Емкостные датчики

Глава 8

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.

Рекомендуемые материалы

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_Ba4 выбирается 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

.

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 1 закреплена 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 1 перемещается 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_и вторая 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.

Для емкости нижней части датчика

Для емкости верхней части датчика

где L — высота обкладок датчика, т. е. максимальный уровень за­полнения резервуара.

Чувствительность датчика определяем, дифференцируя   (8.13) по уровню,

Из уравнения (8.14) видно, что чувстви­тельность датчика постоянна во всем диапазоне измерений. При измерении уровня химически агрессивных жидко­стей наружная и внутренняя обкладки покрываются защитным покрытием. Из-

мерение уровня с помощью емкостных датчиков используется в космической и авиационной технике, химии, нефтехимии, других отраслях промышленности.

Емкостные датчики нашли применение также для автоматиче­ского измерения толщины различных материалов и покрытий в процессе их изготовления.

Рассмотрим емкостный датчик (рис. 8.8) для измерения толщи­ны материала из диэлектрика (например, изоляционной ленты). Между неподвижными обкладками конденсатора 1 протягивается с помощью роликов 2 контролируемый материал 3.

Емкость датчика, представляющего собой плоский двухобкла-дочный конденсатор с двухслойным диэлектриком,

где s — площадь обкладок;   d — расстояние   между   обкладками;  — толщина контролируемого    материала;   _и — диэлектрическая проницаемость контролируемого материала. Чувствительность датчика

Чем меньше разница между d и , чем больше диэлектрическая проницаемость материала е_и. тем выше чувствительность. Повы­сить чувствительность измерения с помощью емкостных датчиков можно за счет выбора соответствующей измерительной схемы.

Включение емкостного датчика в мостовую схему (см. рис. 8.5), питаемую от источника повышенной частоты, позволяет зафикси­ровать изменения емкости на 0,1%. Более высокую чувствитель­ность позволяет получить так называемая резонансная схема. В этом случае емкостный датчик включается в колебательный кон­тур совместно с индуктивным сопротивлением. Резонансная схема показана на рис. 8.9, а. Высокочастотный генератор 1 имеет часто­ту напряжения f_r и питает индуктивно связанный с ним контур, со-

стоящий из индуктивности L_н, подстроечного конденсатора С₀ и ем­костного датчика С_д. Напряжение U_к, снимаемое с контура, усили­вается усилителем 2 и измеряется прибором 3, шкала которого мо­жет быть проградуирована в единицах измеряемой величины. При помощи подстроечного конденсатора С₀ контур настраивается на частоту f₀, близкую (но не равную) к частоте генератора.

Настройка производится при средней емкости датчика в диа­пазоне возможных изменений измеряемой величины

Вместе с этой лекцией читают "28. Способы и методы снижения шума в станках и помещениях".

В результате настройки напряжение U_pснимаемое с контура, должно быть примерно вдвое меньше (точка Б на рис. 8.9, б), чем напряжение при резонансе U_p (точка О на рис. 8.9, б). Таким об­разом, рабочая точка Б будет находиться примерно посередине од­ного из склонов резонансной характеристики. Этим обеспечиваются высокая чувствительность измерения (до 0,001%) и примерно ли­нейная шкала измерительного прибора 3. Малейшее перемещение подвижной пластины датчика С_д приводит к резкому изменению напряжения контура. Уменьшение емкости (С_яо—С) приводит к резкому увеличению напряжения, увеличение емкости (С_д0+С)— к резкому уменьшению напряжения. При выборе рабочей точки на левом склоне резонансной характеристики (с помощью подстроен­ного конденсатора) уменьшение емкости приводит к уменьшению напряжения, и наоборот.

Резонаненая частота контура определяется из условия резо­нанса   (равенства емкостного   и   индуктивного   сопротивлений)

Резонансная кривая идет тем круче, чем меньше активная сос­тавляющая сопротивления контура.