比较电容式和电涡流传感器

通用传感器技术说明LT05-0011

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介绍

使用电容技术和电涡流技术的非接触式传感器，各自代表了在各种应用中的优缺点的独特结合。 两种技术优势的比较将帮助您为您的应用选择最佳技术。

对比表

以下是详细信息的速览参考。

•• 最好的选择， • 功能选择 – 不是一种选择

传感器构造

图1. 电容式探头结构

要了解电容式传感器和电涡流传感器之间的区别，首先要看一下它们的结构。 电容式探头的中心是检测元件。 这块不锈钢产生电场，用于检测离目标的距离。 保护环与检测元件之间通过绝缘层隔开，保护环也由不锈钢制成。 保护环围绕检测元件，并将电场聚焦在目标上。 一些电子组件连接到检测元件和保护环。 所有这些内部组件均被绝缘层包围，并被封装在不锈钢外壳中。 外壳与电缆的接地屏蔽相连（图1）。

图2. 电涡流探头结构

电涡流探头的主要功能部件是感应线圈。 这是靠近探头末端的线圈。 交流电通过线圈，产生交变磁场；这个磁场用来检测离目标的距离。 线圈用塑料和环氧树脂密封，并安装在不锈钢外壳中。 因为电涡流传感器的磁场不像电容式传感器那样容易聚焦。

在电涡流传感器的探头上，环氧树脂覆盖的线圈从钢制外壳伸出，以允许完整的感应磁场与目标物接合（图2）。

光斑尺寸，目标尺寸和量程范围

图3. 电容式探头光斑尺寸

非接触式传感器探头的感测场在一定区域内与目标接合。 该区域的尺寸称为光斑尺寸。 目标必须大于光斑尺寸或需要特殊校准。光斑尺寸始终与探头直径成正比。 对于电容式传感器和电涡流传感器，探头直径和光斑尺寸之间的比率明显不同。 这些不同的光斑尺寸会导致不同的最小目标尺寸要求。

电容式传感器使用电场进行检测。 该电场通过保护环聚焦在探头上，从而导致光斑尺寸比检测元件直径大30％（图3）。 检测量程范围与检测元件直径的典型比率为1：8。 这意味着对于每个量程单元，检测元件直径必须是其八倍大。 例如，500µm的检测量程范围需要4000µm（4mm）的检测元件直径。 该比率用于典型的校准。 高分辨率和扩展范围的校准将改变该比率。

图4. 电涡流探头光斑尺寸

电涡流传感器使用的磁场完全围绕探头的末端。 这样会产生一个较大的感应场，从而导致光斑尺寸约为探头感应线圈直径的三倍（图4）。 对于电涡流传感器，检测量程范围与感应线圈直径的比率为1：3。 这意味着对于每个量程单元，线圈直径必须大三倍。 在这种情况下，相同的500µm检测量程范围仅需要一个1500µm（1.5mm）直径的电涡流传感器探头。

选择检测技术时，请考虑目标尺寸。 较小的目标可能需要电容式传感器。 如果目标尺寸必须小于传感器的光斑尺寸，则特殊的校准可能能够弥补固有的测量误差。

检测技术

电容式和涡流传感器使用不同的技术来确定目标的位置。 用于精确位移测量的电容传感器使用高频电场，通常在500 kHz至1 MHz之间。 电场从传感元件的表面发出。 为了将感应场聚焦在目标上，保护环会创建一个独立但相同的电场，该电场将感应元件的场与目标以外的所有物体隔离开（图5）。

图5. 电容式探头防护

电场中的电流量部分取决于检测元件和目标表面之间的电容。 由于目标和检测元件的尺寸是恒定的，假设间隙中的材料不变，那么电容将由探头和目标之间的距离决定。 探头与目标之间的距离变化会改变电容，进而改变检测元件中的电流。 传感器中的电子设备产生与该电流大小成比例的校准输出电压，从而指示目标的位置。

电涡流传感器使用磁场来检测离目标的距离，而不是电场。 通过使交流电通过感应线圈来开启检测。 这在线圈周围产生交变磁场。 当此交变磁场与导电目标相互作用时，它会在目标材料中感应出一个称为涡流的电流。 这种涡流会产生自己的磁场，该磁场与感应线圈的检测磁场相反（图6）。

图6.磁场感应
导电目标中的涡流

当目标中的涡流与检测磁场相反时，感应线圈的阻抗将发生变化。 阻抗变化量取决于目标与探头中感应线圈之间的距离。 处理与阻抗有关的感应线圈中的电流，以产生输出电压，该输出电压指示目标相对于探头的位置。

错误来源

电涡流传感器利用磁场的变化来确定到目标​​的距离。 电容式传感器使用电容变化。 除了到目标的距离之外，还有其他一些因素也会改变磁场或电容。 这些因素代表您的应用中潜在的错误源。 幸运的是，在大多数情况下，两种技术的这些错误源是不同的。 了解应用中这些错误源的存在和严重程度，将有助于您选择最佳的检测技术。
本文的其余部分将解释这些错误源，以便您可以为应用做出最佳选择并获得最佳结果。

间隙污染

图7. 间隙污染
使间隙中电介质产生变化

在某些应用中，传感器和目标之间的间隙可能会被灰尘，液体（例如冷却剂）和其他并非预期测量目标的材料污染。 传感器如何应对这些污染物的存在是选择电容式或电涡流传感器的关键因素。

电容式传感器假定传感器探头与目标之间的电容变化是由于它们之间的距离变化而引起的。 影响电容的另一个因素是目标和传感器探头之间间隙中材料的介电常数（ε）。 空气的介电常数略大于7。 如果另一种介电常数不同的材料进入传感器探头与检测目标之间的间隙，则电容将增加，并且传感器将错误地指示目标已移近传感器探头（图8）。 污染物的介电常数越高，对传感器的影响越大。 油的介电常数在12和80之间。 水具有非常高的介电常数。

由于传感器探头和目标之间对材料介电常数的敏感性，因此在测量目标位置时，必须在清洁的环境中使用电容式位移传感器。

可以利用电容式传感器的介电灵敏度来检测非导电材料的厚度或密度。 有关此类应用的更多信息，请参阅我们的 电容式传感器理论技术说明。

与电容式传感器不同，电涡流传感器使用磁场进行检测。 磁场不受灰尘，水和油等非导电污染物的影响。 当这些污染物进入电涡流传感器探头和目标之间的检测区域时，传感器的输出不会受到影响。

因此，当应用涉及肮脏或恶劣的环境时，电涡流传感器是最佳选择。 Lion Precision 电涡流探头的防护等级为IP67，甚至可以完全浸入非腐蚀性液体中使用。

目标厚度

电容式和电涡流传感器对目标厚度有不同的要求。 电容式传感器的电场仅接合目标表面，而不会明显穿透材料。 因此，电容式传感器不受材料厚度的影响。

电涡流传感器的磁场必须穿透被测目标的表面，以便在材料中感应出涡流。 如果材料太薄，被测目标中较小的涡流会产生较弱的磁场。 这导致传感器具有降低的灵敏度和较小的信噪比。

传感器磁场的穿透深度取决于材料和传感器振荡磁场的频率。 Lion Precision 电涡流传感器通常使用1-2MHz的频率。 表1列出了某些常用材料的最小厚度。

有关更多详细信息，请参见 目标最低厚度建议技术说明。

目标材料和旋转目标

电容式和电涡流传感器对目标材料差异的反应不同。 电涡流传感器的磁场穿透目标并在材料中感应出涡电流，从而产生与来自探头的磁场相反的磁场。 涡流的强度和所产生的磁场取决于材料的磁导率和电阻率。 这些性质在不同的材料之间有所不同。 也可以通过不同的处理技术（例如热处理或退火）来更改它们。 例如，以不同方式处理的另外两块相同的铝片可能具有不同的磁性能。 在不同的非磁性材料（例如铝和钛）之间，磁导率和电阻率的变化可能很小，但是为一种非磁性材料校准的高性能电涡流传感器在与其他非磁性材料一起使用时仍会产生误差。

铝和钛等非磁性材料与铁或钢等磁性材料之间的差异非常大。 铝和钛的相对磁导率约为1，而铁的相对磁导率可以高达10,000。
当与磁性材料一起使用时，针对非磁性材料进行校准的电涡流传感器根本不可能起作用。 当使用电涡流传感器进行精确测量时，至关重要的是，应针对应用中使用的特定材料对传感器进行精确校准。
磁性材料（例如钢和铁）的高磁导率也会在同一块材料内引起较小的电涡流传感器误差。 在任何不完美的材料中，都存在微观裂纹和材料变化。 在这些区域周围，材料的渗透性会略有变化。 尽管变化相对较小，但磁性材料的极高磁导率使高分辨率电涡流传感器能够检测到这些变化。 该问题在磁性材料的旋转目标检测应用中最为明显。

图8. 跳动图显示
蓝色的实际跳动
和红色的电气跳动
即电涡流传感器所测结果。

可以安装电涡流传感器以测量旋转轴的跳动。 但是，即使轴是理想的，并且绝对没有跳动，高分辨率的涡流传感器也会检测到轴旋转时可重复的变化曲线（图8）。 这些变化是材料微小变化的结果。 这种现象是众所周知的，称为电跳动。 这些误差可能很小，通常在微米范围内。 在许多轴跳动检测应用，特别是在以电涡流传感器为常态的恶劣环境应用中，正在寻找的误差更大，因此可以容忍这些小误差。 其他更精确的应用就需要使用技术手段来解决这些误差，或者使用其他检测技术，例如电容式传感器。

电容传感器的电场将被测目标用作接地的导电路径。 所有导电材料都可以提供同样好的效果，因此电容式传感器对所有导电材料的测量相同。 一旦校准了电容式传感器，它就可以与任何导电目标一起使用，而不会降低性能。

由于电容式传感器的电场不会穿透材料，因此材料内的变化不会影响测量。 电容式传感器不会表现出电涡流传感器的电气跳动现象，可以与任何导电材料的旋转目标一起使用，而不会产生额外的误差。

电涡流传感器应使用与实际应用中的目标材料相同的材料进行精确校准，并且不得与旋转的磁性材料目标一起使用，除非应用中的电气跳动误差是可接受的。 电容式传感器经过校准后，可与任何导电材料一起使用，而不会出现与材料相关的误差，并且它们可以很好地与旋转目标配合使用。

环境参数：温度和真空

由于探头结构的差异以及驱动器电子设备的相关差异，电容式和电涡流传感器具有不同的探头工作温度范围和真空兼容性。

Lion Precision电容式和电涡流探头具有不同的工作温度范围。 电涡流探头由于其在恶劣环境下的耐受性而具有较大的温度范围。 使用聚氨酯电缆的标准电涡流探头的工作范围为-25至+ 125°C。 使用特氟龙FEP电缆的高温探头的工作范围为-25至+ 200°C。 受到凝结影响的电容式探头的工作范围仅为+ 4至+ 50°C。 两种传感器技术的驱动器电子器件的工作范围均为+ 4至+ 50°C。

电容式探头和电涡流探头均可用于真空应用。 选择探头中的材料以确保结构稳定性并最大程度减少真空下的释气。 兼容真空的探头经过额外的清洁过程和特殊包装，以去除可能威胁精密真空环境的异物。

许多真空应用需要精确的温度控制。 探头的功耗及其对温度变化的影响，是电容式和电涡流检测技术不同的地方。 电容式探头的电流和功耗极小。 典型的电容式探头消耗的功率不到40µW，对真空室的热量几乎没有。

电涡流探头的功耗范围为40µW至1mW。 在这些更高的功率下，涡流探头将为真空室贡献更多的热量，并可能干扰高精度的真空环境。 电涡流探头的功耗取决于许多因素。 单靠探头的尺寸并不能很好地预测功耗。 每个电涡流传感器的功耗必须单独评估。
电容式传感器或电涡流传感器都可以在真空环境下正常工作。 在对温度敏感的真空中，电涡流传感器可能会为该应用贡献过多的热量。 在这些应用中，电容式传感器将是一个更好的选择。

探头安装

图XNUMX. 电涡流探头安装较近时会发生干扰。

由于电容式和电涡流传感器的检测场在形状和电抗特性方面的差异，这些技术对探头的安装要求也不同。 电涡流探头会产生较大的磁场。 磁场直径至少是探头直径的三倍，并且探头较大时会大于的直径的三倍。 如果将多个探头紧密安装在一起，磁场将相互作用（图9）。 这种相互作用将在传感器输出中产生错误。 如果不可避免地需要这种安装方式，请使用基于数字技术的传感器，例如 ECL202 可以进行特殊校准，以减少或消除相邻探头的干扰。

来自电涡流探头的磁场在探头后方也延伸了大约探头直径的10倍。 该区域中的任何金属物体（通常是安装硬件）将与磁场相互作用并影响传感器的输出（图XNUMX）。 如果不可避免地需要附近的安装硬件，则可以在安装硬件就位的情况下校准传感器，以补偿硬件的影响。

图XNUMX. 装卡夹具可能会干扰电涡流的探测磁场。

电容式探头的电场仅从探头的前表面发出。 电场的形状略呈圆锥形，其光斑尺寸比探头上检测区域的直径大30％。 附近的安装硬件或其他物体很少在检测电场区域内，因此不会影响传感器的校准。 当多个独立的电容式传感器探头检测同一目标时，来自一个探头的电场可能试图向目标增加电荷，而另一个传感器探头则试图去除电荷（图11）。

与同一目标的这种相互冲突的干扰将在传感器的输出中产生错误。 通过将传感器同步校准，可以轻松解决此问题。 同步将所有传感器的驱动信号设置为同一相位，以便所有探头同时添加或去除电荷，并消除干扰。 所有Lion Precision多通道系统都是同步的，从而消除了对该错误源的任何担忧。

图XNUMX. 在检测同一目标时，未同步的电容式传感器探头会产生相互干扰。

当一个应用需要使用多个探头检测共同目标时，同步电容式传感器易于使用。 如果应用中需要电涡流技术，则在安装计划中必须格外小心，并且可能需要进行特殊校准。

总结

在电容式和电涡流位移传感器之间进行选择时，要考虑许多因素。 任何涉及测量区域污染物（例如液体或废料）的应用都需要电涡流传感。 电容式传感器需要清洁的环境。

由于电容式检测电场的尺寸较小，使用电容式传感器更容易测量小目标。 当必须用电涡流传感器检测时，可以对小目标使用特殊校准。
对于相同尺寸的电容式或电涡流探头，电涡流探头将具有较大的测量量程范围。

由于电容式探头与目标表面相互作用，因此材料厚度不是电容式测量的因素。 但电涡流传感器具有最低的目标厚度要求。

电容式传感器对目标材料不敏感，只要它是导电的即可。 电涡流传感器对目标的材料差异敏感，必须根据应用的目标材料进行精确校准。

当使用多个探头时，电容式传感器必须同步，但可以紧密安装在一起而不会产生干扰。 即使进行了同步，电涡流探头如果安装在一起也将相互作用。 如果不可避免，可以使用特殊校准，但仅适用于数字传感器如Lion Precision  ECL202.

电容式探头的小检测电场仅指向目标，因此无法检测到装卡夹具或附近的物体。 而电涡流周围的检测磁场范围很大，可以检测到装卡夹具或其他物体，如果它们太靠近检测磁场区域。
两种技术之间的其他两个规格有所不同：分辨率和带宽。 电容式传感器比电涡流传感器具有更高的分辨率，这使其成为高分辨率，精确应用的更好选择。

大多数电容式和电涡流传感器的带宽为10-15kHz，但有些电涡流传感器（ECL101）的带宽高达80 kHz。

这些技术之间的另一个区别是成本。 一般来说，电涡流传感器的成本较低。

本文对电容式和电涡流传感器技术之间的差异进行了回顾，将帮助您确定哪种技术是您的应用的最佳选择。 请 立即联系 有关选择最佳传感器的更多帮助。