電容式傳感器是以各種類型的電容器作為傳感元件,將被測物理量或機械量轉換成為電容量變化的一種轉換裝置,實際上就是一個具有可變參數的電容器。電容式傳感器廣泛用于位移、角度、振動、速度、壓力、成分分析、介質特性等方面的測量。最常用的是平行板型電容器或圓筒型電容器。
電容式傳感器的優點
與電阻式、電感式等傳感器相比,電容式傳感器具有以下一些優點。
1、溫度穩定性好
電容式傳感器的電容值一般與電極材料無關,僅取決于電極的幾何尺寸,且空氣等介質損耗很小,其他因素影響甚微(因本身發熱極小)。而電阻式傳感器有電阻,工作時會產生大量熱量,不僅損失能量,而且造成元件發熱,縮短了使用壽命。
2、結構簡單,適應性強
電容式傳感器結構簡單,易于制造,能在高低退、強輻射及強磁場等各種惡劣的環境條件下工作,適應能力強,尤其可以承受很大的溫度變化,在高壓力、高沖擊、過載等悄況下都能正常工作,能測超大量的高壓和低壓差,能對帶進工件進行測量。此外,為實現某些特殊要求的測量還可以把傳感器的體積做得很小。
3、動態響應好
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,又由于它的可動部分可以做得很小很薄,即質量很輕,因此其固有頻率很高,動態響應時間短,能在幾兆赫的頗率下工作,特別適合動態測量。又由于其介質損耗小,可以用較高頻率供電,因此系統工作頻率高,可用于測量高速變化的參數,如測量振動、瞬時壓力等。
4、可以實現非接觸測量,具有平均效應
當被測件不允許接觸測量時,電容式傳感器可以進行非接觸測量。這種情況下,電容式傳感器具有平均效應,可以減小工件表面粗糙度等對測量的影響。
電容式傳感器除上述優點之外,還因帶電極板間的靜電引力極小,因此所需輸入能量極小,特別適宜低能量輸入的測量,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,分辨力非常高,能感受。0.Olmm甚至更小的位移。
電容式傳感器的缺點
1、輸出阻抗高,負載能力差
電容式傳感器的容盆受其電極幾何尺寸等限制一般做得不大(為幾十到幾百皮法,使傳感器的輸出阻抗很高。因此電容式傳感器負載能力差,易受外界干擾影響而產生不穩定現象,嚴重時甚至無法工作,必須采取屏蔽措施。容杭大還要求傳感器絕緣部分的電阻值極高(幾十兆歐以上),否則絕緣部分將作為旁路電阻而形響傳感器的性能(如靈敏度降低),為此還要特別注意周圍環境(如溫濕度、清潔度等)對絕緣性能的影響。高頻供電雖然可降低傳感器的輸出阻抗,但放大、傳箱遠比低頻時復雜,且寄生電容形響加大,難以保證工作穩定。
2、寄生電容影響大
電容式傳感器的初始電容最很小,而其引線電纜電容、測量電路的雜散電容以及傳感器極板與其周圍導體構成的電容等“寄生電容”卻較大,這不僅降低了傳感器的靈敏度,而且這些電容(如電纜電容)常常是隨機變化的,將使傳感器的工作很不穩定,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、接法等都有嚴格的要求。
3、輸出特性非線性
變極距型電容傳感器的輸出特性是非線性的,雖可采用差動結構來改善,但不可能完全消除。其他類型的電容傳感器只有忽略了電場的邊緣效應時,輸出特性才呈線性;否則邊緣效應所產生的附加電容址將與傳感器電容址直接處加,使輸出特性非線性。
隨著材料、工藝、電子技術,特別是集成電路的高速發展,電容式傳感器的優點將得到發揚而缺點會不斷得到克服,電容式傳感器正逐漸成為一種高靈敏度、高梢度,在動態、低壓及一些特殊測量方面大有發展前途的傳感器。