電容式傳感器的種類、原理、特點(diǎn)及應(yīng)用

      電容式傳感器是將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種裝置，它本身就是一種可變電容器。由于這種傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，靈敏度高，分辨率高，能實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量等特點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于位移、加速度、振動(dòng)、壓力、壓差、液位、等分含量等檢測(cè)領(lǐng)域。

　　這里主要介紹電容式傳感器的原理、結(jié)構(gòu)類型、測(cè)量電路及其工程應(yīng)用。當(dāng)被測(cè)量的變化使S、d或ε任意一個(gè)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，電容量也隨之而變，從而完成 了由被測(cè)量到電容量的轉(zhuǎn)換。

　　根據(jù)當(dāng)式中的三個(gè)參數(shù)中兩個(gè)固定，一個(gè)可變，使得電容式傳感器有三種基本類型：變極距型電容傳感器、變面積型電容傳感器和變介電常數(shù)型電容傳感器。電容式傳感器的測(cè)量電路就是將電容式傳感器看成一個(gè)電容并轉(zhuǎn)換成電壓或其他電量的電路。因此，常用的測(cè)量電路主要有橋式電路、調(diào)頻電路、脈沖寬度制電路、運(yùn)算放大器電路、二極管雙 T形交流電橋和環(huán)行二極管充放電法等。調(diào)頻電路實(shí)際是把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分,當(dāng)輸入量導(dǎo)致電容量發(fā)生變化時(shí)，振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化。雖然可將頻率作為測(cè)量系統(tǒng)的輸出量，用以判斷被測(cè)非電量的大小，但此時(shí)系統(tǒng)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(zhuǎn)換為電壓振幅的變化，經(jīng)過(guò)放大就可以用儀器指示或記錄儀記錄下來(lái)。

　　調(diào)頻電容傳感器測(cè)量電路具有較高的靈敏度，可以測(cè)量高至 0.01μm級(jí)位移變化量。信號(hào)的輸出頻率易于用數(shù)字儀器測(cè)量，并與計(jì)算機(jī)通信，抗干擾能力強(qiáng)，可以發(fā)送、接收以達(dá)到遙測(cè)遙控的目的。

　　因此，在實(shí)際應(yīng)用中，常采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)，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(qiáng)。

　　電容式傳感器具有如下特點(diǎn)

　(1) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)

　　電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造，精度高;可以做得很小，以實(shí)現(xiàn)某些特殊的測(cè)量，電容式傳感器一般用金屬作電極，以無(wú)機(jī)材料作絕緣支承，因此可工作在高低溫、強(qiáng)輻射及強(qiáng)磁場(chǎng)等惡劣的環(huán)境中，能承受很大的溫度變化，承受高壓力、高沖擊、過(guò)載等;能測(cè)超高壓和低壓差。

　(2) 動(dòng)態(tài)響應(yīng)好

　　電容式傳感器由于極板間的靜電引力很小，需要的作用能量極小，可動(dòng)部分可以做得小而薄，質(zhì)量輕，因此固有頻率高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，能在幾兆赫的頻率下工作，特適合于動(dòng)態(tài)測(cè)量;可以用較高頻率供電，因此系統(tǒng)工作頻率高。它可用于測(cè)量高速變化的參數(shù)，如振動(dòng)等。

　(3) 分辨率高

　　由于傳感器的帶電極板間的引力極小，需要輸入能量低，所以特別適合于用來(lái)解決輸入能量低的問(wèn)題，如測(cè)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(wěn)定性好

　　電容式傳感器的電容值一般與電極材料無(wú)關(guān)，有利于選擇溫度系數(shù)低的材料，又由于本身發(fā)熱極小，因此影響穩(wěn)定性也極微小。

　(5) 可實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量、具有平均效應(yīng)

　　如回轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)或偏心、小型滾珠軸承的徑向間隙等，采用非接觸測(cè)量時(shí)，電容式傳感器具有平均效應(yīng)，可以減小工件表面粗糙度等對(duì)測(cè)量的影響。

不足之處是輸出阻抗高，負(fù)載能力差，電容傳感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，使傳感器輸出阻抗很高，尤其當(dāng)采用音頻范圍內(nèi)的交流電源時(shí)，輸出阻抗更高，因此傳感器負(fù)載能力差，易受外界干擾影響而產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象;寄生電容影響大，電容式傳感器的初始電容量很小，而傳感器的引線電纜電容、測(cè)量電路的雜散電容以及傳感器極板與其周圍導(dǎo)體構(gòu)成的電容等“寄生電容”卻較大，降低了傳感器的靈敏度，破壞了穩(wěn)定性，影響測(cè)量精度，因此對(duì)電纜的選擇、安裝、接法都要有要求。

　　電容式傳感器可用來(lái)測(cè)量直線位移、角位移、振動(dòng)振幅(測(cè)至0.05μm的微小振幅)，尤其適合測(cè)量高頻振動(dòng)振幅、精密軸系回轉(zhuǎn)精度、加速度等機(jī)械量，還可用來(lái)測(cè)量壓力、差壓力、液位、料面、糧食中的水分含量、非金屬材料的涂層、油膜厚度、測(cè)量電介質(zhì)的濕度、密度、厚度等。在自動(dòng)檢測(cè)和控制系統(tǒng)中也常常用來(lái)作為位置信號(hào)發(fā)生器。