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電容式傳感器工作原理和分類應用

分類:技術中心 2129人瀏覽 2020-10-14
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電容式傳感器的簡介
      電容式傳感器是以各種類型的電容器作為傳感元件,將被測轉物理量或機械量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。最常用的是平行板型電容器或圓筒型電容器。
TURCK 電容式傳感器 BC10-M30K-AZ3X
電容式傳感器的工作原理
       電容式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。


電容式傳感器分類
      根據傳感器的工作原理可把電容式傳感器分為變極距型、變面積型和變介質型三種類型。
根據傳感器的結構可把電容式傳感器分為三種類型的結構形式。它們又可按位移的形式分為線位移和角位移兩種,每一種又依據傳感器極板形狀分成平(圓形)板形和圓柱(圓筒)形,雖然還有球面形和鋸齒形等其他形狀,但一般很少用。其中差動式一般優(yōu)于單組(單邊)式傳感器,它具有靈敏度高、線性范圍寬、穩(wěn)定性高等特點。

電容式傳感器的優(yōu)點
一、溫度穩(wěn)定性好
       電容式傳感器的電容值一般與電極材料無關,這有利于選擇溫度系數低的材料,又因本身發(fā)熱極小,影響穩(wěn)定性甚微。而電阻傳感器有銅損,易發(fā)熱產生零漂。
二、結構簡單
       電容式傳感器結構簡單,易于制造和保證高的精度,可以做得非常小巧,以實現某些特殊的測量;能工作在高溫,強輻射及強磁場等惡劣的環(huán)境中,可以承受很大的溫度變化,承受高壓力,高沖擊,過載等;能測量超高溫和低壓差,也能對帶磁工作進行測量。
三、動態(tài)響應好
      電容式傳感器由于帶電極板間的靜電引力很小(約幾個10^(-5)N),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(tài)響應時間短,能在幾兆赫茲的頻率下工作,特別適用于動態(tài)測量。又由于其介質損耗小可以用較高頻率供電,因此系統(tǒng)工作頻率高。它可用于測量高速變化的參數。
四、可以非接觸測量且靈敏度高
       可非接觸測量回轉軸的振動或偏心率、小型滾珠軸承的徑向間隙等。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。

       電容式傳感器除了上述的優(yōu)點外,還因其帶電極板間的靜電引力很小,所需輸入力和輸入能量極小,因而可測極低的壓力、力和很小的加速度、位移等,可以做得很靈敏,分辨力高,能感應0.01μm甚至更小的位移。由于其空氣等介質損耗小,采用差動結構并接成電橋式時產生的零殘極小,因此允許電路進行高倍率放大,使儀器具有很高的靈敏度。

電容傳感器的應用
       電容式傳感器具有結構簡單、耐高溫、耐輻射、分辨率高、動態(tài)響應特性好等優(yōu)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(huán)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(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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