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德國IFM電容式傳感器工作原理及優(yōu)點
2014-8-5 閱讀(2861)
德國IFM電容式傳感器工作原理及優(yōu)點
IFM電容式傳感器工作原理：IFM電容式傳感器也常常被人們稱為電容式物位計，電容式物位計的電容檢測元件是根據(jù)圓筒形電容器原理進行工作的，電容器由兩個絕緣的同軸圓柱極板內(nèi)電極和外電極組成，在兩筒之間充以介電常數(shù)為e的電解質(zhì)時，兩圓筒間的電容量為C=∏eL/lnD/d，式中L為兩筒相互重合部分的長度；D為外筒電極的直徑；d為內(nèi)筒電極的直徑；e為中間介質(zhì)的電介常數(shù)。在實際測量中D、d、e是基本不變的，故測得C即可知道液位的高低，這也是電容式傳感器具有使用方便，結(jié)構(gòu)簡單和靈敏度高，價格便宜等特點的原因之一。
IFM電容傳感器也屬于具有開關(guān)量輸出的位置傳感器，是一種接近式開關(guān)。 它的測量頭通常是構(gòu)成電容器的一個極板，而另一個極板是待測物體的本身。當(dāng)物體移向接近開關(guān)時，物體和接近開關(guān)的介電常數(shù)發(fā)生變化，使得和測量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化。由此，便可控制開關(guān)的接通和關(guān)斷。
IFM電容傳感器介紹：用電測法測量非電學(xué)量時，首先必須將被測的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量而后輸入之。通常把非電學(xué)量變換成電學(xué)量的元件稱為變換器；根據(jù)不同非電學(xué)量的特點設(shè)計成的有關(guān)轉(zhuǎn)換裝置稱為傳感器，而被測的力學(xué)量（如位移、力、速度等）轉(zhuǎn)換成電容變化的傳感器稱為IFM電容傳感器。從能量轉(zhuǎn)換的角度而言，電容變換器為無源變換器，需要將所測的力學(xué)量轉(zhuǎn)換成電壓或電流后進行放大和處理。力學(xué)量中的線位移、角位移、間隔、距離、厚度、拉伸、壓縮、膨脹、變形等無不與長度有著密切的量；這些量又都是通過長度或者長度比值進行測量的量，而其測量方法的相互關(guān)系也很密切。另外，在有些條件下，這些力學(xué)量變化相當(dāng)緩慢，而且變化范圍極小，如果要求測量極小距離或位移時要有較高的分辨率，其他傳感器很難做到實現(xiàn)高分辨率要求，在精密測量中所普遍使用的差動變壓器傳感器的分辨率僅達到1～5 μm數(shù)量級；而有一種電容測微儀，他的分辨率為0.01 μm，比前者提高了兩個數(shù)量級，zui大量程為100±5 μm，因此他在精密小位移測量中受到青睞。
對于上述這些力學(xué)量，尤其是緩慢變化或微小量的測量，一般來說采用電容式傳感器進行檢測比較適宜，主要是這類傳感器具有以下突出優(yōu)點：(1)測量范圍大其相對變化率可超過*；(2)靈敏度高，如用比率變壓器電橋測量，相對變化量可達10-7數(shù)量級；(3)動態(tài)響應(yīng)快，因其可動質(zhì)量小，固有頻率高，高頻特性既適宜動態(tài)測量，也可靜態(tài)測量；(4)穩(wěn)定性好由于電容器極板多為金屬材料，極板間襯物多為無機材料，如空氣、玻璃、陶瓷、石英等；因此可以在高溫、低溫強磁場、強輻射下長期工作，尤其是解決高溫高壓環(huán)境下的檢測難題。
IFM電容式傳感器與電阻式、電感式等傳感器相比有如下一些優(yōu)點：
(1)高阻抗、小功率,因而所需的輸入力很小，輸人能量也很低。電容式傳感器因帶電極板 間靜電引力極小(約幾個10-5 N)，因此所需輸入能量極小，所以特別適宜用來解決輸入能量低的 測量問題，例如測量極低的壓力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很靈敏,分辨力非常髙，能 感受0.001μm甚至更小的位移。
(2)溫度穩(wěn)定性好。傳感器的電容值一般與電極材料無關(guān)，有利于選擇溫度系數(shù)低的材料， 又因本身發(fā)熱極小，對穩(wěn)定性影響甚微。
(3)結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強，待測體是導(dǎo)體或半導(dǎo)體均可,可在惡劣環(huán)境中工作。電容式傳感 器結(jié)構(gòu)簡單,易于制造,可做得非常小巧，以實現(xiàn)某些特殊的測量;能工作在高低溫、強輻射及強 磁場等惡劣的環(huán)境中，也能對帶有磁性的工件進行測量。
(4)動態(tài)響應(yīng)好。由于極板間的靜電引力很小，可動部分做得很小很薄，因此其固有頻率很 高，動態(tài)響應(yīng)時間短，能在幾兆赫的頻率下工作，特別適合動態(tài)測量，如測量振動、瞬時壓力等。
(5)可以實現(xiàn)非接觸測量，具有平均效應(yīng)。例如非接觸測量回轉(zhuǎn)軸的振動或偏心、小型滾珠 軸承的徑向間隙等。當(dāng)采用非接觸測量時,電容式傳感器具有平均效應(yīng)，可以減小工作表面粗糙 等對測量的影響。
電容式傳感器存在的不足之處如下：
(1)輸出阻抗高，負(fù)載能力差。
(2)寄生電容影響大。
IFM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(lm~2m導(dǎo)線可達800 pF)、測 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，這一方面降 低了傳感器的靈敏度;另一方面這些電容(如電纜電容)常常是隨機變化的，將使傳感器工作不穩(wěn) 定，影響測量精度，其變化量甚至超過被測量引起的電容變化量，致使傳感器無法工作。因此對 電纜的選擇、安裝、接法都要有要求。
為減小電纜分布電容影響，可將電子線 路的前級裝在離傳感器敏感部分很近的地 方，或采用所謂“雙層屏蔽等電位傳輸技術(shù)”，
又稱“驅(qū)動電纜”技術(shù)。這種方法的基本思路 是:連接電纜采用內(nèi)外雙層屏蔽，使內(nèi)屏蔽層 與被屏蔽的導(dǎo)線電位相同，因而兩者之間沒 有容性電流存在，這樣使引線與內(nèi)屏蔽之間 的電纜電容不起作用，外屏蔽仍被接地而對 外界電場起屏蔽作用，其原理如圖5 - 15所 示。外屏蔽接地后，對地之間電容將成為1:1放大器的負(fù)載，它也與電容式傳感器的電 容無關(guān)。這樣無論電纜形狀和位置如何變化，都不會對傳感器的工作產(chǎn)生影響。
IFM電容式傳感器兩點注意：
工作頻率等于或接近諧振頻率時，諧振頻率破壞了電容的正常作用。因此，工作頻率應(yīng)該先擇低于諧振頻率。
IFM電容式傳感器的有效電容除與位移有關(guān)外，還與角頻率有關(guān)。因此，在實際應(yīng)用時必須與標(biāo)定的條件（ω）相同。
IFM電容傳感器的特點：電容量小，變化更小（PF級）。理論上，交流電橋可作為IFM電容傳感器的測量電路，但由于電容及變化太小，不易實現(xiàn)。包括（1）調(diào)頻電路（2）運算放大器式電路（3）二極管雙T形交流電橋（4）脈沖寬度調(diào)制電路
調(diào)頻電路
IFM電容式傳感器特點：
（1）轉(zhuǎn)換電路生成頻率信號，可遠距離傳輸不受干擾。
（2）具有較高的靈敏度，可以測量高至0.01μm級位移變化量。
（3）但非線性較差，可通過鑒頻器（頻壓轉(zhuǎn)換）轉(zhuǎn)化為電壓信號后，進行補償。
IFM電容式傳感器特點：
（1）解決了單個變極板間距離式IFM電容傳感器的非線性問題
（2）要求Zi及放大倍數(shù)足夠大
（3）為保證儀器精度，還要求電源電壓的幅值和固定電容穩(wěn)定
（4）由于Cx變化小，所以該電路實現(xiàn)起來困難
（5）輸入阻抗高（避免泄漏）、放大倍數(shù)大（接近理想放大器）
德國IFM電容式傳感器工作原理及優(yōu)點
