施克2014年第三季客戶雜志發(fā)布 SICK電容式傳感器工作原理SICK電容式接近傳感器是代替限位開關(guān)等接觸式檢測方式，以無需接觸檢測對象進行檢測為目的的傳感器的總稱。能檢測對象的移動信息和存在信息轉(zhuǎn)換為電氣信號。在換為電氣信號的檢測方式中，包括利用電磁感應(yīng)引起的檢測對象的金屬體中產(chǎn)生的渦電流的方式、捕測體的接近引起的電氣信號的容量變化的方式、利石和引導(dǎo)開關(guān)的方式。 在JIS規(guī)格中，根據(jù)IEC60947-5-2的非接觸式位置檢測用開關(guān)，制定了JIS規(guī)格（JIS C 8201-5-2低壓開關(guān)裝置及控制裝置、第5控制電路機器及開關(guān)元件、第2節(jié)接近開關(guān)）。在JIS的定義中，在傳感器中也能以非接觸方式檢測到物體的接近和附近檢測對象有無的產(chǎn)品總稱為“接近開關(guān)”，由感應(yīng)型、靜電容量型、超聲波型、光電型、磁力型等構(gòu)成。在本技術(shù)指南中，將檢測金屬存在的感應(yīng)型接近傳感器、檢測金屬及非金屬物體存在的靜電容量型接近傳感器、利用磁力產(chǎn)生的直流磁場的開關(guān)定義為“接近傳感器”。 SICK電容式傳感器工作原理SICK傳感器的應(yīng)用方面可用來測量直線位移、角位移、振動振幅，尤其適合測量高頻振動振幅、精密軸系回轉(zhuǎn)精度、加速度等機械量；還可用來測量壓力、壓差、液位、料面、成分含量(如油、糧食中的含水量)、非金屬材料的涂層、油膜等的厚度，測量電介質(zhì)的濕度、密度、厚度等等，在自動檢測和控制系統(tǒng)中也常常用來作為位置信號發(fā)生器。電容式傳感器是將被測量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種裝置，它本身就是一種可變電容器。由于這種傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小，動態(tài)響應(yīng)好，靈敏度高，分辨率高，能實現(xiàn)非接觸測量等特點，因而被廣泛應(yīng)用于位移、加速度、振動、壓力、壓差、液位、等分含量等檢測領(lǐng)域。 這里主要介紹電容式傳感器的原理、結(jié)構(gòu)類型、測量電路及其工程應(yīng)用。當被測量的變化使S、d或ε任意一個參數(shù)發(fā)生變化時，電容量也隨之而變，從而完成了由被測量到電容量的轉(zhuǎn)換。 根據(jù)當式中的三個參數(shù)中兩個固定，一個可變，使得電容式傳感器有三種基本類型：變極距型電容傳感器、變面積型電容傳感器和變介電常數(shù)型電容傳感器。電容式傳感器的測量電路就是將電容式傳感器看成一個電容并轉(zhuǎn)換成電壓或其他電量的電路。因此，常用的測量電路主要有橋式電路、調(diào)頻電路、脈沖寬度制電路、運算放大器電路、二極管雙T形交流電橋和環(huán)行二極管充放電法等。調(diào)頻電路實際是把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分,當輸入量導(dǎo)致電容量發(fā)生變化時，振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化。雖然可將頻率作為測量系統(tǒng)的輸出量，用以判斷被測非電量的大小，但此時系統(tǒng)是非線性的，不易校正，因此必須加入鑒頻器，將頻率的變化轉(zhuǎn)換為電壓振幅的變化，經(jīng)過放大就可以用儀器指示或記錄儀記錄下來。 SICK電容式傳感器工作原理 調(diào)頻電容傳感器測量電路具有較高的靈敏度，可以測量高至0.01μm級位移變化量。信號的輸出頻率易于用數(shù)字儀器測量，并與計算機通信，抗干擾能力強，可以發(fā)送、接收以達到遙測遙控的目的。 因此，在實際應(yīng)用中，常采用差動式結(jié)構(gòu)，既使靈敏度提高1倍，又使非線性誤差大大降低，抗干擾能力增強。 電容式傳感器具有如下特點。 (1)結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強 電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡單，易于制造，精度高;可以做得很小，以實現(xiàn)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(huán)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(tài)響應(yīng)好 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(zhì)量輕，因此固有頻率高，動態(tài)響應(yīng)時間短，能在幾兆赫的頻率下工作，特適合于動態(tài)測量;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)，如振動等。 (3)分辨率高 由于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0.001μm，甚至更小的位移。 (4)溫度穩(wěn)定性好 電容式傳感器的電容值一般與電極材料無關(guān)，有利于選擇溫度系數(shù)低的材料，又由于本身發(fā)熱極小，因此影響穩(wěn)定性也極微小。 (5)可實現(xiàn)非接觸測量、具有平均效應(yīng) 如回轉(zhuǎn)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，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測量的影響。 不足之處是輸出阻抗高，負載能力差，電容傳感器的電容量受其電極幾何尺寸等限制，一般為幾十皮法到幾百皮法，使傳感器輸出阻抗很高，尤其當采用音頻范圍內(nèi)的交流電源時，輸出阻抗更高，因此傳感器負載能力差，易受外界干擾影響而產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象;寄生電容影響大，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、測量電路的雜散電容以及傳感器極板與其周圍導(dǎo)體構(gòu)成的電容等“寄生電容”卻較大，降低了傳感器的靈敏度，破壞了穩(wěn)定性，影響測量精度，因此對電纜的選擇、安裝、接法都要有要求。 施克電容式傳感器可用來測量直線位移、角位移、振動振幅(測至0.05μm的微小振幅)，尤其適合測量高頻振動振幅、精密軸系回轉(zhuǎn)精度、加速度等機械量，還可用來測量壓力、差壓力、液位、料面、糧食中的水分含量、非金屬材料的涂層、油膜厚度、測量電介質(zhì)的濕度、密度、厚度等。在自動檢測和控制系統(tǒng)中也常常用來作為位置信號發(fā)生器。 施克2014年第三季客戶雜志發(fā)布
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