)響應特性好等優(yōu)點(diǎn),廣泛用于壓力、位移、加速度、厚度、振動(dòng)、液位等測量中。但在使用中要注意以下幾個(gè)方面對測量結果的影響:①減小環(huán)境溫度、濕度變化(可能引起某些介質(zhì)的介電常數或極板的幾何尺寸、相對位置發(fā)生變化);②減小邊緣效應;③減少寄生電容;④使用屏蔽電極并接地(對敏感電極的電場(chǎng)起保護作用,與外電場(chǎng)隔離);⑤注意漏電阻、激勵頻率和極板支架材料的絕緣性。
審核編輯 黃宇
-
傳感器
+關(guān)注
關(guān)注
2534文章
48679瀏覽量
742903 -
電容傳感器
+關(guān)注
關(guān)注
1文章
151瀏覽量
41683
發(fā)布評論請先 登錄
相關(guān)推薦
評論