電感位置傳感器與電容位置傳感器的異同

（文章來源：必優(yōu)傳感科技）

有些工程師混淆了電容位置傳感器和感應(yīng)位置傳感器。兩者都使用非接觸技術(shù)來測量位置；兩者都使用交流電現(xiàn)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(shù)都適合于特定的幾何學(xué)和應(yīng)用。Zettlex的技術(shù)經(jīng)理DarranKreit描述了每種技術(shù)背后的基本物理原理，并概述了每種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

可以說，第一個電容傳感器是馮·克萊斯特于1745年在德國發(fā)明的，當(dāng)時他受到了電容器的電擊。最近，電容傳感器的數(shù)量大幅增加，尤其是移動電話和計(jì)算機(jī)等便攜式設(shè)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(yán)格意義上的位移傳感器，因?yàn)樗鼈?a target="_blank">檢測到一個人手指的缺失或存在作為按鈕開關(guān)的替代選擇。

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(zhì)隔開的兩個金屬板。介質(zhì)有時是空氣，有時是非導(dǎo)電材料，如塑料或陶瓷.簡單地說，電容器可以描述如下：

C=電容；E=介電常數(shù)；A=板的重疊面積；D=板間距離

從上面的數(shù)學(xué)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(xiàn)象可以構(gòu)成電容位移傳感器的基礎(chǔ)。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(shù)產(chǎn)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(shù)d通常<1mm。因此，這種技術(shù)非常適合于載荷或應(yīng)變測量。高靈敏度是可能的，因?yàn)橐粋€小的位移(微米)表示相對較大的變化(小)d維數(shù)。同樣，可以設(shè)置電容線性或旋轉(zhuǎn)傳感器，以使位移導(dǎo)致板的有效重疊發(fā)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(shù)也會隨溫度和濕度而變化(因?yàn)樗慕殡姵?shù)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(shù)，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(shù)的變化，從而導(dǎo)致電容的變化，觸發(fā)開關(guān)。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(huán)境可以被嚴(yán)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(zhì)可能進(jìn)入或溫度大幅度波動的惡劣環(huán)境。重要的是，鑒于固有的物理，尺寸d必須保持較小，并嚴(yán)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(jìn)行仔細(xì)的機(jī)械安裝。

例如，如果使用電容傳感器來測量旋轉(zhuǎn)，那么板間的軸向分離必須小心地設(shè)置在緊限內(nèi)。在許多情況下，如果主機(jī)系統(tǒng)的差異熱膨脹、振動或機(jī)械公差會導(dǎo)致間隙d發(fā)生變化，從而導(dǎo)致測量失真，這可能是不實(shí)際或不經(jīng)濟(jì)的。通常，高精度的機(jī)械安裝和安裝是不經(jīng)濟(jì)可行的。

邁克爾·法拉第(MichaelFaraday)成為感應(yīng)原理之父，他發(fā)現(xiàn)一個導(dǎo)體中的交流電可以“誘導(dǎo)”一個電流在第二個導(dǎo)體中向相反的方向流動。自那以后，感應(yīng)原理被廣泛應(yīng)用于變壓器、同步變壓器和線性變量差動變壓器(LVDTs)等設(shè)備的位置和速度測量。通過考慮兩個線圈，即發(fā)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：

VRx = - K dITx/dt；*VRx是接收線圈中感應(yīng)的電壓。*k是由線圈的相對面積、幾何形狀、距離和相對匝數(shù)決定的互感耦合因子。*dITx/dt是發(fā)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(shù)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(chǎn)生干擾。通過使用多個接收線圈和從接收信號的比率計(jì)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(yīng)技術(shù)受外來物質(zhì)如水或污垢的影響要小得多。由于線圈可以相對較遠(yuǎn)的距離，機(jī)械安裝的負(fù)擔(dān)要輕得多。再一次，這是輔助的基本比率技術(shù)。

這種穩(wěn)健、可靠和穩(wěn)定的方法意味著，在條件惡劣的領(lǐng)域，如國防、航空航天、工業(yè)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(yīng)式傳感器是如此健壯和可靠的話，它們?yōu)槭裁床荒艿玫礁鼜V泛的應(yīng)用呢？答案很簡單。傳統(tǒng)的感應(yīng)器使用一系列纏繞導(dǎo)體或線軸。卷筒必須準(zhǔn)確卷繞，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的位置測量。此外，為了獲得強(qiáng)大的電信號，需要大量的電線。這使得傳統(tǒng)的感應(yīng)式位置傳感器體積大、重量大、價格昂貴。

Zettlex技術(shù)使用相同的感應(yīng)原理，但印刷，層流結(jié)構(gòu)，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(huán)氧層壓板甚至陶瓷。這種印刷結(jié)構(gòu)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(shù)的固有穩(wěn)定性和穩(wěn)健性。

由于感應(yīng)技術(shù)的工作距離大于電容技術(shù)，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。這不僅有助于最大限度地降低傳感器和主機(jī)設(shè)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(dāng)?shù)丨h(huán)境，如長期浸泡、極端沖擊、振動或爆炸性氣體以及粉塵環(huán)境的影響。

電磁噪聲敏感性經(jīng)常被認(rèn)為是考慮感應(yīng)位置傳感器的工程師們關(guān)注的問題?？紤]到在電機(jī)外殼惡劣的電磁環(huán)境中，用于換向、速度和位置控制的解析器已經(jīng)使用了多年，這一擔(dān)憂是錯誤的。
（責(zé)任編輯：fqj）