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電容式位移傳感器

提示:

電容式位移傳感器是以電容器為敏感元件,將機械位移量轉換為電容器電容量變化的一種傳感器。其特點是結構簡單、分辨率高、工作可靠、動態響應好,可實現非接觸測量,能在惡劣環境條件下工作,主要用于位移、液位等方面的測量。 電容式傳感器可由任何類型的電容器作為傳感器,但最常用的是由平行極板構成的以空氣為介質的電

    電容式位移傳感器是以電容器為敏感元件,將機械位移量轉換為電容器電容量變化的一種傳感器。其特點是結構簡單、分辨率高、工作可靠、動態響應好,可實現非接觸測量,能在惡劣環境條件下工作,主要用于位移、液位等方面的測量。

    電容式傳感器可由任何類型的電容器作為傳感器,但最常用的是由平行極板構成的以空氣為介質的電容器,有時也采用由兩同軸圓筒或其他形狀平行面組成的電容器。因此,電容式傳感器的工作原理可用平行板電容傳感器來說明,如圖2.2所示。當不考慮邊緣電場影響時,其電容C

 

式中,S為極板的遮蓋面積,單位為m2;ε為極板間介質的介電常數;δ為兩平行極板間的距離,單位為m

 平行板電容傳感器

    圖2 2    平行板電容傳感器

    由式(2.1)可知,平行板電容器的電容量C與電容器的S、ε、δ三個結構參數有關,只要改變這三個參數中的任何一個,就可以改變電容器的電容量。因此,電容式傳感器可分為變間距型(δ變化)、變面積型(S變化)、變介電系數型(ε變化)三種。

    當被測量的變化使電容器中任何一個參數產生變化而引起電容變化時,只要通過一定的測量電路將電容變化轉變成電壓、電流、頻率等信號輸出,根據該信號的大小,就可以測定運動物體位移的大小。通過改變電容器的不同參數,可以制成三種不同類型的電容式傳感器。

    (1)變極板間距型  一般用于測量微小的線位移(可小至0. 01μm),其靈敏度較高,易于實現非接觸測量,因而應用較為普遍。

    由式(2.1)可知,若平行極板的間距δ發生變化(如增大),由初始距離δ0變化到δ0+△δ,電容量也發生相應的變化(變小),如圖2.3所示,由式(2.1)對δ求導得

    (2.2)

    通常我們也將k=C/△δ稱作電容傳感器的靈敏度,可以看出,靈敏度k與δ2成反比,極距越小靈敏度越高。顯然,δ2將引起非線性誤差,為了減小這一誤差,通常規定傳感器只能在較小的極距變化范圍內工作(即測量范圍小),以便獲得近似的線性關系,一般取極距的變化范圍為△δ/δ00.1,在實際使用變間距電容式傳感器時,為了提高其靈敏度及線性工作范圍,減小各種外界干擾,在結構上常采用差動配置方式,其結構如圖2.4所示,中間一片極板為動片,兩邊的極板是定片。當動片受被測量作用發生移動距離△δ后,上下兩對極板間距離分別為δ0+△δ和δ0 - △δ,這樣造成差動平行極板電容器的電容量變化為

    (2.3)

    當極板間距△δ變化很小時,可以近似地認為該傳感器的靈敏度為。可見,這種差動電容器與適當的測量電路配合不僅可以改善系統輸出的非線性,提高線性范圍,而且靈敏度也比簡單的電容器提高了一倍。

C-δ特性曲線

    2.3    C-δ特性曲線

差動變極板間距電容式傳感器

    2.4    差動變極板間距電容式傳感器

    (2)變極板工作面積型  變極板工作面積型電容傳感器可用于測量線位移及角位移(適用于較大的直線位移及角位移)。圖2.5所示為兩種變面積型傳感器的測量原理圖。當平行板受被測量作用發生移動時,兩極板間面積發生變化,相應電容量也會發生變化,其靈敏度為

    (2.4)

    由式(2.4)可知,變面積型的電容傳感器的輸出特性是線性的。

變極板面積型電容傳感器

    2.5    變極板面積型電容傳感器

    除了有平行極板型的電容式傳感器外,還有圓筒型,后者的結構更緊湊并有利于消除變面積過程中因極板間距離6的變動而引入的誤差。同變極板間距的差動式電容傳感器一樣,在變極板工作面積的電容式傳感器中也常采用差動工作方式,其結構形式如圖2.6所示,其中圖2.6(a)為平板電容,圖2.6(b)為圓筒電容。

差動變面積型電容傳感器

    2.6    差動變面積型電容傳感器

    (3)變介質型  各種介質的介電常數不同,若兩極板間的介質發生變化,則電容量也會發生改變。這種電容式傳感器常用于檢測容器中液面高度、片狀材料厚度等。圖2.7為電容液面計結構示意圖,在被測介質中放入兩個同心圓柱狀極板12,容器內介質的介電常數為ε1,介質上氣體的介電常數為ε2。當介質浸沒電容極板一定高度時,總電容量為氣體介質與液體介質電容量之和,通過這種電容量的變化,可以判別電容器內液位高度。圖2.8是一種用于測量氫液高度的介質變化型電容傳感器。

電容液面計結構示意圖

    2.7    電容液面計結構示意圖

    1-內圓筒;2-外圓筒

電容式氫液高度傳感器

    2.8    電容式氫液高度傳感器


(責任編輯: 艾特貿易網 )

  • 本文關鍵字:傳感器 

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