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電容傳感器的原理與應用

更新時間:2024-01-17點擊次數:163

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,將被測物理量或機械量轉換成為電容量變化的一種轉換裝置,實際上就是一個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、速度、壓力、成分分析、介質特性等方面的測量。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,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行工作的,電容器由兩個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的電解質時,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為內筒電極的直徑;e為中間介質的電介常數。在實際測量中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,結構簡單和靈敏度高,價格便宜等特點的原因之一。


電容式傳感器是以各種類型的電容器作為傳感元件,由于被測量變化將導致電容器電容量變化,通過測量電路,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。

電容式傳感器的優缺點

1、電容式傳感器的優點

(1)溫度穩定性好

傳感器的電容值一般與電極材料無關,僅取決于電極的幾何尺寸,且空氣等介質損耗很小,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(因本身發熱極?。┯绊懮跷?。而電阻式傳感器有電阻,供電后產生熱量;電感式傳感器存在銅損、渦流損耗等,引起本身發熱產生零漂。


(2)結構簡單,適應性強

電容式傳感器結構簡單,易于制造。能在高低溫、強輻射及強磁場等各種惡劣的環境條件下工作,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,也能對帶磁工件進行測量。此外傳感器可以做得體積很小,以便實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靜電場,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、極間距離有關。一般說來,這種靜電引力是很小的,因此只有對推動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)動態響應好

電容式傳感器由于極板間的靜電引力很小,(約幾個10-5N),需要的作用能量極小,又由于它的可動部分可以做得很小很薄,即質量很輕,因此其固有頻率很高,動態響應時間短,能在幾MHz的頻率下工作,特別適合動態測量。又由于其介質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、瞬時壓力等。


(5)可以實現非接觸測量、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。當采用非接觸測量時,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。


電容式傳感器除上述優點之外,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

(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,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生不穩定現象,嚴重時甚至無法工作,必須采取屏蔽措施,從而給設計和使用帶來不便。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,而其引線電纜電容(l~2m導線可達800pF)、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,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,其變化量甚至超過被測量引起的電容變化量,致使傳感器無法工作。因此對電纜選擇、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,雖可采用差動結構來改善,但不可能消除。其他類型的電容傳感器只有忽略了電場的邊緣效應時,輸出特性才呈線性。否則邊緣效應所產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,特別是集成電路的高速發展,使電容式傳感器的優點得到發揚而缺點不斷得到克服。電容傳感器正逐漸成為一種高靈敏度、高精度,在動態、低壓及一些特殊測量方面大有發展前途的傳感器。


電容傳感器應用

電容傳感器具有結構簡單、耐高溫、耐輻射、分辨率高、動態響應特性好等優點,廣泛用于壓力、位移、加速度、厚度、振動、液位等測量中。但在使用中要注意以下幾個方面對測量結果的影響:①減小環境溫度、濕度變化(可能引起某些介質的介電常數或極板的幾何尺寸、相對位置發生變化);②減小邊緣效應;③減少寄生電容;④使用屏蔽電極并接地(對敏感電極的電場起保護作用,與外電場隔離);⑤注意漏電阻、激勵頻率和極板支架材料的絕緣性。


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