什么是电容式位置传感器?

电容传感已经存在了50多年。本文介绍了电容传感的特点、电容传感器的性能特点和夹具。

电容式传感器的特性

非接触式位移测量可以使用电容传感器在适当的范围内快速、高精度地进行。

其主要特点是：

• 电容传感是一种非接触测量方法。由于系统未与零件接触，因此没有见证痕迹、零件变形或探针磨损。由于没有传感器循环时间，因此可以实现高容量测量。
• 电容传感器测量速度快。它们是高带宽测量应用和高容量排序应用的理想选择。
• 电容式传感器提供了非常高的分辨率，只有激光干涉仪才能与之匹配。一般分辨率范围为0.1 nm（0.004针）至50 nm（2针），工作范围通常小于3 mm（1/8”）。

操作原理

当两个平行的导电板彼此靠近并向其中一个板提供电荷时，形成电容器。电流通过板之间的间隙传输。通过间隙的电流量由极板的面积、分隔极板的材料、电压和极板之间的距离确定。

Q的定义为：Q=C*V

哪里：

Q=电流（安培），C=电容（法拉），V=电压

电容（C）如下所示：

C=K*E0*A/D

哪里：

C=电容（法拉）

K=板间材料的介电常数

A.电容式传感器可定义为确定两个平行板位移的装置，其中一个是传感器，另一个是传感器测量的对象。

图1。简易电容传感器（侧视图）

图2显示了标准传感器配置，图3显示了传感器侧视图。

图2。典型传感器配置

图3。传感器侧视图-护环保护传感器

电容式传感器的类型

有两种类型的电容传感器：

• 活跃的
• 消极的

主动系统不受电缆长度限制。它们工作在更高的输出带宽和更高的频率。它们适用于目标上可能包含杂散电噪声的应用，如主轴损耗分析。有源系统的缺点包括配置灵活性较低和成本较高。

被动系统具有一定的优势。它们在稳定性、探头配置和更低成本方面提供了更高的灵活性。它们的缺点是较低的带宽、电缆长度限制和较低的驱动频率，这使得它们不适合某些应用。

传感器尺寸

传感器尺寸越大，分辨率越高。传感器尺寸的选择取决于目标的尺寸。传感器的尺寸必须尽可能大。

作为一项基本规则，当传感器面积增加一倍时，均方根噪声将减半。传感器尺寸也会影响范围。传感器越大，其实际范围越大。作为圆形传感器的标准规则，传感器直径不得小于最大范围的四倍。

图4。根据目标形状确定传感器尺寸

空间分辨率

较大传感器的一个关键缺点是空间分辨率降低。电容式传感器捕捉传感器下表面的平均读数。较小的传感器可以识别组件上较小的特征。

图5。传感器尺寸决定空间分辨率

射程和对峙

从探头表面到范围中心的距离称为距离。这是一个估计的距离。范围是探头的测量范围。电容测量系统的通常范围为+/-10µm（+/-0.0004”）至+/-1000µm（+/-0.040”）。在特殊情况下，范围可能超过25毫米（1英寸）。

图6。射程和对峙

决议

分辨率是在特定带宽下可以测量到的最小位移增量。根据MicroSense的说法，分辨率是一个均方根值，因为它是用真正的均方根测量仪测量的，它提供了一个清晰的结果。

带宽

非接触电容测量的一个重要优点是能够测量高速运动。主轴分析、伺服控制和振动分析等应用通常需要能够测量非常小和非常快速的运动。主动系统，如本5810MicroSense 6810可处理滤波器带宽高达100 kHz的极具挑战性的应用。诸如MicroSense 8810和MicroSense 4810等无源系统在高达20 kHz的带宽下也能正常工作。但是，系统分辨率与带宽的平方根有关。

在MicroSense有源系统中提供巴特沃思滤波器和贝塞尔滤波器，在MicroSense无源系统中提供巴特沃思滤波器。过滤器是通过软件或板上的跳线来选择的。

线性

自从经济型计算机和模拟/数字卡问世以来，线性在过去十年中已不再受到关注。系统可能具有整体非线性，并且该关系可在分辨率参数内重复，并可通过基本软件调整进行补偿。MicroSense为其所有系统提供线性补偿数据。

稳定性

传感器的稳定性是许多因素的函数。这些因素可分为外部因素和内部因素。相对测量稳定性对于许多测量来说都不是问题，例如伺服控制、主轴分析或其他短期相对测量稳定性。对于需要长期精确测量的测量，传感系统和外部因素的仔细选择非常重要。

作为标准规则，被动系统（如MicroSense 8810和MicroSense 4810）比主动系统（如MicroSense 6810和MicroSense 5810）具有更好的长期稳定性。标准探头采用不锈钢制成，热系数约为200 ppm/°C。

目标特性

在传统的电容传感模型中，目标接地，传感器驱动。为了获得理想的性能，从目标到传感电子设备的导电路径至关重要。目标可以电容接地。1000 pF或以上的电容是理想的。

环境考虑

电容式传感器的主要环境考虑因素是目标和传感器之间有一个均匀的非导电材料。在大多数应用中，这种材料就是空气。然而，电容式传感器在真空环境(包括特高压)中工作得非常好。探测器必须是干净的。电容传感器在在线切割和磨削环境中，如果存在恒定的切削液流和磨削废料，则不能正常工作。安装电容传感器也很容易。

本信息来源、审查和改编自MicroSense，LLC提供的材料。亚博网站下载

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