傳感器的優(yōu)點有哪些?
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變化量變化的一種轉換裝置,實際上就是一個具有可變參數(shù)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。的是平行板型電容器或圓筒型電容器。
1)傳感器的電容值一般與電極材料無關,這有利于選擇溫度系數(shù)低的材料,又因本身發(fā)熱極小,影響穩(wěn)定性甚微。而電阻傳感器有銅損,易發(fā)熱產生零漂。
2)結構簡單
傳感器結構簡單,易于制造和保證高的精度,可以做得非常小巧,以實現(xiàn)某些特殊的測量;能工作在高溫,強輻射及強磁場等惡劣的環(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;能測量超高溫和低壓差,也能對帶磁工作進行測量。
3)動態(tài)響應好
傳感器由于帶電極板間的靜電引力很小(約幾個10^(-5)N),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(tài)響應時間短,能在幾兆赫茲的頻率下工作,特別適用于動態(tài)測量。又由于其介質損耗小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)。
4)可以非接觸測量且靈敏度高
可非接觸測量回轉軸的振動或偏心率、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,可以減小工件表面粗糙度等對測量的影響。
傳感器除了上述的優(yōu)點外,還因其帶電極板間的靜電引力很小,所需輸入力和輸入能量極小,因而可測極低的壓力、力和很小的加速度、位移等,可以做得很靈敏,分辨力高,能感應0.01μm甚至更小的位移。由于其空氣等介質損耗小,采用差動結構并接成電橋式時產生的零殘極小,因此允許電路進行高倍率放大,使儀器具有很高的靈敏度。
是一種將被測非電量的變化轉換為電容量變化的傳感器,它結構簡單,體積小,分辨率高,具有平均效應,測量精度高,可實現(xiàn)非接觸測量,并能在高溫、輻射和強烈振動等惡劣條件下工作,廣泛應用于壓力、差壓、液位、振動、位移、加速度、成分含量等方面的測量。
傳感器成一個電容器,若忽略其邊緣效應,其電容量為
式中,ε為電容極板間介質的介質參數(shù),ε=ε0εr,其中ε0 真空介電參數(shù),εr為極板間介質的相對介電常數(shù);S為兩平板所覆蓋的面積;d為兩平行板之間的距離。
由式中可見,當S,d,和ε中任一參數(shù)發(fā)生變化時,電容量C也隨之發(fā)生變化,通過測量電路就可以轉換為電量輸出。因此,電容式傳感器可分為變極距型、變面積型和變介電常數(shù)型3種。
傳感器分為可動極板,一般稱為動片和固定極板,當動片因被測量變化引起移動時,就改變了兩極板間的距離d,從而使電容量發(fā)生變化。設初始極距為d,則
若電容器極板距離由初始值d縮小Δd不是線性關系。但是,若時。則式可以簡化為
此時,C與Δd近似為線性關系,所以變極距型電容式傳感器只有在Δd/d很小時,才有近似的線性關系,一般最大位移應小于間距的1/10。
在實際應用中,為了改善非線性、提高靈敏度和減少外界干擾的影響,電容傳感器常做成差動形式。
變面積型電容傳感器
被測量變化導致動極板移動,引起兩極板間有效覆蓋面積S的變化,從而得到電容量的變化。當動極板相對于定極板沿著長度方向平移Δx時,其電容變化量化為
式中,C0=ε0εrba/d,為初始電容;a為極板長度;b為極板寬度;Δx為極板水平位移。可見ΔC與Δx間成線性關系。
當動極板有一個角位移θ時,與定極板間有效覆蓋面積發(fā)生變化,從而改變了兩極板間的電容量。當θ=0時有
式中,εr為介質相對介電常數(shù);d0為兩極板間的距離;S0為兩極板間初始覆蓋面積。
傳感器電容量C與角位移θ間成線性關系。
變介電常數(shù)型電容傳感器
傳感器的介電常數(shù)為ε1,液面高度為h,傳感器總高度為H,內筒外徑為d,外筒內徑為D,此時電容值為
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