簡(jiǎn)述電容式傳感器

簡(jiǎn)述電容式傳感器摘要:電容傳感器是將被測(cè)物理量的微小變化轉(zhuǎn)換成電容變化的一種裝置。和其它傳感器比較，電容傳感器的優(yōu)點(diǎn)很多。主要是測(cè)量的精度高、靈敏度高、穩(wěn)定性高，可動(dòng)部分質(zhì)量小，因而動(dòng)態(tài)響應(yīng)較快，容易實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造，可以做的非常小巧，便于在多種環(huán)境中使用。其廣泛應(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。本文對(duì)電容傳感器的工作原理，應(yīng)用及其特點(diǎn)做了簡(jiǎn)單的介紹；同時(shí)，也給出了一些目前市場(chǎng)上電容傳感器的生產(chǎn)廠家及參考價(jià)格。關(guān)鍵字：電容傳感器；工作原理；應(yīng)用；特點(diǎn)傳感器是指能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。傳感器又叫變換器、換能器、敏感元件等。傳感器是現(xiàn)代測(cè)控系統(tǒng)中不可缺少的重要組成部分，是連接被測(cè)對(duì)象和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的接口。幾乎每一項(xiàng)現(xiàn)代化的裝置都離不開各種各樣的傳感器。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳感器早已滲透到工業(yè)生產(chǎn)、海洋探測(cè)、環(huán)境保護(hù)、醫(yī)學(xué)診斷等各個(gè)領(lǐng)域。其中電容式傳感器可以通過改變電介質(zhì)、極距或者相對(duì)面積使得電容的大小發(fā)生變化，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)觀測(cè)和控制。電容式傳感器的工作原理電容式傳感器是將被測(cè)量變化轉(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。通常情況下，電容是由兩個(gè)金屬平行板組成并且以空氣為介質(zhì)，下面以平行板電容器說明其工作原理。當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時(shí)，平行板電容器的電容量為：C=GAd=￡r￡°Ad（式中A為極板面積，d為極板間距，￡,為相對(duì)介電常數(shù)，￡°為真空介電常數(shù)，￡為電容極板介質(zhì)的介電常數(shù)）。當(dāng)被測(cè)物理量使得式中d、A和￡中的某項(xiàng)或某幾項(xiàng)有變化時(shí)，就改變了電容C。電容傳感器就是將被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)化為d、A、￡的變化進(jìn)行測(cè)量的。實(shí)際應(yīng)用中，若保持其中兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變其中一個(gè)參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，通過測(cè)量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。因此電容式傳感器可分為變極距、變面積和變介電常數(shù)三種類型。電容式傳感器測(cè)量的物理量及范圍電容式傳感器具有結(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。其中變極距、變面積和變介電常數(shù)三種類型的電容式傳感器分別有著不同的應(yīng)用場(chǎng)合，其所測(cè)的物理量也相對(duì)有一定的區(qū)別。下面分別介紹三種類型的電容式傳感器所測(cè)量的物理量及范圍。2.1變極距型電容傳感器變極距型電容傳感器可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，用來測(cè)量各種導(dǎo)電材料的間隙、長(zhǎng)度、尺寸或位置、振動(dòng)位移等。一般變極距型電容器的起始電容在2°~1°°pF之間，極板間距在25~2°°rm的范圍內(nèi)，最大位移應(yīng)小于間距的1/1°，所以其廣泛應(yīng)用于微位移的測(cè)量，可測(cè)量的位移精度為°.°1?°.1rm。2.2變面積型電容傳感器變面積型電容傳感器通常分為線位移型和角位移型兩大類。其電容改變量與水平位移、角位移呈線性關(guān)系，靈敏度為常數(shù)。根據(jù)此特性，變面積型電容傳感器常用于測(cè)量角位移或者較大的線位移。2.3變介電常數(shù)型電容傳感器由于各種介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)不同，所以在電容器的兩極板插入不同的介質(zhì)時(shí)，電容器的電容量也就不同。利用此特性，變介電常數(shù)型電容傳感器常用于測(cè)量物位及液位，測(cè)量厚度及位移和非導(dǎo)電介質(zhì)的的濕度等。電容式傳感器測(cè)液位的應(yīng)用飛機(jī)電容式燃油測(cè)控系統(tǒng)，利用的是線性燃油傳感器，電容器的電容與極板間的距離及極板面積有關(guān)，同時(shí)還與極板間工作介質(zhì)有關(guān)。圖1所示是一種電容式傳感器電容變化的原理圖。電容有一部分浸入油中，浸入高度隨著油量的多少而變化。電容器浸入部分和伸出油面部分的極板間介質(zhì)不同：其一是燃油；另一是空氣和燃油的混合體。當(dāng)油箱未加油時(shí)，以空氣為介質(zhì)，加油后，則以燃油為介質(zhì)，所以當(dāng)油箱內(nèi)燃油油面高度發(fā)生變化時(shí)，就會(huì)使傳感器電容發(fā)生微小的變化，根據(jù)電容的變化量便可得知油箱內(nèi)油面的高度。電容式傳感器的特點(diǎn)4.1電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)⑴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，易于保證高的精度；可以做得非常小巧，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、以無機(jī)材料作絕緣支承，因此能工作在高低溫、強(qiáng)輻射及強(qiáng)磁場(chǎng)等惡劣的環(huán)境中，可以承受很大的溫度變化，承受高壓力、高沖擊、過載等；能測(cè)超高壓和低壓差，也能對(duì)帶磁工件進(jìn)行測(cè)量。⑵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。⑶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，又由于它的可動(dòng)部分可以做得很小很薄，因此其固有頻率很高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，能在幾兆赫的頻率下工作，特別適合動(dòng)態(tài)測(cè)量。又由于其介質(zhì)損耗小可以用較高頻率供電，因此系統(tǒng)工作頻率高，可用于測(cè)量高速變化的參數(shù)。⑷可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量、具有平均效應(yīng)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。4.2電容式傳感器的缺點(diǎn)⑴輸出阻抗高、負(fù)載能力差電容式傳感器的電容量受其電極幾何尺寸等限制，一般為幾十到幾百皮法，使傳感器的輸出阻抗很高，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，嚴(yán)重時(shí)甚至無法工作。⑵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，這一方面降低了傳感器的靈敏度；另一方面這些電容常常是隨機(jī)變化的，將使傳感器工作不穩(wěn)定，影響測(cè)量精度，其變化量甚至超過被測(cè)量引起的電容變化量，致使傳感器無法工作。電容式傳感器的缺點(diǎn)改進(jìn)措施針對(duì)輸出阻抗高、負(fù)載能力差這一問題，電容式傳感器在工作應(yīng)采取必要的屏蔽措施，加大傳感器絕緣部分的阻值，同時(shí)也要注意周圍溫度、濕度及清潔度的變化對(duì)傳感器性能的影響。針對(duì)寄生電容影響這一問題，可以采用增加初始電容的方法使寄生電容相對(duì)電容傳感器的電容量減小，也可采用“驅(qū)動(dòng)電纜技術(shù)”或整體屏蔽法減少寄生電容，另外采

用集成法也是消除電容傳感器寄生電容干擾的一種有效方法。電容式傳感器的技術(shù)指標(biāo)、生產(chǎn)廠家及參考價(jià)格6.1電容式傳感器的技術(shù)指標(biāo)⑴線性度線性度也稱非線性誤差，是指?jìng)鞲衅鬏敵銮€與標(biāo)準(zhǔn)輸出直線之間的偏離程度。⑵重復(fù)性重復(fù)性是指在同一工作條件下，輸入量按同一方向在全測(cè)量范圍內(nèi)連續(xù)重復(fù)多次所得到的特性曲線的重合程度。重復(fù)性反映的是測(cè)量結(jié)果的偶然誤差的大小，不能用來表示測(cè)量結(jié)果與真值之間的偏離程度。⑶精度等級(jí)精度等級(jí)是指?jìng)鞲衅髟谝?guī)定工作條件下，最大絕對(duì)允許誤差值與相對(duì)儀表測(cè)量范圍的百分?jǐn)?shù)。⑷分辨力分辨力是指?jìng)鞲衅饔行Х直婢o密相鄰量值的能力，即傳感器在規(guī)定測(cè)量范圍內(nèi)所能檢測(cè)出的被測(cè)輸入量的最小變化量。⑸溫度漂移溫度漂移也稱溫漂、溫度穩(wěn)定性，是傳感器在測(cè)量范圍內(nèi)輸出變化受溫度影響的大小。⑹靈敏度靈敏度是指?jìng)鞲衅鞯竭_(dá)穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)，輸出變化量與引起此變化的輸入變化量之比。⑺遲滯遲滯是指?jìng)鞲衅鞯恼?上升)特性和反向(下降)特性不一致的程度，即對(duì)于同樣大小的輸入量，當(dāng)采用的行程方向不同時(shí)，其輸出值之間的差值大小。6.2電容式傳感器的參考價(jià)格及生產(chǎn)廠家品牌恩邦(國(guó)產(chǎn))型號(hào)6E~9E種類壓力線性度0.1~0.25(%F.S.)輸出信號(hào)4~20mA遲滯0.2~0.18(%F.S.)總結(jié)重復(fù)性好靈敏度高漂移小價(jià)格350元/pcs品牌OEM(國(guó)產(chǎn))型號(hào)3151種類壓力材料金屬( 、線性度0.075(%F.S.)輸出信號(hào)數(shù)字型遲滯0.05(%F.S.)重復(fù)性0.05(%F.S.)靈敏度0.02漂移0.1價(jià)格460.00元/pcs品牌SL(國(guó)產(chǎn))型號(hào)SL-133種類陶瓷型壓力變送器測(cè)量范圍0-3000成pa)精度等級(jí)0.25%輸出信號(hào)4-20(mA)價(jià)格800.00元/pcs品牌KAVLICO(德國(guó))型號(hào)CCPS32/18種類壓力線性度0.2(%F.S.)輸出信號(hào)模擬型遲滯0.2(%F.S.)重復(fù)性0.2(%F.S.)靈敏度0.2漂移0.2價(jià)格450.00元/pcs品牌INFICON（德國(guó)）型號(hào)CDG100A種類數(shù)字壓力計(jì)測(cè)量范圍100(Kpa)精度等級(jí)1隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，電容式傳感價(jià)格888.00元/pcs器的缺點(diǎn)將會(huì)被不斷地克服；電容式傳感器的應(yīng)用也將會(huì)越來越廣泛。總之，隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，電容式傳感器的性能將會(huì)進(jìn)一步地提高；隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的成熟，電容傳感器也將向著小型化、智能化、多功能化的方向發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，電容式傳感參考文獻(xiàn)蒙文舜，楊運(yùn)經(jīng),劉云鵬.電容式傳感器的原理及應(yīng)用.現(xiàn)代電子技術(shù),2003(7)劉麗娟.新型電容傳感器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì).遼寧師范大學(xué)學(xué)報(bào),2000(3)張白莉.電容式傳感器的應(yīng)用和發(fā)展.忻州師范學(xué)院學(xué)報(bào),2005(2)陳煥眾，黃志雄.電容傳感器的原理及應(yīng)用.讀寫算,2010(15)張紅潤(rùn)，張凡亞.傳感技術(shù)與實(shí)驗(yàn)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.課程教學(xué)的建議及體會(huì)：傳感器這門課由于傳感器種類繁多，每種傳感器基本上講的都是原理及應(yīng)用，所以內(nèi)容相對(duì)較為枯燥。個(gè)人覺得應(yīng)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，每學(xué)完一種傳感器，安排相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，從而加深學(xué)生對(duì)此種傳感器的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也會(huì)相應(yīng)地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。而現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生在一次實(shí)驗(yàn)中把所有