Емкостные преобразователи
Емкостные датчики линейных и угловых перемещений являются наиболее распространенными приборами, широко используемыми в машиностроении и на транспорте, строительстве и энергетике, в различных измерительных комплексах.
Емкостные датчики представляют собой плоский или цилиндрический конденсатор, одна из обкладок которого испытывает подвергаемое контролю перемещение, вызывая изменение емкости.
Пренебрегая краевыми эффектами, можно выразить емкость для плоского конденсатора следующим образом:
,
где ε – относительная диэлектрическая проницаемость среды, заключенной между обкладками;
ε0 = 8,854⋅10–12 Ф/м — диэлектрическая постоянная (абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума);
S и d – площадь поверхности рассматриваемых обкладок и расстояние между ними соответственно.
Для цилиндрического конденсатора справедливо следующее выражение:
,
где l
– глубина погружения внутреннего
цилиндра радиусом
во внешний радиуса
.
Емкостные датчики положения замечательны своей простотой. Диэлектриком обычно служит воздух, так что параметры конденсатора зависят только от геометрических характеристик и не зависят от свойств используемых материалов.
В ёмкостных преобразователях перемещение связано с изменением ёмкости конденсатора. Различают три типа емкостных преобразователей:
- с изменяемым зазором;
- изменяемой площадью взаимного перекрытия пластин конденсатора;
- с изменяемой диэлектрической проницаемостью.
Схемы емкостных чувствительных элементов представлены на рисунке 2.5.
а, б- с изменяемыми зазорами; в, г, д, е, ж- с изменяемой площадью
Рисунок 2.5 Схемы емкостных чувствительных элементов
На рисунке 2.5, а) показана схема преобразователя с одной подвижной пластиной 1 и одной неподвижной 2 пластиной. Зависимость ёмкости С от величины перемещения x имеет гиперболический характер. Чувствительность сильно уменьшается с увеличением зазора. Преобразователи с изменяемой площадью перекрытия пластин применяются для измерения больших линейных перемещений (10 мм. и более), эта схема показана на рисунке 2.5 в). Схема для измерения угловых перемещений приведена на рисунках 2.5, д, е, ж. Емкостной измеритель c изменяемой диэлектрической проницаемостью применяется в качестве уровнемера, например воды в баке. Поскольку диэлектрическая проницаемость воды в несколько раз больше диэлектрической проницаемости воздуха, то ёмкость конденсатора увеличивается при заполнении бака. К достоинствам емкостных преобразователей следует отнести их простоту, малые габариты и массу. К недостаткам малый уровень выходного сигнала необходимость питания напряжением высокой частоты, защиты от паразитных помех и т.д.
Лекция 3. Электромагнитные и оптические датчики положения
План лекции:
- Электромагнитные датчики положения;
- Принцип действия вращающихся трансформаторов;
- Фотоэлектрических датчики положения;
- Растровые датчики;
Электромагнитные датчики положения
Основу электромагнитных датчиков положения (ЭДП) составляют индуктивные или индукционные ЧЭ. Самые простые ЭДП строятся на базе индуктивных ЧЭ дроссельного типа.
Принцип действия индуктивных датчиков основан на том, что в перемещение, которое предполагается измерить, вовлекается один из элементов магнитного контура, который вызывает тем самым изменение потока через измерительную обмотку и соответствующий электрический сигнал.
Если подвижным элементом является ферромагнитный сердечник, то его перемещение проявляется:
- в изменении коэффициента самоиндукции катушки (переменная индуктивность);
- в изменении коэффициента связи между первичной и вторичной обмотками трансформатора (дифференциальный трансформатор), что приводит к изменению вторичного напряжения.
В трансформаторе с переменной связью одна обмотка может вращаться относительно другой, закрепленной (одна из них играет роль источника, а другая приемника). Первичная обмотка образует индуктор, а вторичная обмотка с наведенным током дает напряжение в функции угла вращения.
Индуктивные датчики подключаются в цепь, питаемую источником синусоидального напряжения с частотой нескольких кГц и могут измерять непосредственно линейное или угловое перемещение.
Датчики этого типа, с одной стороны, чувствительны к внешним электромагнитным полям, а с другой способны сами их индуцировать. Поэтому необходимо их экранировать.
Индуктивные датчики довольно дороги и сложны в обработке снимаемых сигналов, требуют запитки стабильным синусоидальным напряжением, но зато практически не зависят от атмосферных условий, пригодны к использованию в условиях чрезвычайно агрессивной среды, имеют высокое время наработки на отказ, дают очень высокую точность и линейность.
Питание датчиков и иных индуктивных преобразователей перемещений, а также их подключение ко вторичной аппаратуре производится с использованием дифференциальной или автотрансформаторной схем. Дифференциальная мостовая схема включения датчика перемещений представлена на рисунке 3.1.
а) – схематическое устройство датчика;
б) – дифференциальная схема включения;
1 – измерительный шток; 2 – ферритовый сердечник;
3 – обмотка датчика; 4 – измеряемая деталь
Рисунок 3.1 – Индуктивный датчик положения
Из схемы видно, что измерительный сигнал снимается с диагонали моста, образованного обмотками трансформатора и датчика. К недостатку такой схемы относится наличие в датчике магнитных сил, стремящихся притянуть якорь к сердечнику. Кроме того характеристика имеет нелинейность на концах диапазона измерений за счёт начального тока при нулевом воздушном зазоре, поэтому такие датчики стремятся делать с нулём в средней части и с диапазоном в обе стороны. От указанного недостатка свободны датчики, включённые по трансформаторной схеме, однако она требует наличия дополнительной обмотки подмагничивания. На рисунке 3.2 представлена трансформаторная схема включения индуктивного датчика.
Рисунок 3.2 - Трансформаторная схема включения
индуктивного датчика
Наиболее точные ЭДП строятся на базе индукционного подхода, в соответствии с которым магнитный контур образуют несколько катушек - первичных и вторичных, причем во вторичных индуцируется ЭДС индукции, величина которой пропорциональна относительному положению катушек. Поэтому, индукционные ЭДП относятся к классу электрических машин и разделяются на шесть основных групп:
- дифференциальные трансформаторы,
- индукционные потенциометры и микросины,
- сельсины;
- резольверы (называемые также вращающимися трансформаторами);
- индуктосины;
- редусины.
В робототехнике и мехатронных системах чаще используются резольверы, индуктосины и редусины, главным образом, благодаря большей точности при полном диапазоне измерения (± 3600) и сравнительно небольших размерах.