6. Физические основы создания емкостных измерительных преобразователей

Емкостной метод первичного получения измерительной информации основан на реализации функциональной зависимости параметров электрического конденсатора от воздействующей на него измеряемой физической величины. При этом модулируемыми параметрами первичного измерительного преобразователя могут являться диэлектрические свойства измеряемой среды, характер распределения электрического поля в пространстве между электродами, геометрические размеры конденсатора и др.

6.1 Модуляция геометрических размеров емкостных преобразователей

Конструктивно емкостной датчик может быть создан, например, на основе плоского или цилиндрического конденсатора. Величина электрической емкости конденсатора зависит от геометрии электродов и физических характеристик диэлектрика, что определяет два подхода к построению первичных измерительных преобразователей на их основе. Механизм чувствительности таких преобразователей может быть основан на модуляции геометрии обкладок, расстояния между ними, на управлении площадью их взаимного перекрытия. Широкое применение находят и емкостные датчики, принцип работы которых основан на управлении в функции измеряемого воздействия диэлектрическими свойствами среды, находящейся между обкладками конденсатора.

Реализация различных механизмов чувствительности преобразователей емкостного типа позволяет создавать на их основе высокочувствительные, быстродействующие, недорогие, компактные датчики, предназначенные для измерения различных физических величин.

При необходимости полного учета всех влияющих факторов эквивалентная электрическая схема замещения емкостного ИП может включать в себя большой набор различных компонентов. Это обусловлено тем, что кроме собственно емкости конденсатора приходится учитывать емкость, индуктивность и активное сопротивление соединительных проводов, сопротивление утечки по поверхности и объемное сопротивление диэлектрика, явление абсорбции зарядов (остаточное накопление зарядов после механических нагрузок) и др.

Рис. 6.1 ЭЭСЗ емкостного первичного преобразователя.

При конструировании датчиков такого типа приходится решать проблему искажения электрического между обкладками из-за наличия краевых эффектов. В то же время, за счет рационального использования нелинейности функции измерительного преобразования вследствие искажения электрического поля в рабочей области емкостного датчика можно существенно повысить его чувствительность.

Анализ механизма чувствительности емкостных преобразователей к измеряемым или дестабилизирующим воздействиям связан с необходимостью учета ряда факторов. Это, например:

• преломление электрического поля на границе раздела сред с отличающимися значениями диэлектрической проницаемости;

• втягивание силовых линий электрического поля в диэлектрик с большей, чем в окружающей среде, диэлектрической проницаемостью;

• изменение напряженности электрического поля при переходе через границу сред с отличающимися значениями диэлектрической проницаемости;

• диэлектрическая проницаемость вещества может являться комплексной величиной, что определяет зависимость электрических свойств вещества от частоты электрического поля;

• электрические свойства диэлектрика зависят от структуры и механизма поляризации вещества, что может обусловить зависимость характеристик преобразователя от величины напряженности электрического поля;

• диэлектрическая проницаемость вещества может достаточно сильно зависеть от различных внешних воздействий (механических напряжений в теле диэлектрика, температуры, влажности и т.п.);

• эффект экранирования (постоянное электростатическое поле отсутствует внутри проводящей оболочки, так как заряды могут находиться только на наружной поверхности оболочки);

• напряженность электрического поля выше в местах искривления электрически заряженной поверхности и др.

Электрическое поле может подводиться извне от дополнительного источника энергии или генерироваться непосредственно в самом преобразователе (элетростатическая индукция, пьезоэффект и др.).

В качестве выходных сигналов емкостного датчика могут использоваться различные параметры: величина тока в цепи; напряжение на конденсаторе; тангенс угла диэлектрических потерь и др.