电容式传感器的工作原理、优缺点及应用注意事项

文/ 发布于2017-11-16 浏览次数:5707

  电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感元件,将被测物理量的变化转换为电容量的变化。具有小功率、高阻抗,小的静电引力和良好的动态特性。本文主要介绍一下电容式传感器的工作原理、优缺点及应用注意事项。


  电容式传感器的工作原理


  电容式传感器由敏感元件和转换元件为一体的电容量可变的电容器和测量电路组成,其变量间的转换关系原理如图所示。


电容式传感器的工作原理


  由物理学可知,当忽略电容器边缘效应时,对图示平行极板电容器,电容量为


电容式传感器的工作原理

电容式传感器的工作原理


  可见:在S、d、ε三个参量中,改变其中任意一个量,均可使电容量C改变。也就是说,如果被检测参数(如位移、压力、液位等)的变化引起S、d、ε三个参量中之一发生变化,就可利用相应的电容量的改变实现参数测量。据此,电容式传感器可分为以下三大类:

  (1)极距变化型电容传感器;

  (2)面积变化型电容传感器;

  (3)介质变化型电容传感器。


  电容式传感器的优缺点


  1、电容式传感器的优点

  1)温度稳定性好

  传感器的电容值一般与电极材料无关,仅取决于电极的几何尺寸,且空气等介质损耗很小,因此只要从强度、温度系数等机械特性考虑,合理选择材料和几何尺寸即可,其他因素(因本身发热极小)影响甚微。而电阻式传感器有电阻,供电后产生热量;电感式传感器存在铜损、涡流损耗等,引起本身发热产生零漂。

  (2)结构简单,适应性强

  电容式传感器结构简单,易于制造。能在高低温、强辐射及强磁场等各种恶劣的环境条件下工作,适应能力强,尤其可以承受很大的温度变化,在高压力、高冲击、过载等情况下都能正常工作,能测超高压和低压差,也能对带磁工件进行测量。此外传感器可以做得体积很小,以便实现某些特殊要求的测量。


电容式传感器


  3)静电引力小

  电容传感器两极板间存在着静电场,因此极板上作用着静电引力或静电力矩。静电引力的大小与极板间的工作电压、介电常数、极间距离有关。一般说来,这种静电引力是很小的,因此只有对推动力很小的弹性敏感元件,才须考虑因静电引力造成的测量误差。

  (4)动态响应好

  电容式传感器由于极板间的静电引力很小,(约几个10-5N),需要的作用能量极小,又由于它的可动部分可以做得很小很薄,即质量很轻,因此其固有频率很高,动态响应时间短,能在几MHz的频率下工作,特别适合动态测量。又由于其介质损耗小可以用较高频率供电,因此系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数,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

  当被测件不能允许采用接触测量的情况下,电容传感器可以完成测量任务。当采用非接触测量时,电容式传感器具有平均效应,可以减小工件表面粗糙度等对测量的影响。

  电容式传感器除上述优点之外,还因带电极板间的静电引力极小,因此所需输入能量极小,所以特别适宜低能量输入的测量,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,分辨力非常高,能感受0.001µm甚至更小的位移。


电容式传感器


  2、电容式传感器的缺点

  (1)输出阻抗高,负载能力差

  电容式传感器的容量受其电极几何尺寸等限制,一般为几十到几百pF,使传感器的输出阻抗很高,尤其当采用音频范围内的交流电源时,输出阻抗高达106~108Ω。因此传感器负载能力差,易受外界干扰影响而产生不稳定现象,严重时甚至无法工作,必须采取屏蔽措施,从而给设计和使用带来不便。容抗大还要求传感器绝缘部分的电阻值极高(几十MΩ以上),否则绝缘部分将作为旁路电阻而影响传感器的性能(如灵敏度降低),为此还要特别注意周围环境如温湿度、清洁度等对绝缘性能的影响。高频供电虽然可降低传感器输出阻抗,但放大、传输远比低频时复杂,且寄生电容影响加大,难以保证工作稳定。

  (2)寄生电容影响大

  传感器的初始电容量很小,而其引线电缆电容(l~2m导线可达800pF)、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,①降低了传感器的灵敏度;②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。因此对电缆选择、安装、接法有要求。

  (3)输出特性非线性

  变极距型电容传感器的输出特性是非线性的,虽可采用差动结构来改善,但不可能完全消除。其他类型的电容传感器只有忽略了电场的边缘效应时,输出特性才呈线性。否则边缘效应所产生的附加电容量将与传感器电容量直接叠加,使输出特性非线性。

  随着材料、工艺、电子技术,特别是集成电路的高速发展,使电容式传感器的优点得到发扬而缺点不断得到克服。电容传感器正逐渐成为一种高灵敏度、高精度,在动态、低压及一些特殊测量方面大有发展前途的传感器。

电容式传感器的工作原理、优缺点及应用注意事项

  电容式传感器应用中的注意事项


       (1)克服寄生电容的影响

       电容式传感器由于受结构与尺寸的限制,其电容量都很小(pF到几十pF),属于小功率、高阻抗器件,因此极易外界干扰,尤其是受大于它几倍、几十倍的、且具有随机性的电缆寄生电容的干扰,它与传感器电容相并联,严重影响感器的输出特性,甚至会淹没有用信号而不能使用。消灭寄生电容影响,是电容式传感器实用的关键。

       (2)克服边缘效应的影响

       实际上当极板厚度h与极距δ之比相对较大时,边缘效

  应的影响就不能忽略;边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低,而且产生非线性。

       3)克服静电引力的影响

       电容式传感器两极板间因存在静电场,而作用有静电引力或力矩。静电引力的大小与极板间的工作电压、介电常数、极间距离有关。通常这种静电引力很小,但在采用推动力很小的弹性敏感元件情况下,须考虑因静电引力造成的测量误差。

电容式传感器的工作原理、优缺点及应用注意事项

       (4)温度影响

       环境温度的变化将改变电容传感器的输出相对被测输入量的单值函数关系,从而引入温度干扰误差。温度影响主要包括温度对结构尺寸和对介质的影响两方面。

  上文就是小编为大家整理的电容式传感器的工作原理、优缺点及应用注意事项的相关内容,希望能够对大家认识电容式传感器有所帮助。电容式传感器本身发热影响小,可进行非接触测量。广泛应用于压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等测量之中。

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