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          一文读懂电容传感器的原理与应用

          电容传感器的原理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:

          C=2∏eL/lnD/d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。

          电容式传感器的优缺点

          1、电容式传感器的优点

          (1)温度稳定性好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。
          (2)结构简单,适应性强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。
          (3)静电引力小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。
          (4)动态响应好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。
          (5)可以实现非接触测量、具有平均效应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。
          2、电容式传感器的缺点
          (1)输出阻抗高,负载能力差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。
          (2)寄生电容影响大传感器的初始电容量很小,而其引线电缆电容(l~2m导线可达800pF)、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。

          随着材料、工艺、电子技术,特别是集成电路的高速发展,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。
          电容传感器应用

          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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