电感位置传感器与电容位置传感器的异同

独爱72H 2020-03-23 5646

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描述

（文章来源：必优传感科技）

有些工程师混淆了电容位置传感器和感应位置传感器。两者都使用非接触技术来测量位置；两者都使用交流电现象，两者都可以用印刷电路板建造。然而，基本的物理原理是非常不同的，这意味着每种技术都适合于特定的几何学和应用。Zettlex的技术经理DarranKreit描述了每种技术背后的基本物理原理，并概述了每种方法的优缺点。

可以说，第一个电容传感器是冯·克莱斯特于1745年在德国发明的，当时他受到了电容器的电击。最近，电容传感器的数量大幅增加，尤其是移动电话和计算机等便携式设备上的触控传感器。虽然这类传感器是容性传感器，但它们并不是严格意义上的位移传感器，因为它们检测到一个人手指的缺失或存在作为按钮开关的替代选择。

电容位移传感器通过测量电容的变化来工作。电容器是电荷的集电极，通常包括由相对较小厚度的电绝缘材料或介质隔开的两个金属板。介质有时是空气，有时是非导电材料，如塑料或陶瓷.简单地说，电容器可以描述如下：

C=电容；E=介电常数；A=板的重叠面积；D=板间距离

从上面的数学公式可以看出，电容随板间距(D)和板(A)的重叠而变化。这种现象可以构成电容位移传感器的基础。位移可以测量轴向(d轴变化)或平面方向的板重叠(在A中的变化)。有利的是，可以使用PCB技术产生电容器板，如图所示。

对于任何重大影响，分离尺寸d必须比板的面积小。维数d通常<1mm。因此，这种技术非常适合于载荷或应变测量。高灵敏度是可能的，因为一个小的位移(微米)表示相对较大的变化(小)d维数。同样，可以设置电容线性或旋转传感器，以使位移导致板的有效重叠发生变化。

不幸的是，电容对位移以外的因素也很敏感。如果电容器板被空气包围，那么它的介电常数也会随温度和湿度而变化(因为水的介电常数与空气不同)。从电容式触觉传感器可以看出，附近物体的影响它改变了周围的介电常数，也会改变电容。用触摸传感器，手指中的水会引起局部介电常数的变化，从而导致电容的变化，触发开关。顶端提示如果你很难让触控传感器工作，用舌头弄湿你的手指末端。

通常情况下，除非电容传感器周围的环境可以被严格控制(例如，在密封单元中具有受控条件)，否则它们不适合于存在外来物质可能进入或温度大幅度波动的恶劣环境。重要的是，鉴于固有的物理，尺寸d必须保持较小，并严格控制相对于电容器板。这反过来又需要对测量平面轴位移的装置进行仔细的机械安装。

例如，如果使用电容传感器来测量旋转，那么板间的轴向分离必须小心地设置在紧限内。在许多情况下，如果主机系统的差异热膨胀、振动或机械公差会导致间隙d发生变化，从而导致测量失真，这可能是不实际或不经济的。通常，高精度的机械安装和安装是不经济可行的。

迈克尔·法拉第(MichaelFaraday)成为感应原理之父，他发现一个导体中的交流电可以“诱导”一个电流在第二个导体中向相反的方向流动。自那以后，感应原理被广泛应用于变压器、同步变压器和线性变量差动变压器(LVDTs)等设备的位置和速度测量。通过考虑两个线圈，即发射线圈(Tx)和接收线圈(Rx)，就可以看出这一基本理论。适用下列公式：

VRx = - K dITx/dt；*VRx是接收线圈中感应的电压。*k是由线圈的相对面积、几何形状、距离和相对匝数决定的互感耦合因子。*dITx/dt是发射线圈中电流的变化率。

因此，接收信号与线圈的相对面积、几何形状和位移成正比。但是，与电容式技术一样，温度等因素也会影响线圈的电阻，对任何位置的测量都会产生干扰。通过使用多个接收线圈和从接收信号的比率计算位置来消除这一影响。因此，如果温度变化，由于比率对于任何给定的位置，信号都是不变的。不同于电容式方法，感应技术受外来物质如水或污垢的影响要小得多。由于线圈可以相对较远的距离，机械安装的负担要轻得多。再一次，这是辅助的基本比率技术。

这种稳健、可靠和稳定的方法意味着，在条件恶劣的领域，如国防、航空航天、工业和石油天然气部门，电感传感器是首选的选择。那么，如果感应式传感器是如此健壮和可靠的话，它们为什么不能得到更广泛的应用呢？答案很简单。传统的感应器使用一系列缠绕导体或线轴。卷筒必须准确卷绕，以实现准确的位置测量。此外，为了获得强大的电信号，需要大量的电线。这使得传统的感应式位置传感器体积大、重量大、价格昂贵。

Zettlex技术使用相同的感应原理，但印刷，层流结构，而不是伤口线轴。这意味着，线圈可以由蚀刻铜或印刷在广泛的衬底上，如聚酯薄膜、纸、环氧层压板甚至陶瓷。这种印刷结构比绕组更精确。因此，以较低的成本、体积和重量可以获得更好的测量性能，同时仍然保持归纳技术的固有稳定性和稳健性。

由于感应技术的工作距离大于电容技术，这使得电感位置传感器的主要部件能够安装相对宽松的公差。这不仅有助于最大限度地降低传感器和主机设备的成本，而且还使主组件能够被封装。这使传感器能够承受非常恶劣的当地环境，如长期浸泡、极端冲击、振动或爆炸性气体以及粉尘环境的影响。

电磁噪声敏感性经常被认为是考虑感应位置传感器的工程师们关注的问题。考虑到在电机外壳恶劣的电磁环境中，用于换向、速度和位置控制的解析器已经使用了多年，这一担忧是错误的。
（责任编辑：fqj）

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