电容传感器的原理与应用

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  电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感元件,将被测物理量或机械量转换成为电容量变化的一种转换装置,实际上就是一个具有可变参数的电容器。电容式传感器广泛用于位移、角度、振动、速度、压力、成分分析、介质特性等方面的测量。最常用的是平行板型电容器或圆筒型电容器。

  电容传感器也常常被人们称为电容式物位计,电容式物位计的电容检测元件是根据圆筒形电容器原理进行工作的,电容器由两个绝缘的同轴圆柱极板内电极和外电极组成,在两筒之间充以介电常数为ε的电解质时,两圆筒间的电容量为:

  式中L为两筒相互重合部分的长度;D为外筒电极的直径;d为内筒电极的直径;e为中间介质的电介常数。在实际测量中D、d、e是基本不变的,故测得C即可知道液位的高低,这也是电容式传感器具有使用方便,结构简单和灵敏度高,价格便宜等特点的原因之一。

  电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感元件,由于被测量变化将导致电容器电容量变化,通过测量电路,可把电容量的变化转换为电信号输出。测知电信号的大小,可判断被测量的大小。这就是电容式传感器的基本工作原理。

  传感器的电容值一般与电极材料无关,仅取决于电极的几何尺寸,且空气等介质损耗很小,因此只要从强度、温度系数等机械特性考虑,合理选择材料和几何尺寸即可,其他因素(因本身发热极小)影响甚微。而电阻式传感器有电阻,供电后产生热量;电感式传感器存在铜损、涡流损耗等,引起本身发热产生零漂。

  电容式传感器结构简单,易于制造。能在高低温、强辐射及强磁场等各种恶劣的环境条件下工作,适应能力强,尤其可以承受很大的温度变化,在高压力、高冲击、过载等情况下都能正常工作,能测超高压和低压差,也能对带磁工件进行测量。此外传感器可以做得体积很小,以便实现某些特殊要求的测量。

  电容传感器两极板间存在着静电场,因此极板上作用着静电引力或静电力矩。静电引力的大小与极板间的工作电压、介电常数、极间距离有关。一般说来,这种静电引力是很小的,因此只有对推动力很小的弹性敏感元件,才须考虑因静电引力造成的测量误差。

  电容式传感器由于极板间的静电引力很小,(约几个10-5N),需要的作用能量极小,又由于它的可动部分可以做得很小很薄,即质量很轻,因此其固有频率很高,动态响应时间短,能在几MHz的频率下工作,特别适合动态测量。又由于其介质损耗小可以用较高频率供电,因此系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数,如测量振动、瞬时压力等。

  当被测件不能允许采用接触测量的情况下,电容传感器可以完成测量任务。当采用非接触测量时,电容式传感器具有平均效应,可以减小工件表面粗糙度等对测量的影响。

  电容式传感器除上述优点之外,还因带电极板间的静电引力极小,因此所需输入能量极小,所以特别适宜低能量输入的测量,例如测量极低的压力、力和很小的加速度、位移等,可以做得很灵敏,分辨力非常高,能感受0.001µm甚至更小的位移。

  电容式传感器的容量受其电极几何尺寸等限制,一般为几十到几百pF,使传感器的输出阻抗很高,尤其当采用音频范围内的交流电源时,输出阻抗高达106~108Ω。因此传感器负载能力差,易受外界干扰影响而产生不稳定现象,严重时甚至无法工作,必须采取屏蔽措施,从而给设计和使用带来不便。容抗大还要求传感器绝缘部分的电阻值极高(几十MΩ以上),否则绝缘部分将作为旁路电阻而影响传感器的性能(如灵敏度降低),为此还要特别注意周围环境如温湿度、清洁度等对绝缘性能的影响。高频供电虽然可降低传感器输出阻抗,但放大、传输远比低频时复杂,且寄生电容影响加大,难以保证工作稳定。

  传感器的初始电容量很小,而其引线m导线pF)、测量电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电容等“寄生电容”却较大,①降低了传感器的灵敏度;②这些电容(如电缆电容)常常是随机变化的,将使传感器工作不稳定,影响测量精度,其变化量甚至超过被测量引起的电容变化量,致使传感器无法工作。因此对电缆选择、安装、接法有要求。(3)输出特性非线性

  变极距型电容传感器的输出特性是非线性的,虽可采用差动结构来改善,但不可能完全消除。其他类型的电容传感器只有忽略了电场的边缘效应时,输出特性才呈线性。否则边缘效应所产生的附加电容量将与传感器电容量直接叠加,使输出特性非线性。

  的高速发展,使电容式传感器的优点得到发扬而缺点不断得到克服。电容传感器正逐渐成为一种高灵敏度、高精度,在动态、低压及一些特殊测量方面大有发展前途的传感器。

  电容传感器具有结构简单、耐高温、耐辐射、分辨率高、动态响应特性好等优点,广泛用于压力、位移、加速度、厚度、振动、液位等测量中。但在使用中要注意以下几个方面对测量结果的影响:①减小环境温度、湿度变化(可能引起某些介质的介电常数或极板的几何尺寸、相对位置发生变化);②减小边缘效应;③减少寄生电容;④使用屏蔽电极并接地(对敏感电极的电场起保护作用,与外电场隔离);⑤注意漏电阻、激励频率和极板支架材料的绝缘性。

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