Глава 3. Емкостные датчики

В емкостных датчиках под действием внешних физических воздействий изменяется величина электрической ёмкости конденсаторов различных конструкций. Преобразование ёмкости в напряжение или ток, позволяет определить величину внешнего воздействия.

3.1 Принцип действия

Для уяснения принципа действия емкостного датчика рассмотрим плоский конденсатор переменной ёмкости.

Электроёмкость плоского конденсатора (рис. 3.1) выражается формулой:

C =εε₀A/d (3.1)

где: ε –относительная диэлектрическая проницаемость среды между обкладками; ε₀- электрическая постоянная; А –площадь, совместно перекрываемая пластинами конденсатора; d - расстояние между пластинами.

Рис. 3.1

Любой из параметров, входящих в формулу (3.1) может использоваться для построения датчика. Для определённости рассмотрим изменение параметра А (рис. 3.2).

Рис. 3.2

Изменение площади перекрытия пластин определяется величиной смещения:

A = bx. (3.2)

Подставляя (3.2) в (3.1) получим уравнение

C =(ε ε₀b/d) x, (3.3)

выражающее передаточную функцию емкостного датчика линейного перемещения. Реальная функция будет отличаться от линейной из-за влияния краевых эффектов и нарушения однородности электрического поля между пластинами.

Нарушение линейности иллюстрируется рис. 3.3.

Рис. 3.3

3.2 Чувствительность емкостных датчиков

Чувствительность определяется как изменение емкости C на единицу перемещения x:

(3.4)

Таким образом, чувствительность S_c повышается, когда расстояние между пластинами d уменьшается. При построении высокочувствительных датчиков расстояние между пластинами делается достаточно маленьким.

3.3 Ограничения для емкостных датчиков

При разработках емкостных датчиков нужно учитывать ряд ограничений.

А) Технологические ограничения связаны с желанием получить высокую чувствительность и возможностью обеспечить тонкий изолирующий зазор, гарантирующий исключение механического контакта между пластинами. Проблема усложняется в случае подвижных пластин. Частичное решение достигается использованием жидкого диэлектрика.

Б) Ограничение, связанное с электрическим пробоем диэлектрика. Напряжённость электрического поля E, при постоянном напряжении между пластинами U, обратно пропорциональна толщине зазора d:

При уменьшении зазора напряжённость поля может достичь величины электрического пробоя диэлектрика. При этом между пластинами возникает электрическая искра, создающая электрический контакт между пластинами и разрушающая диэлектрический слой. Например, если в качестве диэлектрика используется сухой воздух, то пробой возникает при напряжённости поля Е=10 кВ/см. При толщине зазора d=0,1 мм напряжение между пластинами не должно превышать напряжения U=100 В. При увеличении влажности напряжение пробоя уменьшается.

3.4 Емкостные датчики малых перемещений

Одно из самых популярных применений емкостных датчиков это измерение малых воздушных зазоров. Они эффективны при измерении шероховатости плоских поверхностей, например зеркал. Их используют при профилировании любых гладких поверхностей, например при формировании кривизны оптических линз. В медицинской практике датчики используют при изготовлении контактных линз или протезировании зубов.

В этих случаях входной переменной является толщина зазора d. На рис. 3.4 приведен график передаточной функции C = f (d), определённой в соответствии с (3.1).

Рис. 3.4

На характеристике можно выделить три области. В области I датчик имеет наибольшую чувствительность, т.е. небольшое смещение Δd вызывает большое изменение ёмкости ΔC. Однако, в этой области велика вероятность механического контакта и электрического пробоя. В области III чувствительность датчика слишком мала.

Оптимальное соотношение между надёжностью и чувствительностью наблюдается в области II, которая определяет рабочий диапазон датчика. Величина рабочего диапазона зависит от величины площади пластин А конденсатора и может достигать 200 мкм. Чтобы поддерживать величину ёмкости в рабочей области, при увеличении зазора d нужно увеличивать площадь А.

Одна из распространенных конструкций для емкостных датчиков приведена на рис. 3.5.