3.5 Емкостные датчики с изменением диэлектрических свойств
Работа большой группы емкостных датчиков основана на изменении диэлектрической проницаемости материала, заполняющего пространство между пластинами конденсатора
C = f (ε).
Схематическое изображение такого датчика приведено на рис. 3.6.
Рис. 3.6
Часть пространства между пластинами заполнена материалом с диэлектрической проницаемостью . Электрически эквивалентная схема такого датчика представляется двумя параллельно включёнными конденсаторами
Суммарная ёмкость цепи
Учитывая, что Aε=bx и A=bl (см. рис. 3.1), получим передаточную функцию в виде
.
(3.6)
График передаточной функции имеет вид прямой линии и представлен на рис. 3.7.
Рис. 3.7
Датчики такого типа могут использоваться, например, для определения уровня жидкости или границы раздела двух сред с различающимися значениями диэлектрической проницаемости (рис. 3.8).
Электронная схема
l
x
Рис. 3.8
Обычно величину ёмкости измеряют на переменном токе. Поэтому нужно иметь в виду, что диэлектрическая проницаемость зависит от частоты измерительного тока (рис. 3.9).
f
Рис. 3.9
3.6 Электрические схемы емкостных датчиков
Практически используются две основные схемы включения емкостных датчиков: резонансная и дифференциальная.
3.6.1 Резонансная схема емкостного датчика
Схема резонансного емкостного датчика приведена на рис. 3.10.
Рис. 3.10
В схему включается дополнительный конденсатор Cдоб, который позволяет корректировать параметры схемы для достижения максимальной чувствительности схемы.
Схема содержит емкостные и индуктивные элементы. При постоянной величине индуктивности L зависимость между выходным напряжением U ёмкостью носит явно выраженный резонансный характер (рис. 3.11).
Чувствительность схемы определим как S=ΔU/ΔC.
Рис. 3.11
В точке резонанса индуктивное и емкостное сопротивление цепи должны быть равны XL = XC:
.
Максимальная чувствительность достигается в области, близкой к резонансу. Если известна нижняя граница диапазона изменения ёмкости преобразователя Cs-min, то величина ёмкости конденсатора
Cдоб=CрезCs-min, обеспечивающая наибольшую чувствительность, может быть определена из следующего соотношения:
Резонансные схемы обладают наибольшей чувствительностью.
3.6.2 Дифференциальные схемы емкостных датчиков
А) Мостовая схема представлена на рис. 3.12.
Рис. 3.12
Балластные резисторы R и емкостные преобразователи CS1 и CS2 образуют плечи измерительного моста. В одну диагональ моста включен источник переменного напряжения, а с другой диагонали снимается выходное напряжение, которое подаётся на дифференциальный усилительный каскад.
Под действием внешнего воздействия ёмкости конденсаторов изменяются на ΔС, т.е. ёмкость одного конденсатора возрастает, а другого –уменьшается (рис. 3.13). При этом нарушается баланс моста и на выходной диагонали моста появляется выходной сигнал.
Рис. 3.13
Б) Схема «конденсатор – диод» представлена на рис. 3.14.
Рис. 3.14
При положительном полупериоде диоды VD1 и VD4 открыты, конденсаторы (C3; CS1) и (C4; CS2) образуют делители напряжения. В точках c и d формируется положительное напряжение (рис. 3.15). Напряжение в точке а совпадает с напряжением в точке c, а в точке b –с напряжением в точке d. Выходное напряжение U=uab.
При отрицательном полупериоде диоды VD2 и VD3 открыты, конденсаторы (C4; CS1) и (C3; CS2) образуют делители напряжения. В точках c и d формируется отрицательное напряжение. Напряжение в точке а совпадает с напряжением в точке d, а в точке b –с напряжением в точке с. Выходное напряжение U=ubа.
Таким образом, полярность выходного сигнала не изменяется.
Если емкости C3= C4 и CS1= CS2, то напряжения Uc=Ud и выходное напряжение U=0.
Если CS1< CS2, то напряжения |Uc|>|Ud| и выходное напряжение U>0.
Если CS1> CS2, то напряжения |Uc|<|Ud| и выходное напряжение U<0.
Величина выходного напряжения зависит от разности (CS1- CS2):
.
Рис. 3.15