3.3. Емкостные преобразователи

Емкостным называется преобразователь в виде конденсатора, емкость которо­го зависит от измеряемой неэлектрической величины. Наибольшее распространение получили преобразователи с плоскостными и цилиндрическими электродами (рис. 3.5). Статические характеристики имеют вид:

(3.3)

где ε₀ - электрическая постоянная; ε_г - относительная диэлектрическая проницаемость среды между электродами; S - эффективная площадь взаимодействия обкладок; d - расстояние между ними; h - длина цилиндрической поверхности; R₁ - внутренний радиус внешнего цилиндра; R₂ - внешний радиус внутреннего цилиндра. Емкостные преобразователи используются для измерения свойств материалов, а также для измерения перемещений. Поскольку в преоб­разователях с плоскостными электродами С_х линейно зависит от ε_г и S, но нелинейно от d, то их диапазон преобразования обычно не превышает нескольких процентов начального значения d (чтобы работать на квазилинейном участке функции преобразования). Расширить диапазон преобразования можно путем использования дифференциального преобразователя (рис. 3.6), в котором верхний и нижний электроды неподвижны, а средний может перемещаться, реагируя на соответствующее изменение измеряемой неэлектрической величины. Очевидно, что приращения выходных емкостей такого преобразователя имеют противоположные знаки.

Это эффективно используется путем включения С₁ и С₂ в смежные плечи моста переменного тока, в результате чего существенно возрастает чувствительность измерительной схемы и уменьшается нелинейность статической характеристики. Начальная емкость емкостных преобразователей 10-100 пф. Основная погрешнось 1-3%.

Рис. 3.5. Емкостные преобразователи с плоскостными (а) и цилиндрическими (б) электродами

Рис. 3.6. Дифференциальный емкостной преобразователь

Пьезоэлектрическим называется преобразователь, использующий прямой пье­зоэлектрический эффект, который заключается в электрической поляризации неко­торых диэлектриков при механическом напряжении в их кристаллах. Наиболее из­вестный пьезоэлектрический кристалл - кварц (SiO). Особенностью пьезоэффекта является знакочувствительность. Пьезоэлектрические преобразователи нельзя использовать для преобразования статических входных величин, поскольку из-за конечности входного сопротивления нагрузки генерируемый заряд постепенно стекает с поверхности преобразователей. Пьезопреобразователи позволяют измерять механические величины, меняющиеся с частотой 7-10 кГц. Погрешности - 3-4%.

3.4. Индуктивные преобразователи

В индуктивных преобразователях используется зависимость индуктивности катушки от изменения сопротивления магнитной цепи. На рис. 3.7 представлен преобразователь с переменной длиной воздушного зазора.

Рис. 3.7. Индуктивный преобразователь с переменной длиной воздушного зазора

Если пренебречь магнитным сопротивлением магнитопровода по сравнению с машинным сопротивлением зазора, то для данного преобразователя получаем:

(3.4)

где μ_о - магнитная постоянная; W - число витков катушки; S - площадь поперечного сечения магнитной цепи; δ - длина воздушного зазора. Таким образом, статическая характеристика нелинейная и близка к гиперболической. Линейной характеристику можно считать лишь при относительных изменениях.

Повышение линейности при одновременном увеличении чувствительности достигается в дифференциальном индуктивном преобразователе (рис. 3.8), который образован двумя неподвижными П-образными магнитопроводами с размешенными ни них обмотками W и подвижным якорем из машинного материала, расположен­ным в исходном состоянии симметрично по отношению к обоим магнитопроводам с начальным зазором.

Рис. 3.8.Дифференциальный индуктивный преобразователь

При последовательном и встречном включении обмоток их суммарная индуктивность равна:

(3.5)

Индуктивные преобразователи с переменной площадью воздушного зазора (рис. 3.8) имеют практически линейную функцию преобразования, что объясняется прямопропорциональной зависимостью между величинами L_x и S. Разностью ин­дуктивных преобразователей являются магнитоупругие преобразователи, исполь­зующие зависимость магнитных свойств ферромагнитного материала от механиче­ских упругих деформаций (рис. 3.9). Максимальной чувствительностью среди ферромагнетиков в этом смысле обладает железо-никелевый сплав - пермаллон. По­грешности индуктивных преобразователей лежат в диапазоне 0,1-1,5%.

Рис. 3.8. Индуктивный преобразователь с переменной площадью воздушного зазора

Рис. 3.9. Магнитоупругий преобразователь

Работа трансформаторных преобразователей основана на соотношении для ЭДС. По конструкции трансформаторные преобразователи напоминают индуктивные и могут быть как с переменным воздушным зазором, так и с переменной площадью воздушною зазора (рис. 3.10). Главное их отличие от индуктивных состоит в том, что выходной величиной является не индуктивность, а ЭДС, для чего обмотка W₁ и запитывается током I) от источника переменного напряжения, а выходной сигнал снимается с дополнительной обмотки W₂. По сравнению с индуктивными транс­форматорные преобразователи имеют такое важное преимущество, как отсутствие гальванической связи между питающими и выходными цепями, что способствует значительному повышению их помехозащищенности.

Рис. 3.10. Трансформаторный преобразователь с переменной площадью воздушного зазора