電容式傳感器

電容式傳感器

将被測非電量的變化轉換為電容量變化的儀器
把被測的機械量,如位移、壓力等轉換為電容量變化的傳感器。它的敏感部分就是具有可變參數的電容器。[1]其最常用的形式是由兩個平行電極組成、極間以空氣為介質的電容器。若忽略邊緣效應,平闆電容器的電容為εS/d,式中ε為極間介質的介電常數,S為兩極闆互相複蓋的有效面積,d為兩電極之間的距離。d、s、ε三個參數中任一個的變化都将引起電容量變化,并可用于測量。
    中文名:電容式傳感器 外文名:capacitive type transducer 所屬品牌: 産品類型: 電容:εS/d 應用:測量 發展年代:70年代末 所屬學科:自動化

分類

根據被測參數的變化分:

(1)變極距型電容傳感器(d)

(2)變面積型電容傳感器(A)

(3)變介質型電容傳感器(ε)

應用

1、ZCS1100型精密電容位移傳感器。

本傳感器可以在線檢測壓電微位移、振動台,電子顯微鏡微調,天文望遠鏡鏡片微調,精密微位移測量等。該傳感器是一個單一的通道,高性能線性位移測量系統,創新的電容位移測量技術,提供了納米測量能力,成本低,适合測量任何導電目标。

2、FWS-CⅡ型在線電容式水分檢測傳感器。

在線檢測各種工作機械的液壓、潤滑系統介質的含水率,特别是外部水容易滲入機械内部的軋鋼機、造紙機、汽輪機、船舶機械。監視循環油系統是否存在洩漏,如水冷卻器等。監視工作機械的密封元件是否損壞,引起外部水滲入。

監視環境空氣濕度對潤滑液壓系統油品品質和含水率的影響,從而精确測定潤滑油質量,預測設備故障,是設備潤滑油管理中的關鍵部件。本傳感器采用螺紋連接,體積小,重量輕,結構可靠,測量精度高,工作穩定,具有較強的抗電磁幹擾性能。封閉型不鏽鋼制外殼具有很好的防水防塵性能。可直接安裝于工廠現場液壓潤滑管道上。是理想的在線水分檢測傳感器。

該傳感器還可與控制室中的二次儀表或控制器相連,在線、連續、實時的檢測各種低水分油品的含水率。直接顯示,遠程控制和報警。實現數據存儲,積算、傳輸和控制功能。普遍應用于大中型機械聯動機組的液壓、潤滑循環系統例如:高線軋機和闆帶軋機潤滑油系統、闆帶軋機和棒線軋機液壓傳動系統、汽輪發電機組潤滑系統、造紙機組潤滑系統、船舶機械潤滑系統、燃料油庫。粘度計,污染度,濕度計電容式傳感器。

3、FW-C1型電容式潤滑油實時在線監測傳感器。

本傳感器可以在線準确測定潤滑油的污染程度,包括氧化程度、含水量和其它機械化學雜質污染度,從而精确測定潤滑油質量,判定是否需要更換潤滑油,即可節約油料,又能預測設備故障,是設備潤滑油管理中改變傳統的按期換油,實現按質換油的關鍵部件。本傳感器采用螺紋連接,體積小,重量輕,結構可靠,是理想的在線潤滑油檢測傳感器,可普遍應用于各類大型動力機械,軸承,齒輪箱,泵機和汽輪機的潤滑油檢測質量實時檢測中。該傳感器還可與控制室中的二次儀表或控制器相連,實現數據存儲,積算、傳輸和控制功能。

4、電容式壓力傳感器

5、加速度傳感器

6、差動式電容測厚傳感器

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闆内電極和外電極組成,在兩筒之間充以介電常數為e的電解質時,兩圓筒間的電容量為C=2∏eL/lnD/d,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為内筒電極的直徑;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。

特點優勢

電容式傳感器與電阻式、電感式等傳感器相比有如下一些優點:

(1)高阻抗、小功率,因而所需的輸入力很小,輸人能量也很低。電容式傳感器因帶電極闆間靜電引力極小(約幾個10-5N),因此所需輸入能量極小,所以特别适宜用來解決輸入能量低的測量問題,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,分辨力非常髙,能感受0.001μm甚至更小的位移。

(2)溫度穩定性好。傳感器的電容值一般與電極材料無關,有利于選擇溫度系數低的材料,又因本身發熱極小,對穩定性影響甚微。

(3)結構簡單,适應性強,待測體是導體或半導體均可,可在惡劣環境中工作。電容式傳感器結構簡單,易于制造,可做得非常小巧,以實現某些特殊的測量;能工作在高低溫、強輻射及強磁場等惡劣的環境中,也能對帶有磁性的工件進行測量。

(4)動态響應好。由于極闆間的靜電引力很小,可動部分做得很小很薄,因此其固有頻率很高,動态響應時間短,能在幾兆赫的頻率下工作,特别适合動态測量,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。例如非接觸測量回轉軸的振動或偏心、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,可以減小工作表面粗糙等對測量的影響。

不足之處

(1)輸出阻抗高,負載能力差。

(2)寄生電容影響大。

電容式傳感器的初始電容量很小,而傳感器的引線電纜電容(lm~2m導線可達800pF)、測量電路的雜散電容以及傳感器極闆與其周圍導體構成的電容等“寄生電容”卻較大,這一方面降低了傳感器的靈敏度;另一方面這些電容(如電纜電容)常常是随機變化的,将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,緻使傳感器無法工作。因此對電纜的選擇、安裝、接法都要有要求。

為減小電纜分布電容影響,可将電子線路的前級裝在離傳感器敏感部分很近的地方,或采用所謂“雙層屏蔽等電位傳輸技術”,

又稱“驅動電纜”技術。這種方法的基本思路是:連接電纜采用内外雙層屏蔽,使内屏蔽層與被屏蔽的導線電位相同,因而兩者之間沒有容性電流存在,這樣使引線與内屏蔽之間的電纜電容不起作用,外屏蔽仍被接地而對外界電場起屏蔽作用,其原理如圖5-15所示。外屏蔽接地後,對地之間電容将成為1:1放大器的負載,它也與電容式傳感器的電容無關。這樣無論電纜形狀和位置如何變化,都不會對傳感器的工作産生影響。

實驗證明:采用驅動電纜技術,即使電容式傳感器電容較小,在傳輸電纜長達10m時,傳感器仍能很好地工作。

兩點注意:

工作頻率等于或接近諧振頻率時,諧振頻率破壞了電容的正常作用。因此,工作頻率應該先擇低于諧振頻率。

電容式傳感器的有效電容除與位移有關外,還與角頻率有關。因此,在實際應用時必須與标定的條件(ω)相同。

測量電路

電容傳感器的特點:電容量小,變化更小(PF級)。理論上,交流電橋可作為電容傳感器的測量電路,但由于電容及變化太小,不易實現。包括(1)調頻電路(2)運算放大器式電路(3)二極管雙T形交流電橋(4)脈沖寬度調制電路

優缺點

電容式傳感器的優點是結構簡單,價格便宜,靈敏度高,零磁滞,真空兼容,過載能力強,動态響應特性好和對高溫、輻射、強振等惡劣條件的适應性強等。缺點是輸出有非線性,寄生電容和分布電容對靈敏度和測量精度的影響較大,以及聯接電路較複雜等。

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