1) Емкостные датчики

Емкостным датчиком называют такие датчики, в которых измеряемая величина преобразуется в значение емкости непосредственно или при механических перемещениях. Известно, что емкость плоского конденсатора пропорциональна диэлектрической проницаемости среды  и рабочей площади пластин и обратно пропорционально расстоянию между ними :

, (3.1)

где - относительная диэлектричес­кая проницаемость среды между обкладками; - активная площадь обкладок; - расстояние между обкладками.

Принцип действия емкостных датчиков основан на изменении одной из величин , , . Как правило, емкостные датчики включают в мостовые схемы переменного тока или колебательные контуры высокочастотных генераторов. Характерные области применения емкостных датчиков –измерения механических перемещений (емкостные микрометры), измерения уровней, измерения давлений и т.д.

Существуют различные типы емкостных преобразователей. Это может быть преобразователь, представляющий собой конденсатор, одна пластина которого перемещается относительно другой так, что изменяется расстояние между пластинами. Функция преобразования нелинейная, причем чувствительность возрастает с уменьшени­ем . Минимальное значение определяется напряжением пробоя кон­денсатора. Такие преобразователи используются для измерения малых перемещений (менее 1 мм).

Применяют также дифференциальный емкостный преобразова­тель, в котором при перемещении центральной пластины емкость од­ного конденсатора увеличивается, а другого уменьшается. Дифферен­циальная конструкция позволяет уменьшить погрешность нелинейно­сти или увеличить рабочий диапазон перемещений.

Возможно использование емкостного преобразователя для измере­ния уровня жидкости. Емкость между электродами зависит от уровня жидкости, так как диэлектрическая проницаемость контролируемой жидкости отличается от диэлектрической проницаемости воздуха.

Емкостные преобразователи обычно питаются током повышенной частоты (до десятков мегагерц), что позволяет увеличить мощность выходного сигнала и снизить шунтирующее действие сопротивления изоляции. Емкостные преобразователи просты по конструкции, имеют высо­кую чувствительность и относительно малую инерционность. К их не­достаткам следует отнести влияние внешних электрических полей, па­разитных емкостей, температуры, влажности.

Лекция №13 «Индуктивные датчики. Датчики пути и скорости»

Принцип действия индуктивных преобразователей основан на зависимости индуктивности или взаимной индуктивности обмоток от положения, геометрических размеров и магнитного состояния элементов их магнитной цепи.

Индуктивности и взаимные индуктивности обмоток, расположенных на магнитопроводе, при отсутствии рассеяния магнитного потока определяются формулами

, (3.2)

, (3.3)

где и - число витков -й и -й обмоток; - магнитное сопротивление, где - активная составляющая магнитного сопротивления, здесь , , - соответственно длина, площадь поперечного сечения и относительная магнитная проницаемость -го участка магнитопровода; - магнитная проницаемость пустоты; - длина воздушного зазора; - площадь поперечного сечения воздушного участка магнитопровода; - реактивная составляющая магнитного сопротивления, здесь - потери в магнитопроводе на частоте , обусловленные вихревыми токами и гистерезисом; - магнитный поток в магнитопроводе.

Из приведенных формул следует, что индуктивность и взаимную индуктивность можно изменять, воздействуя на длину или площадь поперечного сечения воздушного участка магнитной цепи, на магнитную проницаемость или на потери в магнитопроводе.

Некоторые типы индуктивных преобразователей схематически показаны на рисунке11.

Индуктивный преобразователь (рис11,а) с переменной длиной воздушного зазора характеризуется нелинейной (близкой к гиперболической) зависимостью с перемещением 0,01 —10 мм. Преобразователь с изменяющейся площадью воздушного зазора позволяют измерять перемещения до 15—20 мм (рис.11,б). Преобразователь с разомкнутой магнит­ной цепью применяется для измерения перемещений от 1мм до 100 мм (рис.11,г). Широкое распространение на практике получили дифференциаль­ные преобразователи, в которых перемещение под­вижного элемента вызывает увеличение индуктивности одной обмотки и уменьшение индуктивности другой (рис.11,д,е.).

Индукционные преобразователи применяются для измерений ско­рости линейных и угловых перемещений. Наибольшее применение они получили в приборах для измерения угловой скорости (тахометрах) и в приборах для измерения параметров вибраций, т. е. для измерения линейных и угловых перемещений и ускорений (в виброметрах и аксе­лерометрах).