德國IFM電容式傳感器工作原理及優(yōu)點
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