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    电容式传感器工作原理与电容式传感器行业应用


      电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感元件,将被测转物理量或机械量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。在采用电容技术的应用中,电容式接近开关的灵敏度取决于目标物体的材料特性。金属、塑料或液态物体的材料特性将会影响感测范围,从而影响电容式传感器的输出探测点。

    电容式传感器

      一、电容式传感器的工作原理

    电容式传感器工作原理.png

      二、电容式传感器的分类类型


      根据传感器的工作原理可把电容式传感器分为变极距型、变面积型和变介质型三种类型。


      根据传感器的结构可把电容式传感器分为三种类型的结构形式。它们又可按位移的形式分为线位移和角位移两种,每一种又依据传感器极板形状分成平(圆形)板形和圆柱(圆筒)形,虽然还有球面形和锯齿形等其他形状,但一般很少用。其中差动式一般优于单组(单边)式传感器,它具有灵敏度高、线性范围宽、稳定性高等特点。


      三、电容式传感器的特点


      1、优点


      (1)温度稳定性好。电容传感器的电容值通常与电极材料无关,这有利于选择具有低温系统的材料,并且由于它产生的热量很少,因此对稳定性的影响很小。电阻传感器具有电阻并在通电后产生热量:电感传感器具有铜损,磁通量和涡流损耗等,由于热量容易产生零漂移。


      (2)结构简单。电容式传感器结构简单,易于制造,易于确保高精度,并且可以做得很小以实现某些特殊测量:它们可以在高温,强壮的车辆和船舶以及强磁场等恶劣环境中工作,并能承受较大的温度变化,承受高压,高冲击过载等。它可以测量超高温和低压差,还可以测量磁性功。


      (3)动态响应良好。由于带有电极的板之间的静电引力很小(约105N),因此电容式传感器需要的能量很小,并且由于其运动部分可以做得非常小和薄,即重量很轻,因此它的重量很轻。自然频率很高,动态响应时间短,并且可以在几兆赫兹的频率下工作,特别适合动态测量。并且由于其低介电损耗,因此可以通过较高的频率供电,因此系统具有较高的工作频率。它可以用来测量高速变化的参数。


      (4)可实现平均效果的非接触式测量。例如,旋转轴的振动或偏心率的非接触式测量,小球轴承的径向游隙等。使用非接触式测量时,电容式传感器具有求平均值的作用,可以减小工作表面粗糙度的影响在测量上。除了上述优点外,电容式传感器在电极板之间还具有较小的静电引力,因此输入和输入能量极小,因此它可以测量极低的压力,以及较小的加速度,位移等,可以制成非常灵敏,高分辨率且对001m甚至更小的位移敏感的传感器:由于其低的介电损耗(例如空气),将差分结构连接成桥式时产生的零残留非常小,因此允许电路进行高倍放大,使仪器具有高灵敏度。


      2、缺点


      (1)高输出阻抗,较差的负载能力·电容传感器的容量受通用几何尺寸的影响限制通常只有几pF到几百pF,这使得传感器的输出阻抗非常高,尤其是在使用音频范围的交流电源时,输出阻抗高达1061082因此,传感器的负载能力非常差,并且容易受到外部干扰的影响并产生不稳定。在严重的情况下,它甚至无法工作。必须采取屏蔽措施,给设计和使用带来极大的不便。大阻抗还要求传感器绝缘部分的电阻值极高(超过几十个MQ),否则绝缘部分将用作旁路电阻并影响仪器的性能(例如降低灵敏度)。因此,应特别注意温度,清洁度等周围环境。不使用高频电源会降低传感器的输出阻抗,但是高频放大和传输要比低频复杂得多,而且寄生电容影响很大,不易保证工作的稳定性。


      (2)电容由于结构和尺寸的限制,类型传感器的电容很小(几pF到几十pF),并且引线电容连接传感器和电子电路(1-2m的导线可以达到800pF),其他电子电路的体积电容以及由传感器内板及其周围导体形成的“寄生电容”相对较大,这不仅降低了传感器的灵敏度,而且这些电容(电缆电容)经常随机变化,这将使仪器工作非常不稳定。影响测量精度,因此对电缆的选择,安装和连接有要求。随着材料,技术,电子技术特别是集成技术的发展,电容式传感器的优点不断发扬,而缺点却不断被克服。电容式传感器正逐渐成为一种具有高灵敏度,高精度的传感器,并有望在动态,低压和一些特殊测量领域得到发展。


      四、电容式传感器的应用领域


      电容感器可用来测量直线位移、角位移,振动振幅(可测至0.05μm的微小振幅),尤其适合测量高频振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等机械量,还可用来测差压力、液位、料面、粮食中的水分含量、非金属材料的涂层、油膜厚度、测量点介质的湿度、密度、厚度等等。在自动检测和控制系统中也常常用来作为位置信号发生器。


      当测量金属表面状况、距离尺寸、振动振幅时,往往采用单电极式变极距型电容传感器,这时被测物是电容器的一个电极,另一个电极则在传感器内。


      航空航天、汽车制造、石油化学、烧砖、陶瓷、表面处理、大气环境、环境实验箱、食品、饮料、高科技、暧通、工业、冶金、气象、计量、军事、制药、造纸等行业都有用到。

    电容式传感器汽车行业应用.png

      五、电容式传感器在汽车行业的应用案例


      以前的电容分析系统要求测量的电容比较大,以及接触时电容值的变化很大。对传感器制造商来说,需要足够大的变化经常会带来问题,而在较小的电容传感器却不会出现。采用Σ-Δ技术能够对不同的动态和精度需求提供灵活的解决方案,并且使传感器系统具有及其低的电源要求。CDC设备已经用于几种汽车应用,在许多其他领域的应用正在增加。

    电容式传感器军事行业应用.jpg

      六、电容式传感器在军事行业内的应用案例


      在使用电容式传感器的过程中,如果是军事行业内的应用的话,我们需要考虑的细节还是非常多的。


      比如在进行运输环节的冲击测试的时候,像军用汽车在这方面是需要高技术运用的,这样才可以保障高效率的运输,而且也需要保障一定的安全,为此对于测试的灵敏度来说,其传感器对加速度的测试效果要保持一定的精确度,这样在使用的过程中才可以确保一定的振动效果,为此无论选择哪一类型的电容传感器,都要注意具体的运用范围。

    电容式传感器自动化行业应用.png

      七、电容式传感器在自动化行业的应用案例(常见)


      在自动化行业领域中,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。


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