Емкостные преобразователи

Емкостные преобразователи основаны на зависимости электрической емкости конденсатора от размеров, взаимного расположения его обкладок и от диэлектрической проницаемости среды между ними .

Емкость С между двумя параллельными проводящими плоскостями площадью S, разделенными малым зазором без учета краевого эффекта выражается следующей формулой

где о – диэлектрическая постоянная;

- - относительная диэлектрическая проницаемость среды между обкладками.

Из выражения для емкости видно, что преобразователь может быть построен с использованием одной из зависимостей С=f1(), C=f2(S) и C=f3(), т.е. с изменяющейся длиной зазора , с изменяющейся площадью S и с изменяющейся диэлектрической постоянной .

В качестве измерительных цепей емкостных преобразователей в большинстве случаев используют неуравновешенные мосты переменного тока. Для уменьшения влияния емкостей соединительных проводов размещение всех элементов моста производится в непосредственной близости от преобразователя или эти элементы располагают конструктивно вместе с преобразователем. Поскольку емкости большинства преобразователей составляют 10-100 пФ, в связи с чем даже на высоких частотах их выходное сопротивление велико (103-107 Ом), а выходная мощность преобразователей настолько мала (микровольтамперы), то их применяют только в сочетании с электронными усилителями, включенными в измерительную диагональ моста.

Для улучшения линейности преобразования и увеличения чувствительности часто используется цепь с дифференциальным емкостным преобразователем. Емкости дифференциального преобразователя включаются в соседние плечи моста, а в два других плеча включаются низкоомные резисторы, взаимосвязанные индуктивности или полуобмотки питающего трансформатора. Линейность выходной характеристики дифференциального емкостного преобразователя включенного в мост, зависит от сопротивления указателя. Для увеличения линейности выходной характеристики в измерительную диагональ моста с преобразователя с переменным зазором включается указатель с большим входным сопротивлением.

По своим динамическим свойствам емкостной преобразователь, как таковой, если в качестве выходной и входной величин считать соответственно приращение емкости С и изменение  ( или S), относится к безинерционным.

Преимущества емкостных преобразователей - простота устройства, высокая чувствительность, малое потребление энергии, сравнительная простота изготовления.

Недостатками являются малая выходная мощность, необходимость использования источника питания повышенной частоты, необходимость высококачественной изоляции и экранировки от внешних полей, ограниченный диапазон измерения входной величины, влияние температуры и влажности .

Основная погрешность измерения определяется конкретными условиями работы и конструкцией преобразователя и колеблется в пределах от 1% до 0,001%

Область применения емкостных преобразователей с изменяющимся зазором – измерение малых перемещений (от долей микрометра до долей миллиметра). Эти преобразователи обладают высокой чувствительностью (до 500 В/мм), малыми погрешностями и простотой конструкции, что в ряде случаев делает их незаменимыми. Преобразователи с изменяющейся площадью применяются для измерения больших линейных (более 1 см) и угловых (до 270о) перемещений.