1 Назначение принцип действия, конструкция емкостного датчика

Емкостные датчики могут измерять различные физические параметры, далее будем рассматривать емкостные датчики перемещения.

По принципу действия емкостные датчики перемещения могут быть с изменяющимся зазором, с изменяющейся площадью пластин, с изменяющейся электрической проницаемостью(могут использоваься для измерения вертикального перемещения)

Основные обозначения:

Емкость плоского конденсатора без учета краевого эффекта оп­ределяется уравнением

С = ε₀ε_rA/d,

где ε₀ =8,8542*10^-12 А-с/(В-м)—диэлектрическая постоянная;

ε_r — относительная диэлектрическая проницаемость среды, на­ходящейся между пластинами конденсатора;

A — площадь пла­стин;

d — расстояние между ними.

Далее рассмотрим воды емкостных датчиков более подробно.

1.2 Емкостные датчики с изменяющимся зазором

Рис.1 Рис.2

Рис.1 Плоский кон­денсатор с изменяющимся зазором

Рис.1 Двффереициальный конденсатор; сред­няя пластина может перемещаться в поперечном на­правлении.

При изменении зазора d между пластинами на величину Δd ёмкость конденсатора определяется уравнением

Только при малых относительных изменениях зазора Δd/d зависимость ΔС/С и Δd/d практически линейна. При Δd/d=0.1 нелинейность составляет 10%, при Δd/d=0,01 нелинейность составляет 1%.. Для обеспечения линейности в широком диапазоне при­меняют дифференциальный конденсатор (рис. 1). При пере­мещении средней пластины на расстояние Δd, при соответствующей схеме включения (мостовой схеме), изменение ёмкости равно

Подобно индуктивному чувствительному элементу с попереч­ным перемещением якоря и сдвоенными обмотками дифферен­циальный принцип и в этом случае наряду с удвоением чувстви­тельности обеспечивает расширение линейного диапазона. При Δd/d == 0,1 нелинейность характеристики такого конденсатора со­ставляет 1 %.

Характеристика элементов

Входная величина: перемещение.

Выходная величина: изменение емкости.

Диапазон измерения: до 1 мм. Погрешность от нелинейности: 1-3%.

Частотный диапазон: 0—10⁵ Гц.

Преимущества: малая величина необходимых для измерений уси­лий; достаточная чувствительность при высоких температурах.

Недостатки: чувствительность нелинейна; очень большое внутреннее сопротивление; необходимость при­менения коротких подводящих про­водов; чувствительность к электри­ческим помехам.

1.3 Емкостные датчики с изменяющейся площадью пластин

В уравнении емкости конденсатора величина А представляет собой пло­щадь взаимного перекрытия пла­стин. Смещением обеих пластин от­носительно друг друга на величину s можно изменить площадь их пе­рекрытия, причем для пластин пря­моугольной формы зависимость А=bs линейна (рис.3). Поскольку величина А находится в числителе уравнения емкости конденсатора С, то С линейно зависит от s. Использование пластин различной формы позволяет получить квадратичные, логарифмические и т. п. зависимости. Конденсатор переменной ёмкости, состоящий из круглых пово­ротных пластин, применим для для измерения угла поворота.

Рис.2. Плоский конденсатор с изменяющимся перекрытием пластин

Характеристика элемента

Входная величина: линейное и угловое перемещение.

Выходная величина: изменение емкости.

Диапазон измерения: несколько сантиметров; угловое перемещение до 180^е.

Погрешность от нелинейности: крайне мала.

Частотный диапазон: 0—10⁴ Гц.

Преимущества: линейность характеристики, безынерционность, простота получения характеристик иных видов.

Недостатки: чувствительность к помехам; высокоомность; необходимость точного механического изготовления.