IFM電容式傳感器工作原理和優(yōu)點
IFM電容式傳感器工作原理和優(yōu)點
IFM電容式傳感器優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單,價格便宜，靈敏度高，零磁滯，真空兼容，過載能力強(qiáng)，動態(tài)響應(yīng)特性好和對高溫、輻射、強(qiáng)振等惡劣條件的適應(yīng)性強(qiáng)等。缺點是輸出有非線性，寄生電容和分布電容對靈敏度和測量精度的影響較大，以及聯(lián)接電路較復(fù)雜等。
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(jìn)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(jìn)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(dá)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。
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(qiáng)，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(qiáng)輻射及強(qiáng) 磁場等惡劣的環(huán)境中，也能對帶有磁性的工件進(jìn)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。
IFM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(dá)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(jī)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?。≒F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電容式傳感器使用注意一：
（1）轉(zhuǎn)換電路生成頻率信號，可遠(yuǎn)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(jìn)行補(bǔ)償。
IFM電容式傳感器使用注意二：
（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）
IFM電容式傳感器特點:
1．IFM電容式傳感器所具有的優(yōu)點1)結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強(qiáng)電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡單，易于制造，精度高，可以做得很小，以實現(xiàn)某些特殊的測量。電容式傳感器一般用金屬作電極，以無機(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、過載等，能測超高壓和低壓差。
2)動態(tài)響應(yīng)好IFM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，可動部分可以做得小而薄，質(zhì)量輕，因此固有頻率高，動態(tài)響應(yīng)時間短，能在幾兆赫的頻率下工作，特別適合于動態(tài)測量。電容式傳感器可以用較高頻率供電，因此系統(tǒng)工作頻率高。它可用于測量高速變化的參數(shù)，如測量振動、瞬時壓力等。
3)分辨率高由于IFM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解決輸入能量低的問題，如測量極小的壓力、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. 001 pm，甚至更小的位移。
4)溫度穩(wěn)定性好IFM電容式傳感器的電容值一般與電極材料無關(guān)，僅取決于電極的幾何尺寸，介質(zhì)損耗非常小。應(yīng)選擇溫度系數(shù)低的材料，其本身發(fā)熱極小，因此影響穩(wěn)定性也極微小。
5)可竇現(xiàn)非接觸測量、具有平均效應(yīng)在被測試件不能受力、高速運動、表面不連續(xù)，以及表面不允許有劃痕等情況下，傳感器不能與被測試件有接觸，電容式傳感器就可以完成這樣的測量任務(wù)。如回轉(zhuǎn)軸的振動或偏心、小型滾珠軸承的徑向間隙等，采用非接觸測量時，IFM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測量的影響。
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