德国米铱传感器

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电容位移传感器原理

capacitive type transducer
把被测的机械量,如位移、压力等转换为电容量变化的传感器。它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。其最常用的形式是由两个平行电极组成、极间以空气为介质的电容器(见图)。若忽略边缘效应, 平板电容器的电容为εS/d,式中ε为极间介质的介电常数,S为两极板互相覆盖的有效面积,d为两电极之间的距离。d、s、ε 三个参数中任一个的变化都将引起电容量变化,并可用于测量。因此电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型、介质变化型三类。极距变化型一般用来测量微小 的线位移或由于力、压力、振动等引起的极距变化(见电容式压力传感器)。面积变化型一般用于测量角位移或较大的线位移。介质变化型常用于物位测量和各种介质的温度、密度、湿度的测定。
外文名
capacitive type transducer
电    容
εS/d
应    用
测量

1简介编辑

70年代末以来,随着集成电路技术的发展,出现了与微型测量仪表封装在一起的电容式传感器。这种新型的传感器能使分布电容的影响大为减小,使其固有的缺点得到克服。电容式传感器是一种用途极广,很有发展潜力的传感器。
典型的电容式传感器由上下电极、绝缘体和衬底构成。当薄膜受压力作用时,薄膜会发生一定的变形,因此,上下电极之间 的距离发生一定的变化,从而使电容发生变化。但电容式压力传感器的电容与上下电极之间的距离的关系是非线性关系,因此,要用具有补偿功能的测量电路对输出 电容进行非线性补偿。

2定义编辑

电容式传感器——将被测非电量的变化转换为电容量变化的传感器。

3分类编辑

根据被测参数的变化分:
(1)变极距型电容传感器(d)
(2)变面积型电容传感器(A)
(3)变介质型电容传感器(ε)[1] 

电容传感器">变极距型电容传感器

如图:
  

  

  

  

  
变面积型电容传感器
如图:
变电介质型电容式传感器
如图:
变介质型电容式传感器
如图:

非线性

如图:

电容传感器">电容传感器

目的:
提高灵敏度
减小非线性误差

4应用编辑

1、 ZCS1100型精密电容位移传感器。本传感器可以在线检测压电微位移、振动台,电子显微镜微调,天文望远镜镜片微调,精密微位移测量等。该传感器是一个 单一的通道,高性能线性位移测量系统,创新的电容位移测量技术,提供了纳米测量能力,成本低,适合测量任何导电目标。
2、FWS-CⅡ型在线电容式水分检测传感器。在线检测各种工作机械的液压、润滑系统介质的含水率,特别是外部水容 易渗入机械内部的轧钢机、造纸机、汽轮 机、船舶机械。 监视循环油系统是否存在泄漏,如水冷却器等。 监视工作机械的密封元件是否损坏,引起外部水渗入。 监视环境空气湿度对润滑液压系统油品品质和含水率的影响。,从而精确测定润滑油质量,预测设备故障,是设备润滑油管理中的关键部件。本传感器采用螺纹连
差动式电容测厚传感器差动式电容测厚传感器
接,体积小,重量轻,结构可靠,测量精度高,工作稳定,具有较强的抗电磁干扰性能。封闭型不锈钢制外壳具有很好的防水防尘性能??芍苯影沧坝诠こ殖∫貉谷蠡艿郎?。是理想的在线水分检测传感器。
该传感器还可与控制室中的二次仪表或控制器相连,在线、连续、实时的检测各种低水分油品的含水率。直接显示,远程控 制和报警。实现数据存储,积算、传输和控制功能。普遍应用于大中型机械联动机组的液压、润滑循环系统 例如:高线轧机和板带轧机润滑油系统、板带轧机和棒线轧机液压传动系统、汽轮发电机组润滑系
加速度传感器加速度传感器
统、 造纸机组润滑系统、船舶机械润滑系统、燃料油库。粘度计,污染度,湿度计电容式传感器3、 FW-C1型电容式润滑油实时在线监测传感器。本传感器可以在线准确测定润滑油的污染程度,包括氧化程度、含水量和其它机械化学杂质污染度,从而精确测定 润滑油质量,判定是否需要更换润滑油,即可节约油料,又能预测设备故障,是设备润滑油管理中改变传统的按期换油,实现按质换油的关键部件。本传感器采用螺 纹连接,体积小,重量轻,结构可靠,是理想的在线润滑油检测传感器,可普遍应用于各类大型动力机械,轴承,齿轮箱,泵机和汽轮机的润滑油检测质量实时检测 中。该传感器还可与控制室中的二次仪表或控制器相连,实现数据存储,积算、传输和控制功能。
电容式压力传感器电容式压力传感器
4、电容式压力传感器
5、加速度传感器
6、差动式电容测厚传感器

5原理编辑

电容式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e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。

6特点优势编辑

电容式传感器与电阻式、电感式等传感器相比有如下一些优点:
(1)高阻抗、小功率,因而所需的输入力很小,输人能量也很低。电容式传感器因带电极板 间静电引力极小(约几个10-5 N),因此所需输入能量极小,所以特别适宜用来解决输入能量低的 测量问题,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,分辨力非常髙,能 感受0.001μm甚至更小的位移。
(2)温度稳定性好。传感器的电容值一般与电极材料无关,有利于选择温度系数低的材料, 又因本身发热极小,对稳定性影响甚微。
(3)结构简单,适应性强,待测体是导体或半导体均可,可在恶劣环境中工作。电容式传感 器结构简单,易于制造,可做得非常小巧,以实现某些特殊的测量;能工作在高低温、强辐射及强 磁场等恶劣的环境中,也能对带有磁性的工件进行测量。
(4)动态响应好。由于极板间的静电引力很小,可动部分做得很小很薄,因此其固有频率很 高,动态响应时间短,能在几兆赫的频率下工作,特别适合动态测量,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。例如非接触测量回转轴的振动或偏心、小型滚珠 轴承的径向间隙等。当采用非接触测量时,电容式传感器具有平均效应,可以减小工作表面粗糙 等对测量的影响。

7不足之处编辑

电容式传感器存在的不足之处如下:
(1)输出阻抗高,负载能力差。
(2)寄生电容影响大。
电容式传感器的初始电容量很小,而传感器的引线电缆电容(lm~2m导线可达800 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,这一方面降 低了传感器的灵敏度;另一方面这些电容(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 电缆的选择、安装、接法都要有要求。
为减小电缆分布电容影响,可将电子线 路的前级装在离传感器敏感部分很近的地 方,或采用所谓“双层屏蔽等电位传输技术”,
又称“驱动电缆”技术。这种方法的基本思路 是:连接电缆采用内外双层屏蔽,使内屏蔽层 与被屏蔽的导线电位相同,因而两者之间没 有容性电流存在,这样使引线与内屏蔽之间 的电缆电容不起作用,外屏蔽仍被接地而对 外界电场起屏蔽作用,其原理如图5 - 15所 示。外屏蔽接地后,对地之间电容将成为1:1放大器的负载,它也与电容式传感器的电 容无关。这样无论电缆形状和位置如何变化,都不会对传感器的工作产生影响。
驱动电缆原理图驱动电缆原理图
实验证明:采用驱动电缆技术,即使电容式传感器电容较小,在传输电缆长达10 m时,传感 器仍能很好地工作。
两点注意:
工作频率等于或接近谐振频率时,谐振频率破坏了电容的正常作用。因此,工作频率应该先择低于谐振频率。
电容式传感器的有效电容除与位移有关外,还与角频率有关。因此,在实际应用时必须与标定的条件(ω)相同。

8测量电路编辑

电容传感器的特点:电容量小,变化更?。≒F级)。理论上,交流电桥可作为电容传感器的测量电路,但由于电容及变化太小,不易实现。包括(1)调频电路(2)运算放大器式电路(3)二极管双T形交流电桥(4)脉冲宽度调制电路

调频电路

特点:
(1)转换电路生成频率信号,可远距离传输不受干扰。
(2)具有较高的灵敏度,可以测量高至0.01μm级位移变化量。
(3)但非线性较差,可通过鉴频器(频压转换)转化为电压信号后,进行补偿。
运算放大器式电路运算放大器要求:
特点:
(1)解决了单个变极板间距离式电容传感器的非线性问题
(2)要求Zi及放大倍数足够大
(3)为保证仪器精度,还要求电源电压的幅值和固定电容稳定
(4)由于Cx变化小,所以该电路实现起来困难
(5)输入阻抗高(避免泄漏)、放大倍数大(接近理想放大器)

二极管双T形交流电桥

正负半周分析:
正半周:C1充电,电流顺时针; C2放电,电流逆时针
负半周: C2充电,电流逆时针; C1放电,电流顺时针
若C1 = C2,则电流抵消,若C1 ≠C2,则RL有信号输出
几点说明:
(1)该电路电源频率Mhz级,电源电压几十伏,电源的稳定性对输出直接产生影响。
(2)当电容以PF级变化时,输出以V级变化。

脉冲宽度调制电路

如图:

9优缺点编辑

电容式传感器的优点是结构简单,价格便宜,灵敏度高,零磁滞,真空兼容,过载能力强,动态响应特性好和对高温、辐射、强振等恶劣条件的适应性强等。缺点是输出有非线性,寄生电容和分布电容对灵敏度和测量精度的影响较大,以及联接电路较复杂等。


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