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電容傳感器的原理及應(yīng)用
來源: 日期:2013-11-19 19:17:33 人氣:標(biāo)簽:
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聯(lián)系的量;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(shí)要有較高的分辨率,其他傳感器很難做到實(shí)現(xiàn)高分辨率要求,在精密測量中所普遍使用的差動(dòng)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(gè)數(shù)量級, 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(jìn)行檢測比較適宜,主要是這類傳感器具有以下突出優(yōu)點(diǎn):
(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(dá)10-7數(shù)量級;
(3)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快因其可動(dòng)質(zhì)量小,固有頻率高,高頻特性既適宜動(dòng)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(jī)材料,如空氣、玻璃、陶瓷、石英等;因此可以在高溫、低溫強(qiáng)磁場、強(qiáng)幅射下長期工作,尤其是解決高溫高壓環(huán)境下的檢測難題。
2原理及應(yīng)用
電容傳感器的工作原理是利用力學(xué)量變化使電容器中其中的一個(gè)參數(shù)發(fā)生變化的方法來實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換的。根據(jù)改變電容器的參數(shù)不同,電容傳感器可有3類:
2.1改變極板遮蓋面積的電容傳感器
圖1是3種這類傳感器的原理圖,圖1(a)中是利用角位移來改變電容器極板遮蓋面積。假定當(dāng)2塊極板完全遮蓋時(shí)的面積為s0,兩極板間的距離為d,極板間介質(zhì)的介電常數(shù)為ε。當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時(shí),該電容器的電容量為:
如果其中一塊板極相對另一極板轉(zhuǎn)過θ角,則極板間的相互遮蓋面積為:
可見,此電容量的變化值和角位移成正比,以此用來測量角位移。
圖1(b)中是利用線位移來改變電容器極板的遮蓋面積的。如果初始狀態(tài)極板全部遮蓋,則遮蓋面積s0=ab,當(dāng)2塊極板相對位移x時(shí),則極板的遮蓋面積變?yōu)閟1=b(a-x)。在介電常數(shù)和極板距離不變時(shí),電容量分別為:
可見,此電容量的變化值和線位移x成正比,用他來測量各類線位移。
圖1(c)所示電容變換器是圖1(b)所示電容器的變種。采用這種鋸齒形電極的目的在于提高傳感器的靈敏度。若鋸齒數(shù)為n,尺寸如圖1(b)所示不變,當(dāng)運(yùn)動(dòng)齒相對于固定齒移動(dòng)一個(gè)位移x時(shí),則可得:
比較式(2)和式(3)可見,靈敏度提高了n倍。
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