Контрольні запитання до 7 розділів

1. Які фізичні величини можна вимірювати за допомогою резистивних перетворювачів?

2. Наведіть структурно – функціональну схему для вимірювання деформації та освітленості за допомогою резистивних перетворювачів.

3. Назвіть основні характеристики резистивних перетворювачів.

4. Недоліки та переваги використання резистивних перетворювачів.

5. Вплив навколишнього середовища на характеристики резистивних перетворювачів.

6. Які особливості використання тензорезисторів?

7. Які матеріали використовують для виготовлення чутливих елементів резистивних перетворювачів?

8 Електростатичні перетворювачі

8.1 Принцип дії та область застосування

Найпростіший електростатичний перетворювач складається з двох електродів площею S, розміщених паралельно на відстані  в середовищі з діелектричною проникністю . Під дією вимірювальної величини змінюється відстань між електродами або діелектрична проникність середовища, що знаходиться між обкладками.

Вони широко застосовуються як перетворювачі переміщень та рівнів, а в поєднанні з механічними перетворювачами сил, прискорень та вібрацій в механічне переміщення вони є складовими елементами ємнісних манометрів, динамометрів, віброметрів та акселерометрів.

Вихідною величиною електростатичного перетворювача можуть бути:

а) зміна ємності;

б) сила f_ел.ст.;

в) ЕРС, що індукується при взаємному переміщенні електродів, які знаходяться в електричному полі.

Для електростатичних перетворювачів, в яких змінюється ємність, вхідними величинами можуть бути механічні переміщення, які змінюють зазор або площу, чи зміна діелектричної проникності  під дією зміни температури або складу діелектрика.

Електростатичні перетворювачі із змінною ємністю (ємнісні перетворювачі) використовуються в різноманітних давачах прямого перетворення, а також як перетворювачі дисбалансу в давачах рівноваги.

Для електростатичних перетворювачів з вихідною величиною у виді сили, вхідною величиною є напруга. Такі перетворювачі використовуються в електростатичних вольтметра, а також в давачах зрівноваження в якості зворотних перетворювачів тиску.

8.2 Зміна ємності під впливом зовнішніх умов

Відносна зміна ємності визначається так:

. (8.1)

Площа S, як правило, визначається лінійними розмірами, що становить 10-100мм, і зміна цих розмірів на 0,1-1мкм, викликає мізерно малу зміну площі S і ємності с.

Зазор  в електростатичних перетворювачах складає 10мкм-1мм і його зміна навіть на 0,1мкм може викликати суттєву похибку. Однією з основних причин зміни зазору є зміна геометричних розмірів, що викликано лінійним розширенням матеріалів під дією температури. Діелектрична проникність повітря стабільна:

• при зміні температури на 10^С ;

• при зміні вологості від 30 до 40% ;

• при зміні тиску на 10⁵н/м² .

Стабільними діелектриками є також плавлений кварц ( ) і скло.

8.3 Конструкції ємнісних перетворювачів

На рисунку 8.1,а показано конструкцію ємнісного перетворювача для вимірювання рівня. Перетворювач складається з двох паралельно з’єднаних конденсаторів: конденсатор с₁ створений частиною електродів і діелектриком – рідиною, рівень якої вимірюється; конденсатор с₀ – іншою частиною електродів і діелектриком – повітрям.

На рисунку 8.1,б зображений ємнісний зонд для вимірювання рівня рідини. Являє собою посклений електрод 1, електродом 2 служить провідна рідина, яка міститься у вимірювальному колі, створеному електродами 1 і 3.

На рисунку 8.1,в показаний принцип дії ємнісного перетворювача для вимірювання товщини стрічки із діелектрика. Стрічка 1 протягується за допомогою роликів 2 мі обкладками 3 конденсатора.

На рисунку 8.1,г показаний принцип пристрою ємнісного перетворювача із змінною площею пластин, використовується для вимірювання кута повороту вала. Пластина 1, жорстко скріплена з валом, переміщується відносно пластини 2 так, щоб довжина зазору між ними залишається незмінна.

Для вимірювання малих переміщень (10^-6-10^-3м) використовують перетворювач із змінним зазором (рисунок 8.1,д) обкладка 2 закріплена на пружинах і переміщується поступально під дією вимірюваної сили F. Обкладки 1 і 3 нерухомі. Ємність між обкладками 2 і 3 збільшується, а між обкладками 1 і 2 – зменшується.

Рисунок 8.1.– Конструкції ємнісних перетворювачів

• рисунок 8.1,а:

, (8.2)

де l₀ – повна довжина циліндра; l – довжина на яку циліндр заповнений;  - діелектрична проникність рідини; R1,R2 – зовнішній та внутрішній радіуси циліндрів.

• рисунок 8.1,б:

, (8.3)

де l – довжина занурення;  - діелектрична проникність скла; R1,R2 – зовнішній та внутрішній радіуси скляного покриття.

• рисунок 8.1,в:

, (8.4)

де  –довжина зазору між обкладками конденсатора; S – площа обкладок; _л – товщина стрічки і _л - діелектрична проникність.