電容式角度傳感器概述
荊仁旺
(西安微電機(jī)研究所710077)
【摘 要】電容式傳感器具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)今傳感器技術(shù)的重要發(fā)展方向之一，具有廣闊的應(yīng)用前景。文中介紹電容式傳感器的工作原理、結(jié)構(gòu)、測(cè)量線路及制造工藝特點(diǎn)。
【敘詞】傳感器電容式傳感器角度傳感器原理結(jié)構(gòu)測(cè)量線路
l引 言
電容式角度傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、輸出線性好、靈敏度高、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、適于動(dòng)態(tài)測(cè)量及抗惡劣環(huán)境性能好等一系列特點(diǎn)。特別適合用于高精度陀螺儀及高精度擺式加速度計(jì)。作為擺動(dòng)電機(jī)（有限轉(zhuǎn)角電動(dòng)機(jī)）的優(yōu)選位置傳感器，受到充分重視。在紅外成像、激光標(biāo)識(shí)、激光雷達(dá)、軍事瞄準(zhǔn)及大氣監(jiān)測(cè)等系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，是當(dāng)前傳感器的重要發(fā)展方向之一。
2工作原理
2.1電容傳感器
電容傳感器的基本工作原理是基于物體間的電容量與其結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系。電容器的電容是構(gòu)成電容器的兩電極形狀、大小、相互位置及電介質(zhì)介電常數(shù)的函數(shù)。
對(duì)于******的平板電容器，如圖l所示，不考慮邊緣電場(chǎng)影響時(shí)，其電容量為：c=εs/δ-f(ε，δ，s)
式中e-介質(zhì)的介電常數(shù)
s -極板的面積
δ-極板間的距離
因此，只要有任何物理量變化，不管是直接的還是間接的，部能使電容器的任一參數(shù)產(chǎn)生相應(yīng)改變，從而引起電容器變化，即可通過一定的測(cè)量線路將其轉(zhuǎn)換為有用的信號(hào)輸出，據(jù)此判定物理量的變化，這就是電容傳感器的基本工作原理。
電容傳感器的輸出是電容的變化量。根據(jù)工作原理，傳感器可分為變間隙式、變面積式及變介電常數(shù)式三種。
變間隙式：一般用來測(cè)量微小的線位移（小至百分之一微米到零點(diǎn)幾毫米），如材料膨脹及大地震動(dòng)等。
變面積式：一般用來測(cè)角位移（1至幾十度）或較大的線位移。
變介電常數(shù)式：常用于固體或液體的物位測(cè)量，也用于測(cè)定各種介質(zhì)的濕度、密度等狀態(tài)參數(shù)。
顯然，其他物理量，如壓力、速度、加速度、力、應(yīng)力等，只要能轉(zhuǎn)換為機(jī)械位移變化的，均可制成相應(yīng)的電容式傳感器。因此，電容傳感器具有極為寬廣的應(yīng)用領(lǐng)域。
2.2電容式角度傳感器
電容式角度傳感器通常采用變面積方式，圖2為平板型電容式角度傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。
當(dāng)傳感器動(dòng)極板與定極板有角位移咿時(shí)，兩極板的相互覆蓋面積隨口的變化而變化，傳感器的電容值隨之發(fā)生相應(yīng)變化，變化量為：
可見，傳感器的輸出特性為線性特性．其靈敏度：
這種傳感器還可以做成差動(dòng)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。初始位置應(yīng)使動(dòng)極板與兩定傲板處于對(duì)稱位置，動(dòng)極板與定極板構(gòu)成一對(duì)差動(dòng)電容器。當(dāng)動(dòng)極板移動(dòng)時(shí)，一個(gè)電容器的電容c增加，另一個(gè)電容器的電容c則減少，此時(shí)：
較之單個(gè)式電容傳感器，其值增加一倍。
此外，極板的形狀逐可以做成圓弧狀或鋸齒狀．如圖4所示。
電容式角度傳感器主要用于有限范圍的角度檢測(cè)（一般為0度^180度）。當(dāng)然，也可以作轉(zhuǎn)角連續(xù)測(cè)量，此時(shí)，極板做成鋸齒狀，隨著定極板和動(dòng)極板的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，傳感器提供一定的周期性的電容脈沖信號(hào)，即所謂的電容編碼器。
|
