有些工程師混淆了電容位置傳感器和感應位置傳感器。兩者都使用非接觸技術來測量位置;兩者都使用交流電現象,兩者都可以用印刷電路板建造。


然而,基本的物理原理是非常不同的,這意味著每種技術都適合于特定的幾何學和應用。Zettlex的技術經理DarranKreit描述了每種技術背后的基本物理原理,并概述了每種方法的優缺點。


工作原理·電容傳感器


可以說,第一個電容傳感器是馮·克萊斯特于1745年在德國發明的,當時他受到了電容器的電擊。最近,電容傳感器的數量大幅增加,尤其是移動電話和計算機等便攜式設備上的觸控傳感器。雖然這類傳感器是容性傳感器,但它們并不是嚴格意義上的位移傳感器,因為它們檢測到一個人手指的缺失或存在作為按鈕開關的替代選擇。


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電容位移傳感器通過測量電容的變化來工作。電容器是電荷的集電極,通常包括由相對較小厚度的電絕緣材料或介質隔開的兩個金屬板。介質有時是空氣,有時是非導電材料,如塑料或陶瓷.簡單地說,電容器可以描述如下:

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C=電容;E=介電常數;A=板的重疊面積;D=板間距離


從上面的數學公式可以看出,電容隨板間距(D)和板(A)的重疊而變化。這種現象可以構成電容位移傳感器的基礎。位移可以測量軸向(d軸變化)或平面方向的板重疊(在A中的變化)。有利的是,可以使用PCB技術產生電容器板,如圖所示。


對于任何重大影響,分離尺寸d必須比板的面積小。維數d通常<1mm。因此,這種技術非常適合于載荷或應變測量。高靈敏度是可能的,因為一個小的位移(微米)表示相對較大的變化(小)d維數。


同樣,可以設置電容線性或旋轉傳感器,以使位移導致板的有效重疊發生變化。


不幸的是,電容對位移以外的因素也很敏感。如果電容器板被空氣包圍,那么它的介電常數也會隨溫度和濕度而變化(因為水的介電常數與空氣不同)。從電容式觸覺傳感器可以看出,附近物體的影響它改變了周圍的介電常數,也會改變電容。用觸摸傳感器,手指中的水會引起局部介電常數的變化,從而導致電容的變化,觸發開關。頂端提示如果你很難讓觸控傳感器工作,用舌頭弄濕你的手指末端。


通常情況下,除非電容傳感器周圍的環境可以被嚴格控制(例如,在密封單元中具有受控條件),否則它們不適合于存在外來物質可能進入或溫度大幅度波動的惡劣環境。重要的是,鑒于固有的物理,尺寸d必須保持較小,并嚴格控制相對于電容器板。這反過來又需要對測量平面軸位移的裝置進行仔細的機械安裝。


例如,如果使用電容傳感器來測量旋轉,那么板間的軸向分離必須小心地設置在緊限內。在許多情況下,如果主機系統的差異熱膨脹、振動或機械公差會導致間隙d發生變化,從而導致測量失真,這可能是不實際或不經濟的。通常,高精度的機械安裝和安裝是不經濟可行的。


操作原理·感應


邁克爾·法拉第(MichaelFaraday)成為感應原理之父,他發現一個導體中的交流電可以“誘導”一個電流在第二個導體中向相反的方向流動。自那以后,感應原理被廣泛應用于變壓器、同步變壓器和線性變量差動變壓器(LVDTs)等設備的位置和速度測量。通過考慮兩個線圈,即發射線圈(Tx)和接收線圈(Rx),就可以看出這一基本理論。適用下列公式:


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VRx = - K dITx/dt

*VRx是接收線圈中感應的電壓。

*k是由線圈的相對面積、幾何形狀、距離和相對匝數決定的互感耦合因子。

*dITx/dt是發射線圈中電流的變化率。


因此,接收信號與線圈的相對面積、幾何形狀和位移成正比。但是,與電容式技術一樣,溫度等因素也會影響線圈的電阻,對任何位置的測量都會產生干擾。通過使用多個接收線圈和從接收信號的比率計算位置來消除這一影響。因此,如果溫度變化,由于比率對于任何給定的位置,信號都是不變的。不同于電容式方法,感應技術受外來物質如水或污垢的影響要小得多。由于線圈可以相對較遠的距離,機械安裝的負擔要輕得多。再一次,這是輔助的基本比率技術。


這種穩健、可靠和穩定的方法意味著,在條件惡劣的領域,如國防、航空航天、工業和石油天然氣部門,電感傳感器是首選的選擇。


那么,如果感應式傳感器是如此健壯和可靠的話,它們為什么不能得到更廣泛的應用呢?


答案很簡單。傳統的感應器使用一系列纏繞導體或線軸。卷筒必須準確卷繞,以實現準確的位置測量。此外,為了獲得強大的電信號,需要大量的電線。這使得傳統的感應式位置傳感器體積大、重量大、價格昂貴。


Zettlex技術使用相同的感應原理,但印刷,層流結構,而不是傷口線軸。這意味著,線圈可以由蝕刻銅或印刷在廣泛的襯底上,如聚酯薄膜、紙、環氧層壓板甚至陶瓷。這種印刷結構比繞組更精確。因此,以較低的成本、體積和重量可以獲得更好的測量性能,同時仍然保持歸納技術的固有穩定性和穩健性。


由于感應技術的工作距離大于電容技術,這使得電感位置傳感器的主要部件能夠安裝相對寬松的公差。


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這不僅有助于最大限度地降低傳感器和主機設備的成本,而且還使主組件能夠被封裝。這使傳感器能夠承受非常惡劣的當地環境,如長期浸泡、極端沖擊、振動或爆炸性氣體以及粉塵環境的影響。


電磁噪聲敏感性經常被認為是考慮感應位置傳感器的工程師們關注的問題??悸塹皆詰緇飪嵌窳擁牡绱嘔肪持?,用于換向、速度和位置控制的解析器已經使用了多年,這一擔憂是錯誤的。


每種技術的好處摘要如下:


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