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以實(shí)現(xiàn)某些特殊的測(cè)量的德國(guó)TURCK圖爾克電容式傳感器可以做得非常小巧
將被測(cè)物理量或機(jī)械量轉(zhuǎn)換成為電容變化量變化的一種轉(zhuǎn)換裝置,實(shí)際上就是一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器。TURCK電容式傳感器廣泛用于位移、角度、振動(dòng)、速度、壓力、成分分析、介質(zhì)特性等方面的測(cè)量。的是平行板型電容器或圓筒型電容器。
70年代末以來(lái),隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了與微型測(cè)量?jī)x表封裝在一起的TURCK電容式傳感器。這種新型的傳感器能使分布電容的影響大為減小,使其固有的缺點(diǎn)得到克服。TURCK電容式傳感器是一種用途極廣,很有發(fā)展?jié)摿Φ膫鞲衅鳌?/p>
典型的TURCK電容式傳感器由上下電極、絕緣體和襯底構(gòu)成。當(dāng)薄膜受壓力作用時(shí),薄膜會(huì)發(fā)生一定的變形,因此,上下電極之間的距離發(fā)生一定的變化,從而使電容發(fā)生變化。但電容式壓力傳感器的電容與上下電極之間的距離的關(guān)系是非線性關(guān)系,因此,要用具有補(bǔ)償功能的測(cè)量電路對(duì)輸出電容進(jìn)行非線性補(bǔ)償。
TURCK電容式傳感器也常常被人們稱為電容式物位計(jì),電容式物位計(jì)的電容檢測(cè)元件是根據(jù)圓筒形電容器原理進(jìn)行工作的,電容器由兩個(gè)絕緣的同軸圓柱極板內(nèi)電極和外電極組成,在兩筒之間充以介電常數(shù)為ε的電解質(zhì)時(shí),兩圓筒間的電容量為
式中L為兩筒相互重合部分的長(zhǎng)度;D為外筒電極的直徑;d為內(nèi)筒電極的直徑;e為中間介質(zhì)的電介常數(shù)。在實(shí)際測(cè)量中D、d、e是基本不變的,故測(cè)得C即可知道液位的高低,這也是TURCK電容式傳感器具有使用方便,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和靈敏度高,價(jià)格便宜等特點(diǎn)的原因之一。
TURCK電容式傳感器是以各種類型的電容器作為傳感元件,由于被測(cè)量變化將導(dǎo)致電容器電容量變化,通過(guò)測(cè)量電路,可把電容量的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。測(cè)知電信號(hào)的大小,可判斷被測(cè)量的大小。這就是TURCK電容式傳感器的基本工作原理。
根據(jù)傳感器的工作原理可把TURCK電容式傳感器分為變極距型、變面積型和變介質(zhì)型三種類型。
根據(jù)傳感器的結(jié)構(gòu)可把TURCK電容式傳感器分為三種類型的結(jié)構(gòu)形式。它們又可按位移的形式分為線位移和角位移兩種,每一種又依據(jù)傳感器極板形狀分成平(圓形)板形和圓柱(圓筒)形,雖然還有球面形和鋸齒形等其他形狀,但一般很少用。其中差動(dòng)式一般優(yōu)于單組(單邊)式傳感器,它具有靈敏度高、線性范圍寬、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。
1)溫度穩(wěn)定性好
TURCK電容式傳感器的電容值一般與電極材料無(wú)關(guān),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(chǎn)生零漂。
2)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單
TURCK電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于制造和保證高的精度,可以做得非常小巧,以實(shí)現(xiàn)某些特殊的測(cè)量;能工作在高溫,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(guò)載等;能測(cè)量超高溫和低壓差,也能對(duì)帶磁工作進(jìn)行測(cè)量。
3)動(dòng)態(tài)響應(yīng)好
TURCK電容式傳感器由于帶電極板間的靜電引力很小(約幾個(gè)10^(-5)N),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,即質(zhì)量很輕,因此其固有頻率很高,動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短,能在幾兆赫茲的頻率下工作,特別適用于動(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。它可用于測(cè)量高速變化的參數(shù)。
4)可以非接觸測(cè)量且靈敏度高
可非接觸測(cè)量回轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)或偏心率、小型滾珠軸承的徑向間隙等。當(dāng)采用非接觸測(cè)量時(shí),TURCK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。
TURCK電容式傳感器除了上述的優(yōu)點(diǎn)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(cè)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(yīng)0.01μm甚至更小的位移。由于其空氣等介質(zhì)損耗小,采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)并接成電橋式時(shí)產(chǎn)生的零殘極小,因此允許電路進(jìn)行高倍率放大,使儀器具有很高的靈敏度。
①輸出阻抗高,負(fù)載能力差。
無(wú)論何種類型的TURCK電容式傳感器,受電極板幾何尺寸的限制,其電容量都很小,一般為幾十到幾百皮法(pF),因此使TURCK電容式傳感器的輸出阻抗很高,可達(dá) ~ Ω。由于輸出阻抗很高,因而輸出功率小,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(wú)法工作。
②寄生電容影響大。
TURCK電容式傳感器的初始電容量很小,而連接傳感器和電子線路的引線電纜電容、電子線路的雜散電容以及電容極板與周圍導(dǎo)體構(gòu)成的電容等寄生電容卻較大。寄生電容的存在不但降低了測(cè)量靈敏度,而且引起非線性輸出。由于寄生電容是隨機(jī)變化的.因而使傳感器處于不穩(wěn)定的工作狀態(tài).影響測(cè)量準(zhǔn)確度。
TURCK電容式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耐高溫、耐輻射、分辨率高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好等優(yōu)點(diǎn),廣泛用于壓力、位移、加速度、厚度、振動(dòng)、液位等測(cè)量中。但在使用中要注意以下幾個(gè)方面對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響:①減小環(huán)境溫度、濕度變化(可能引起某些介質(zhì)的介電常數(shù)或極板的幾何尺寸、相對(duì)位置發(fā)生變化);②減小邊緣效應(yīng);③減少寄生電容;④使用屏蔽電極并接地(對(duì)敏感電極的電場(chǎng)起保護(hù)作用,與外電場(chǎng)隔離);⑤注意漏電阻、激勵(lì)頻率和極板支架材料的絕緣性。