ЕМКОСТНЫЕ ДАТЧИКИ

§ 8.1. Принцип действия. Типы емкостных датчиков

Работа емкостных датчиков заключается в преобразо­вании измеряемой величины в емкостчое сопротивление. Поэтому емкостные датчики относятся к параметрическим. Принцип дейст­вия емкостных датчиков основан на зависимости емкости конденг сатора от размеров обкладок, расстояния между ними, диэлектри­ческой проницаемости среды между обкладками.

Емкость конденсатора, имеющего две плоские обкладки,

Из (8.1) следует, что изменение емкости конденсатора может происходить из-за изменения любой из трех величин: d, s, . Наи­большее распространение получили емкостные датчики, измеряю­щие линейные перемещения. На рис. 8.1, а, б показаны схема ем­костного датчика линейного перемещения  и зависимость емкости

датчика от входного сигнала — перемещения х.

На рис. 8.2, а, б показаны схема емкостного датчика углового перемещения   и   зависимость емкости датчика  от входного сигнала — угла поворота а. В этом датчике емкость изменяется из-за изменения площади взаимного перекрытия двух обкладок — пластин 1 и 2. Одна из плас­тин   (1)   неподвижна, другая (2)  — может по­ворачиваться на оси относительно пластины /. Расстояние между пластинами не меняется, при повороте пластины 2 меняется активная площадь между пластинами 1 и 2 (на рис. 8.2, а отме­чена штриховкой).

На рис. 8.3 показан емкостный датчик уров­ня. В этом датчике емкость изменяется в зависимости от уровня жидкости, поскольку изменяется диэлектрическая проницаемость среды между неподвижными пластинами.

Емкостные датчики используются в цепях переменного тока. Емкостное сопротивление обратно пропорционально частоте пита­ния: Хс= 1/

---

, где — угловая частота; f — частота, Гц.

При малой частоте питания емкостное сопротивление настолько велико, что изменение тока в цепи с емкостным датчиком очень трудно зафиксировать даже высокочувствительным прибором. При­менение емкостных датчиков предпочтительнее при питании повы­шенной частотой (400 Гц и больше).
§ 8.2. Характеристики и схемы включения емкостных датчиков

Чувствительность емкостного датчика определяется как отношение приращения емкости к вызвавшему это приращение из­менению измеряемой величины. Для простого плоского двухобкла-дочного емкостного датчика линейного перемещения с воздушным зазором емкость



где d—начальное расстояние между пластинами площадью s.

Начальное расстояние d_Ba4выбирается по конструктивным сооб­ражениям, но оно не должно быть меньше некоторого значения, при котором возможен электрический пробой конденсатора. Для возду­ха пробивное напряжение составляет порядка 3 кВ на 1 мм. Мини­мальное расстояние воздушного промежутка в высокочувствитель­ных емкостных микрометрах принимают порядка 30 мкм. Чувстви­тельность плоского емкостного датчика получаем дифференцирова­нием уравнения (8.2):



Чувствительность, как следует из (8.3) и графика (рис. 8.1, б), не постоянна в диапазоне возможных перемещений х. Она макси­мальна при малых входных сигналах (когда пластины расположе­ны близко друг к другу) и быстро уменьшается при удалении плас­тин.

При включении емкостного датчика в измерительную мостовую схему переменного тока чувствительность измерения можно увели­чить повышением напряжения питания моста (см. гл. 2). Однако и здесь необходимо иметь в виду опасность пробоя между пластина­ми. Для значительного увеличения напряжения питания между обкладками конденсатора помещают тонкую слюдяную пластинку. Для повышения чувствительности измерительной схемы с емкост­ным датчиком необходимо повышать частоту питающего напряже­ния. Однако при этом необходимы специальные меры по экраниро­ванию схемы и подводящих проводов для уменьшения погрешности измерения, вызванной токами утечки и токами наводки.

---

В емкостном датчике давления (рис. 8.4) одной из обкладок конденсатора является плоская круглая мембрана 1, воспринимаю­щая давление Р. Другая обкладка 2 датчика неподвижна и имеет такой же радиус R, что. и мембрана /. Между обкладками конден­сатора имеется начальный воздушный промежуток d_нач. Под воз­действием измеряемого давления Р мембрана прогибается, причем наибольшее перемещение  имеет центр мембраны. Неравномерное изменение воздушного промежутка между пластинами затрудняет вывод формулы для емкости такого датчика. Приведем  ее в окон­чательном виде

 

Непосредственное объединение чувствительного элемента (мембра­ны) с датчиком без промежуточных кинематических элементов

Энергия электрического поля в конденсаторе

.

Сила,   действующая на пластины, определяется   как производная энергии по перемещению:

Для повышения точности и чувствительности, а также с целью уменьшения влияния механических сил емкостный датчик можно выполнить дифференциальным (рис. 8.5) и включить в мостовую схему.

Дифференциальный емкостый датчик представляет собой плос­кий конденсатор с металлической обкладкой 1, на которую дейст­вует измеряемая сила F. Обкладка 1закреплена на упругой под­веске 6 и под действием силы F перемещается параллельно самой себе.

Две неподвижные обкладки 2 и 3 изолированы от корпуса спе­циальными прокладками

---

4 и 5. При отсутствии силы F обкладка 1 занимает симметричное положение относительно неподвижных обкладок 2, 3. При этом емкость конденсатора, образованного пластинами 1 и 2, равна емкости конденсатора, образованного пластинами 1 и 3: C_1-2 = C_1-3 = C. Под воздействием измеряемой силы F, преодолевающей противодействие упругой подвески 6, об­кладка 1перемещается и емкости верхнего и нижнего конденсато­ров получают приращения разных знаков:



Поскольку эти емкости включены в смежные плечи мостовой схемы, чувствительность измерительной схемы возрастает вдвое (см. гл.2). Силы, действующие между парами обкладок, направлены противо­положено друг другу, т. е. взаимно компенсируются.

Питание моста осуществляется от генератора высокой частоты (ГВЧ). Частота питания составляет несколько килогерц. Напряже­ние в измерительной диагонали моста  зависит от измеряемой силы. При изменении направления силы изменяется фаза выходно­го напряжения на 180°.

Для повышения чувствительности емкостных датчиков углового перемещения с изменяющейся площадью взаимного перекрытия пластин по рис. 8.2 применяют систему, состоящую из нескольких неподвижных и подвижных пластин. Такие воздушные конденсато­ры переменной емкости применяются, например, для настройки ра­диоприемников.

Если пластины имеют форму половины круга (как на рис. 8.2), а ось вращения подвижных пластин проходит через центры окруж­ности всех пластин, то емкость датчика изменяется в зависимости от угла поворота:



где п — общее количество неподвижных и подвижных пластин; s — площадь взаимного перекрытия пластин при а = 0 (подвижные пластины полностью вдвинуты между неподвижными); d — посто-: янное расстояние между подвижными и неподвижными пласти­нами.

Диапазон изменения угла поворота а от 0 до 180°. Все подвиж­ные пластины электрически соединены между собой, а все непо­движные также соединены между собой. Таким образом, имеется параллельное соединение конденсаторов, при котором общая ем­кость, как известно, равна сумме емкостей параллельно соединен­ных конденсаторов.

---

Чувствительность такого датчика определяется как изменение емкости при повороте на 1°, т. е.



Датчики угловых перемещений используют в мостовых измеритель­
ных схемах. Для повышения чувствительности возможно примене­
ние дифференциального датчика, показанного на рис. 8.6. При
повороте по часовой стрелке подвижной пластины 1 увеличивается емкость между этой пластиной и неподвижной пластиной 2 и уменьшается емкость между пластиной / и неподвижной пласти­ной 5.

Дифференциальная схема, как уже отмечалось, обеспечивает компенсацию противодействующего момента, поскольку суммар­ная емкость датчика остается неизменной.

На рис. 8.7 показан емкостный датчик с цилиндрическими об­кладками, применяемый для измерения уровня токонепроводящей



жидкости или сыпучих тел. Одной обкладкой может служить ме­таллический бак или резервуар с внутренним радиусом г_ивторая обкладка выполнена в виде металлического стержня или цилинд­ра с наружным радиусом г₂. Если резервуар заполнен до уровнях жидкостью с диэлектрической проницаемостью е_и, то емкость дат­чика можно представить как емкость двух параллельно соединен­ных конденсаторов:



где С_х— емкость нижней части резервуара, заполненной жидко-костью; C_L-x— емкость верхней части резервуара, заполненной воздухом. Чувствительность такого датчика тем больше, чем боль­ше диэлектрическая проницаемость _и материала, уровень которо­го измеряется.

Общая формула для емкости конденсатора с цилиндрическими обкладками

 

где l— длина оокладок.

---

Смотрите также файлы

• This book 5 days ago. This book.docx

• Реферат по теме Особенности психического развития детей с нарушениями интеллекта.docx

• Сказка Беседа Об этом нельзя забыть.docx

• Computer Science Unleashed Harness the Power of Computational Systems.docx

• 1. Зарождение воспитания, школы и педагогической мысли в первобытном и рабовладельческом обществах.docx