8.4. Преобразователи угловых и линейных перемещений, давления, влажности, концентрации

8.4.1. Емкостные датчики

Принцип действия емкостных датчиков основан на изменении емкости конденсатора под воздействием входной преобразуемой величины. Емкость конденсатора определяется соотношением

, (8.38)

где ε – относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика; ε₀ – диэлектрическая проницаемость вакуума; S – площадь пластины; δ – толщина диэлектрика, или расстояние между пластинами.

На емкость конденсатора можно влиять изменением площади перекрытия пластин (рис. 8.21, а), диэлектрической проницаемости e вещества, находящегося в зазоре между обкладками конденсатора (рис. 8.21, б), расстояния между ними δ=δ₀+x (рис. 8.21, в). Выбор изменяемого параметра зависит от характера измеряемой величины.

Емкостные преобразователи используют для измерения угловых и линейных перемещений, линейных размеров, уровня, давления, влажности, концентрации и др. Конструктивно они могут быть выполнены с плоскопараллельными, цилиндрическими, штыревыми и гибкими электродами, с наличием или отсутствием диэлектрика между пластинами.

Емкостной плоскопараллельный ПИП с изменяемой площадью перекрытия S описывается уравнением преобразования

, (8.39)

где а – ширина пластин конденсатора; х – длина перекрытия электродов (см. рис. 8.8, а).

а б в

Р и с. 8.21. Виды измерения параметров емкостными датчиками

Емкостные преобразователи перемещения с переменной площадью перекрытия используют и для измерения угловых величин. В этом случае емкость измерительного преобразователя

, ^(8.40)

а чувствительность

^(8.41)

где r₂ и r₁ – наружный и внутренний радиусы пластин; j₀ – начальный угол перекрытия пластин.

К достоинствам емкостных ИП можно отнести простоту конструкции, малые размеры и массу, высокую чувствительность, большую разрешающую способность при малом уровне входного сигнала, отсутствие подвижных токосъемных контактов, высокое быстродействие; возможность получения необходимого закона преобразования за счет выбора соответствующих конструктивных параметров, отсутствие влияния выходной цепи на результат измерения.

Недостатки емкостных ИП состоят в относительно низком уровне выходной мощности сигналов, нестабильности характеристик при изменении параметров окружающей среды, влиянии паразитных емкостей, гистерезис давления. Эти недостатки устраняются введением соответствующих поправок в ВИП. Точность такого сенсора составляет 0,035…0,075% от диапазона измеряемого давления.

8.4.2. Оптоэлектронные преобразователи

Оптическое излучение характеризуется большим числом параметров (интенсивностью, длиной волны, фазой, частотой, поляризацией и др.), каждый из которых можно использовать для измерения различных физических величин: температуры, давления, геометрических размеров, скорости, концентрации, состава и т.д. В общем случае оптоэлектронный преобразователь (ОЭП) измеряемой величины a в выходной электрический сигнал содержит (рис. 8.22) источник излучения оптического потока Ф, диафрагму, оптическую среду (или световод), считывающие элементы и приемник излучения, воспринимающий поток Ф и преобразующий его посредством кодирующего сопряжения в электрический сигнал I_ф, который далее подается в вычислитель измерительного преобразователя, в котором формируется цифровой код, соответствующий измеряемому параметру.

Р и с. 8.22. Обобщенная структурная схема ОЭП: ИИ – источник излучения; Д – диафрагма; ЧЭ – чувствительный элемент; СчС – считывающая система; КС – кодирующее сопряжение; ОС – оптическая система; ФПУ – фотоприемное устройство; ВхУ – входное устройство; ПНК – преобразователь напряжения в код; ВыхУ – выходное устройство; a – физическая величина; Na – выходной код

Полупроводниковые лазеры являются источниками когерентного монохроматического излучения. Они позволяют получать интенсивные остронаправленные пучки света. Светодиоды – один из наиболее широко применяемых излучателей в видимой части спектра и в инфракрасном диапазоне. Эти типы излучателей характеризуются высоким КПД (80-90%), малыми размерами, простотой модуляции оптического излучения.

К приемникам оптического излучения относятся фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, интегральные фотоприемники и др. Сопротивление фоторезисторов изменяется под действием оптического излучения. В фотодиодах под воздействием света генерируется электрический ток (фототок). Фототранзисторы можно рассматривать как комбинацию фотодиода и транзистора, усиливающего фототок. Интегральные фотоприемные устройства выполняют функции аналогового (профилированные фотоприемники, мультисканы) или дискретного (матричные фотоприемники) преобразователя перемещения луча или его энергетического центра [152].

На рис. 8.23 приведены схемы некоторых вариантов преобразователей.

а б

в

Р и с. 8.23. Варианты структурных схем оптоэлектронных ИП

В оптоэлектронном термодатчике наиболее просто можно получить значение температуры тела путем измерения светового потока Ф, который меняется при изменении расстояния l от источника излучения 1 до фотоприемника 2, установленного на теле, деформируемом под воздействием температуры (рис. 8.23, а). В этом случае

, (8.42)

где I_с – сила света источника; S_ф – площадь поверхности светочувствительного участка фотоэлемента; l – исходное расстояние от источника света до фотоэлемента; х – измеряемое перемещение.

Широко распространены фотоэлектрические преобразователи с перекрытием светового потока непрозрачным экраном (рис. 8.23, б). В этом случае световой поток изменяется по закону

, (8.43)

где k_э – коэффициент пропорциональности, зависящий от размеров и конфигурации активной площади фотоэлемента и экрана.

Вариантом этого устройства является преобразователь с взаимоперемещающимися решетками (шкалами) для измерения малых линейных или угловых перемещений чувствительного элемента.

Использование оптоэлектронных преобразователей с оцифрованными шкалами или фотоприемниками (рис. 8.23, в) позволяет получать информацию о контролируемом параметре в виде параллельного цифрового кода. Такие преобразователи еще известны как кодирующие измерительные преобразователи. С их помощью можно измерять линейное или угловое перемещение, вращающий момент, частоту и скорость вращения, а также силу и другие физические величины, предварительно преобразованные в параметры перемещения.

Для выноса излучателя и фотоприемника в комфортные условия применяют волоконно-оптические линии связи. Для работы в агрессивных средах в условиях сильных электромагнитных помех выпускают датчики, полностью собранные на элементах волоконной оптики, при этом выходной сигнал выдается в оптическом коде.

Одним из направлений применения оптоэлектроники является использование методов лазерной доплеровской интерферометрии. Суть измерения заключается в определении спектрального сдвига оптического сигнала, отраженного от перемещающейся с определенной скоростью среды (воды, пара, газа). Высокая точность и широкий диапазон измерений скорости (до 0,05% в диапазоне от 10^-3 до 10³ м/с), помехоустойчивость, отсутствие контакта с контролируемой средой обусловливают большую перспективность применения лазерных доплеровских анемометров (ЛДА). До 80% ЛДА выпускают фирмы DANTES (Дания) и TSI (США), производство лазерных доплеровских интерферометров налажено на НПФ «Вымпел» совместно с германской компанией РТВ.