IFM电容式传感器工作原理和优点

    IFM电容式传感器工作原理和优点
    IFM电容式传感器优点是结构简单,价格便宜，灵敏度高，零磁滞，真空兼容，过载能力强，动态响应特性好和对高温、辐射、强振等恶劣条件的适应性强等。缺点是输出有非线性，寄生电容和分布电容对灵敏度和测量精度的影响较大，以及联接电路较复杂等。
    IFM电容传感器介绍：用电测法测量非电学量时，首先必须将被测的非电学量转换为电学量而后输入之。通常把非电学量变换成电学量的元件称为变换器；根据不同非电学量的特点设计成的有关转换装置称为传感器，而被测的力学量（如位移、力、速度等）转换成电容变化的传感器称为IFM电容传感器。从能量转换的角度而言，电容变换器为无源变换器，需要将所测的力学量转换成电压或电流后进行放大和处理。力学量中的线位移、角位移、间隔、距离、厚度、拉伸、压缩、膨胀、变形等无不与长度有着密切的量；这些量又都是通过长度或者长度比值进行测量的量，而其测量方法的相互关系也很密切。另外，在有些条件下，这些力学量变化相当缓慢，而且变化范围极小，如果要求测量极小距离或位移时要有较高的分辨率，其他传感器很难做到实现高分辨率要求，在精密测量中所普遍使用的差动变压器传感器的分辨率仅达到1～5 μm数量级；而有一种电容测微仪，他的分辨率为0.01 μm，比前者提高了两个数量级，zui大量程为100±5 μm，因此他在精密小位移测量中受到青睐。
    IFM电容传感器也属于具有开关量输出的位置传感器，是一种接近式开关。它的测量头通常是构成电容器的一个极板，而另一个极板是待测物体的本身。当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化。由此，便可控制开关的接通和关断。
    IFM电容式传感器与电阻式、电感式等传感器相比有如下一些优点：
    (1)高阻抗、小功率,因而所需的输入力很小，输人能量也很低。电容式传感器因带电极板 间静电引力极小(约几个10-5 N)，因此所需输入能量极小，所以特别适宜用来解决输入能量低的 测量问题，例如测量极低的压力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很灵敏,分辨力非常髙，能 感受0.001μm甚至更小的位移。
    (2)温度稳定性好。传感器的电容值一般与电极材料无关，有利于选择温度系数低的材料， 又因本身发热极小，对稳定性影响甚微。
    (3)结构简单，适应性强，待测体是导体或半导体均可,可在恶劣环境中工作。电容式传感 器结构简单,易于制造,可做得非常小巧，以实现某些特殊的测量;能工作在高低温、强辐射及强 磁场等恶劣的环境中，也能对带有磁性的工件进行测量。
    (4)动态响应好。由于极板间的静电引力很小，可动部分做得很小很薄，因此其固有频率很 高，动态响应时间短，能在几兆赫的频率下工作，特别适合动态测量，如测量振动、瞬时压力等。
    (5)可以实现非接触测量，具有平均效应。例如非接触测量回转轴的振动或偏心、小型滚珠 轴承的径向间隙等。当采用非接触测量时,电容式传感器具有平均效应，可以减小工作表面粗糙 等对测量的影响。
    IFM电容式传感器存在的不足之处如下：
    (1)输出阻抗高，负载能力差。
    (2)寄生电容影响大。
    IFM电容式传感器的初始电容量很小,而传感器的引线电缆电容(lm~2m导线可达800 pF)、测 量电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电容等“寄生电容”却较大，这一方面降 低了传感器的灵敏度;另一方面这些电容(如电缆电容)常常是随机变化的，将使传感器工作不稳 定，影响测量精度，其变化量甚至超过被测量引起的电容变化量，致使传感器无法工作。因此对 电缆的选择、安装、接法都要有要求。
    为减小电缆分布电容影响，可将电子线 路的前级装在离传感器敏感部分很近的地 方，或采用所谓“双层屏蔽等电位传输技术”，
    又称“驱动电缆”技术。这种方法的基本思路 是:连接电缆采用内外双层屏蔽，使内屏蔽层 与被屏蔽的导线电位相同，因而两者之间没 有容性电流存在，这样使引线与内屏蔽之间 的电缆电容不起作用，外屏蔽仍被接地而对 外界电场起屏蔽作用，其原理如图5 - 15所 示。外屏蔽接地后，对地之间电容将成为1:1放大器的负载，它也与电容式传感器的电 容无关。这样无论电缆形状和位置如何变化，都不会对传感器的工作产生影响。
    IFM电容式传感器两点注意：
    工作频率等于或接近谐振频率时，谐振频率破坏了电容的正常作用。因此，工作频率应该先择低于谐振频率。
    IFM电容式传感器的有效电容除与位移有关外，还与角频率有关。因此，在实际应用时必须与标定的条件（ω）相同。
    IFM电容传感器的特点：电容量小，变化更小（PF级）。理论上，交流电桥可作为IFM电容传感器的测量电路，但由于电容及变化太小，不易实现。包括（1）调频电路（2）运算放大器式电路（3）二极管双T形交流电桥（4）脉冲宽度调制电路
    调频电路
    IFM电容式传感器使用注意一：
    （1）转换电路生成频率信号，可远距离传输不受干扰。
    （2）具有较高的灵敏度，可以测量高至0.01μm级位移变化量。
    （3）但非线性较差，可通过鉴频器（频压转换）转化为电压信号后，进行补偿。
    IFM电容式传感器使用注意二：
    （1）解决了单个变极板间距离式IFM电容传感器的非线性问题
    （2）要求Zi及放大倍数足够大
    （3）为保证仪器精度，还要求电源电压的幅值和固定电容稳定
    （4）由于Cx变化小，所以该电路实现起来困难
    （5）输入阻抗高（避免泄漏）、放大倍数大（接近理想放大器）
    IFM电容式传感器特点:
    1．IFM电容式传感器所具有的优点1)结构简单，适应性强电容式传感器结构简单，易于制造，精度高，可以做得很小，以实现某些特殊的测量。电容式传感器一般用金属作电极，以无机材料作绝缘支承，因此可工作在高低温、强辐射及强磁场等恶劣的环境中，能承受很大的温度变化，承受高压力、高冲击、过载等，能测超高压和低压差。
    2)动态响应好IFM电容式传感器由于极板间的静电引力很小，需要的作用能量极小，可动部分可以做得小而薄，质量轻，因此固有频率高，动态响应时间短，能在几兆赫的频率下工作，特别适合于动态测量。电容式传感器可以用较高频率供电，因此系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数，如测量振动、瞬时压力等。
    3)分辨率高由于IFM传感器的带电极板间的引力极小，需要输入能量低，所以特别适合于用来解决输入能量低的问题，如测量极小的压力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很灵敏，分辨力非常高，能感受0. 001 pm，甚至更小的位移。
    4)温度稳定性好IFM电容式传感器的电容值一般与电极材料无关，仅取决于电极的几何尺寸，介质损耗非常小。应选择温度系数低的材料，其本身发热极小，因此影响稳定性也极微小。
    5)可窦现非接触测量、具有平均效应在被测试件不能受力、高速运动、表面不连续，以及表面不允许有划痕等情况下，传感器不能与被测试件有接触，电容式传感器就可以完成这样的测量任务。如回转轴的振动或偏心、小型滚珠轴承的径向间隙等，采用非接触测量时，IFM电容式传感器具有平均效应，可以减小工件表面粗糙度等对测量的影响。
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