IFM電容式傳感器工作原理和優點

    IFM電容式傳感器工作原理和優點
    IFM電容式傳感器優點是結構簡單,價格便宜，靈敏度高，零磁滯，真空兼容，過載能力強，動態響應特性好和對高溫、輻射、強振等惡劣條件的適應性強等。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，以及聯接電路較復雜等。
    IFM電容傳感器介紹：用電測法測量非電學量時，首先必須將被測的非電學量轉換為電學量而后輸入之。通常把非電學量變換成電學量的元件稱為變換器；根據不同非電學量的特點設計成的有關轉換裝置稱為傳感器，而被測的力學量（如位移、力、速度等）轉換成電容變化的傳感器稱為IFM電容傳感器。從能量轉換的角度而言，電容變換器為無源變換器，需要將所測的力學量轉換成電壓或電流后進行放大和處理。力學量中的線位移、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行測量的量，而其測量方法的相互關系也很密切。另外，在有些條件下，這些力學量變化相當緩慢，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到1～5 μm數量級；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量輸出的位置傳感器，是一種接近式開關。它的測量頭通常是構成電容器的一個極板，而另一個極板是待測物體的本身。當物體移向接近開關時，物體和接近開關的介電常數發生變化，使得和測量頭相連的電路狀態也隨之發生變化。由此，便可控制開關的接通和關斷。
    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)溫度穩定性好。傳感器的電容值一般與電極材料無關，有利于選擇溫度系數低的材料， 又因本身發熱極小，對穩定性影響甚微。
    (3)結構簡單，適應性強，待測體是導體或半導體均可,可在惡劣環境中工作。電容式傳感 器結構簡單,易于制造,可做得非常小巧，以實現某些特殊的測量;能工作在高低溫、強輻射及強 磁場等惡劣的環境中，也能對帶有磁性的工件進行測量。
    (4)動態響應好。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，動態響應時間短，能在幾兆赫的頻率下工作，特別適合動態測量，如測量振動、瞬時壓力等。
    (5)可以實現非接觸測量，具有平均效應。例如非接觸測量回轉軸的振動或偏心、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導線可達800 pF)、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)常常是隨機變化的，將使傳感器工作不穩 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”，
    又稱“驅動電纜”技術。這種方法的基本思路 是:連接電纜采用內外雙層屏蔽，使內屏蔽層 與被屏蔽的導線電位相同，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放大器的負載，它也與電容式傳感器的電 容無關。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外，還與角頻率有關。因此，在實際應用時必須與標定的條件（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。包括（1）調頻電路（2）運算放大器式電路（3）二極管雙T形交流電橋（4）脈沖寬度調制電路
    調頻電路
    IFM電容式傳感器使用注意一：
    （1）轉換電路生成頻率信號，可遠距離傳輸不受干擾。
    （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（頻壓轉換）轉化為電壓信號后，進行補償。
    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定
    （4）由于Cx變化小，所以該電路實現起來困難
    （5）輸入阻抗高（避免泄漏）、放大倍數大（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點1)結構簡單，適應性強電容式傳感器結構簡單，易于制造，精度高，可以做得很小，以實現某些特殊的測量。電容式傳感器一般用金屬作電極，以無機材料作絕緣支承，因此可工作在高低溫、強輻射及強磁場等惡劣的環境中，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)動態響應好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，質量輕，因此固有頻率高，動態響應時間短，能在幾兆赫的頻率下工作，特別適合于動態測量。電容式傳感器可以用較高頻率供電，因此系統工作頻率高。它可用于測量高速變化的參數，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)溫度穩定性好IFM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，介質損耗非常小。應選擇溫度系數低的材料，其本身發熱極小，因此影響穩定性也極微小。
    5)可竇現非接觸測量、具有平均效應在被測試件不能受力、高速運動、表面不連續，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。如回轉軸的振動或偏心、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，可以減小工件表面粗糙度等對測量的影響。
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