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電容式感測器

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電容式感測器是將被測量的變化轉換為電容量變化的一種裝置,它本身就是一種可變電容器。由於這種感測器具有結構簡單,體積小,動態響應好,靈敏度高,解析度高,能實現非接觸測量等特點,因而被廣泛應用於位移、加速度、振動、壓力、壓差、液位、等分含量等檢測領域。buu

1 電容式感測器 -簡介

 電容式感測器是一種將待測非電量轉換成電容變化量的器件,具有體積小,功耗低,靈敏度高等優點,被廣泛應用於加速度、角速度、壓力等各種非電量的測量。

電容式感測器把被測的機械量,如位移、壓力等轉換為電容量變化的感測器。它的敏感部分就是具有可變參數的電容器。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(見圖)。若忽略邊緣效應,平板電容器的電容為εA/δ,式中ε為極間介質的介電常數,A為兩電極互相覆蓋的有效面積,δ為兩電極之間的距離。δ、Aε三個參數中任一個的變化都將引起電容量變化,並可用於測量。因此電容式感測器可分為極距變化型、面積變化型、介質變化型三類。極距變化型一般用來測量微小的線位移或由於力、壓力、振動等引起的極距變化(見電容式壓力感測器)。面積變化型一般用於測量角位移或較大的線位移。介質變化型常用於物位測量和各種介質的溫度、密度、濕度的測定。電容器感測器的優點是結構簡單,價格便宜,靈敏度高,過載能力強,動態響應特性好和對高溫、輻射、強振等惡劣條件的適應性強等。缺點是輸出有非線性,寄生電容和分佈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。70年代末以來,隨著集成電路技術的發展,出現了與微型測量儀錶封裝在一起的電容式感測器。這種新型的感測器能使分佈電容的影響大為減小,使其固有的缺點得到克服。電容式感測器是一種用途極廣,很有發展潛力的感測器。

典型的電容式感測器由上下電極、絕緣體和襯底構成。當薄膜受壓力作用時,薄膜會發生一定的變形,因此,上下電極之間的距離發生一定的變化,從而使電容發生變化。但電容式壓力感測器的電容與上下電極之間的距離的關係是非線性關係,因此,要用具有補償功能的測量電路對輸出電容進行非線性補償。

2 電容式感測器 -代表

電容式感測器精密厚度測量設備
 ZTMS08採用了德國進口激光位移感測器,將激光束作為接觸測量時的機械探針,利用電荷耦合器件實現光電轉換。真尚有測厚儀ZTMS08是將激光光源、光電檢測和計算機工業控制技術相結合的光、機、電一體化的高新技術產品, 可廣泛用於生產線上對各種材料的厚度、寬度、輪廓的實時測量, 具有非接觸測量、不損傷物體表面、無環境污染、抗干擾能力強、精度高、數據採集、處理功能全等特點, 是中國工業生產線產品質量控制的重要設備。應用領域  
包括各種冷熱軋帶鋼、鋼板、鋁板、鋁箔、銅板、銅箔、轉爐內襯、木材、食品、精密器件,各類橡膠片、橡膠膜、橡膠輪胎、塑料板材、布等透明及非透明柔性板材的厚度在線測量監控。特點

 
 最多可連接126個感測器,構成63點在線測厚儀; 
精度最高1um,採樣頻率最高10Khz; 

適合各種物質的高精度實時在線連續測量; 
 節省人力,節約原材料, 提高產品質量; 
 通過工業用計算機採集數據; 
數據處理、圖形曲線顯示、偏差報警等功能。

3 電容式感測器 -ZNXsensor超精密電容位移感測器

 

ZNXsensor超精密電容位移感測器ZNXsensor超精密電容位移感測器

  該感測器是一種非接觸式的電容位移感測器;兩個感測器板形成一個平行板電容器,每個感測器可用在兩個不用的測量範圍;納米解析度;零磁滯。

應用領域

 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。 

主要特點


 量程20~1250μm; 
 解析度<0.1nm;零磁滯; 
 線性最高0.02%; 
 頻帶可調:50~5000Hz;靈敏度可調;  
  真空兼容選項; 
  

雙極性電容感測器工作示意圖

 

電容式感測器雙極性電容感測器工作示意圖

  

  

 

4 電容式感測器 -電容式感測器的種類、原理、特點及應用

感測器的應用方面可用來測量直線位移、角位移、振動振幅,尤其適合測量高頻振動振幅、精密軸系迴轉精度、加速度等機械量;還可用來測量壓力、壓差、液位、料面、成分含量(如油、糧食中的含水量)、非金屬材料的塗層、油膜等的厚度,測量電介質的濕度、密度、厚度等等,在自動檢測和控制系統中也常常用來作為位置信號發生器。電容式感測器是將被測量的變化轉換為電容量變化的一種裝置,它本身就是一種可變電容器。由於這種感測器具有結構簡單,體積小,動態響應好,靈敏度高,解析度高,能實現非接觸測量等特點,因而被廣泛應用於位移、加速度、振動、壓力、壓差、液位、等分含量等檢測領域。
這裡主要介紹電容式感測器的原理、結構類型、測量電路及其工程應用。當被測量的變化使S、d或ε 任意一個參數發生變化時,電容量也隨之而變,從而完成 了由被測量到電容量的轉換。
根據當式中的三個參數中兩個固定,一個可變,使得電容式感測器有三種基本類型:變極距型電容感測器、變面積型電容感測器和變介電常數型電容感測器。電容式感測器的測量電路就是將電容式感測器看成一個電容並轉換成電壓或其他電量的電路。因此,常用的測量電路主要有橋式電路、調頻電路、脈衝寬度 制電路、運算放大器電路、二極體雙 T 形交流電橋和環行二極體充放電法等。調頻電路實際是把電容式感測器作為振蕩器諧振迴路的一部分,當輸入量導致電容量發生變化時,振蕩器的振蕩頻率就發生變化。雖然可將頻率作為測量系統的輸出量,用以判斷被測非電量的大小,但此時系統是非線性的,不易校正,因此必須加入鑒頻器,將頻率的變化轉換為電壓振幅的變化,經過放大就可以用儀器指示或記錄儀記錄下來。
調頻電容感測器測量電路具有較高的靈敏度,可以測量高至 0.01 μm級位移變化量。信號的輸出頻率易於用數字儀器測量,並與計算機通信,抗干擾能力強,可以發送、接收以達到遙測遙控的目的。
因此,在實際應用中,常採用差動式結構,既使靈敏度提高 1 倍,又使非線性誤差大大降低,抗干擾能力增強。
電容式感測器具有如下特點。
(1) 結構簡單,適應性強
電容式感測器結構簡單,易於製造,精度高;可以做得很小,以實現某些特殊的測量,電容式感測器一般用金屬作電極,以無機材料作絕緣支承,因此可工作在高低溫、強輻射及強磁場等惡劣的環境中,能承受很大的溫度變化,承受高壓力、高衝擊、過載等;能測超高壓和低壓差。
(2) 動態響應好
電容式感測器由於極板間的靜電引力很小,需要的作用能量極小,可動部分可以做得小而薄,質量輕,因此固有頻率高,動態響應時間短,能在幾兆赫的頻率下工作,特適合於動態測量;可以用較高頻率供電,因此系統工作頻率高。它可用於測量高速變化的參數,如振動等。
(3) 解析度高
由於感測器的帶電極板間的引力極小,需要輸入能量低,所以特別適合於用來解決輸入能量低的問題,如測量極小的壓力、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。
(4) 溫度穩定性好
電容式感測器的電容值一般與電極材料無關,有利於選擇溫度係數低的材料,又由於本身發熱極小,因此影響穩定性也極微小。
(5) 可實現非接觸測量、具有平均效應
如迴轉軸的振動或偏心、小型滾珠軸承的徑向間隙等,採用非接觸測量時,電容式感測器具有平均效應,可以減小工件表面粗糙度等對測量的影響。
不足之處是輸出阻抗高,負載能力差,電容感測器的電容量受其電極幾何尺寸等限制,一般為幾十皮法到幾百皮法,使感測器輸出阻抗很高,尤其當採用音頻範圍內的交流電源時,輸出阻抗更高,因此感測器負載能力差,易受外界干擾影響而產生不穩定現象;寄生電容影響大,電容式感測器的初始電容量很小,而感測器的引線電纜電容、測量電路的雜散電容以及感測器極板與其周圍導體構成的電容等「寄生電容」卻較大,降低了感測器的靈敏度,破壞了穩定性,影響測量精度,因此對電纜的選擇、安裝、接法都要有要求。
電容式感測器可用來測量直線位移、角位移、振動振幅(測至 0.05μm的微小振幅),尤其適合測量高頻振動振幅、精密軸系迴轉精度、加速度等機械量,還可用來測量壓力、差壓力、液位、料面、糧食中的水分含量、非金屬材料的塗層、油膜厚度、測量電介質的濕度、密度、厚度等。在自動檢測和控制系統中也常常用來作為位置信號發生器。
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