17. Датчики перемещения с изменяющейся емкостью

Е мкостной датчик представляет собой одну или несколько емкостей с изменяющимися параметрами. Ёмкость зависит от площади обкладок конденсатора S, расстояния между ними d и диэлектрической проницаемостью диэлектрика .

В различных датчиках, применяющихся для контролирования какой-либо неэлектрической величины, может меняться один из указанных параметров

На рис.16,а представлен датчик из двух параллельных пластин, применяющийся для измерения небольших смещений. В данном датчике переменой величины является расстояние между пластинами.

Для преобразования угловых перемещений в изменение емкости применяются поворотные датчики (рис.16,б), в которых переменной величиной является площадь конденсатора. Для увеличения емкости датчика обычно берут не одну пару пластин, а систему, состоящую из нескольких неподвижных и подвижных пластин. Примером такого датчика может явиться обычный воздушный конденсатор переменной емкости, применяемый в радиотехнике.

Для измерения перемещений применяются цилиндрические емкостные датчики (рис.16,в) с переменой площадью.

В датчиках для измерения уровня жидкости (рис.16,г) и сыпучих тел переменной величиной является диэлектрическая проницаемость.

Важнейшими характеристиками емкостных датчиков являются величина емкости датчика и его чувствительность.

Расчет емкости датчиков производится по формулам, отражающим соотношение величины емкости, геометрических размеров датчика и диэлектрической постоянной среды между обкладками конденсатора.

Чувствительность датчика выражается величиной приращения емкости при изменении контролируемой неэлектрической величины на единицу ее измерения. Чувствительность находят дифференцированием выражения для емкости по переменной неэлектрической величине (по смещению, углу поворота, высоте уровня).

Расчетная формула

Плоскопараллельный датчик для измерения смещений. Зависимость емкости от величины смещения (см. рис.16 а) выражается формулой

, (9.1)

где С – емкость датчика, пф;

величина смещения, т. е. величина изменения зазора между пластинами, мм;

d – зазор между пластинами при = 0, мм;

S – площадь пластин, см² .

В этой формуле предлагается, что между пластинами находится воздух, т.е. .

Чувствительность такого датчика

,

18. Датчики величины усилия

Данную группу составляют датчики, использующие следующие зависимости:

1. Изменение сопротивления от величины усилия.

;

2. Изменение индуктивности от величины усилия.

L_x = f() ;

3. Изменение емкости от величины усилия.

C_x = f() ;

4. Изменение э. д. с. от величины усилия.

E_x = f() ;

Датчики с изменяющимся активным сопротивлением

Простейшим датчиком усилий с изменяющимся сопротивлением может служить проволока, растягиваемая силами Р_х (рис.17,а). Так как сопротивление проволоки равно:

; или , то . Чувствительность датчика определяется как , где - удельное сопротивление проволоки датчика; l – длина, см; q – площадь сечения проволоки, см2, - коэффициент Пуассона.

Рис.17

Сила Р_х связана с удлинением проволоки по закону Гука:

;

где Е – модуль упругости материала проволоки датчика, кГ/см².

Обычно чувствительность датчиков лежит в пределах S = 2-5 (до 12).

Проволочные датчики широко используются в качестве тензометров, т.е. измерителей напряжений и удлинений в различных частях конструкций. Проволочный датчик-тензометр представляет собой ряд петель (от 2 до 40) длиной 5-25 мм, реже до 100 мм, шириной 0,8-10 мм, из проволоки с d = 0,002 – 0,05 мм, который наклеивается на бумажную подкладку, а сверху заклеивается защитной бумажной полоской (рис.17,б). Проволочный датчик-тензометр наклеивается на тщательно защищенную часть конструкции при помощи клея (целлюлозного, бакелитового, карбинольного, резинового, воскового) или какого-либо цементирующего состава. Проволочные датчики обладают малой инерционностью и не имеют гистерезиса. Включение датчиков обычно производится по схеме моста или потенциометра (рис.18)

Рис.18

Наряду с проволочными датчиками широкое распространение имеют датчики из полупроводниковых материалов. В качестве последних применяются искусственные составы («тензолиты»):

1. Графит + тонкий кварцевый песок и смола.

2. Графит + мел + шеллак (или канифоль).

3. Уголь (или сажа) + бакелитовый лак.

Датчики изготавливаются обычно или в виде полосок (длиной l = 40-60 мм, шириной b = 4-6 мм, толщиной h = 1-30 мм), или в виде нитей (d = 1-2 мм), или в виде слоя на изолирующей подкладке. Датчики из тензолитов обладают большей чувствительностью (до S = 300), но часто имеют нестабильные характеристики, малую механическую прочность и большой гистерезис.

Датчики с изменяющей и взаимной индуктивностью.

Изменение магнитной проницаемости ферромагнитных материалов при наличии в них механических напряжений может быть использовано для датчиков, у которых .

Величина относительного изменения магнитной проницаемости является функцией следующих параметров:

,

а значение чувствительности датчика по отношению к механическим напряжениям р_х

,

где Н – величина напряженности намагничивающего поля;

- изменение температуры датчика.

Максимальная чувствительность датчика _макс будет иметь место при Н=Н_опт, которая соответствует _макс.

В качестве материала магнитоупругих датчиков обычно применяют никелево-железные сплавы. Зависимость относительного изменения магнитной проницаемости от величины механических напряжений

в области упругих деформаций и малого относительного удлинения для отожженного пермаллоя (78,5% Nі) приведена на рис.19. В качестве материала для датчика можно рекомендовать также сплав 65% Nі и35% Fе. Часто датчики-тензометры предварительно тренируют путем многократных деформаций. На рис.19,б показано устройство двух типов датчиков для измерения напряжений и деформаций. Включение датчиков обычно осуществляют по мостовой схеме.

Температурные погрешности при этом доходят до 1% на 1ºС. Поэтому часто для компенсации температурных влияний два одинаковых датчика, находящихся в одинаковых температурных условиях, включают в смежные плечи мостовой схемы. Питание мостовых схем с подобными датчиками осуществляют от источника переменного тока повышенной частоты (f = 5 000 – 50 000 гц).

Датчики с изменяющейся емкостью

Для ряда материалов существует зависимость относительного изменения диэлектрической проницаемости от величины механических напряжений . Эта зависимость может быть использована для построения емкостных датчиков, реагирующих на величину усилий. При этом диэлектрическая проницаемость в зависимости от величины давления определяется как .Чувствительность датчика будет равна:

Включение датчика осуществляется по мостовой или дифференциальной схеме. Составляя столб из ряда (n) датчиков так, чтобы на них воздействовала одна и а же сила Р_х, соединяя обкладки параллельно, можно получить достаточно большое значение емкости датчика C_Σ =nC и увеличить значение проводимости датчика С_Σ.