2.8.Емкостные датчики

В таких датчиках давления применяются емкостные чувствительные элементы, которые представляют собой плоские конденсаторы. Эти датчики позволяют измерять перемещения рабочей точки упругого элемента, исчисляемые сотыми и тысячными долями микрометра.

Емкость плоского конденсатора определяется зависимостью:

,

где ε – диэлектрическая проницаемость среды между пластинами; S – площадь поверхности пластины; δ – зазор между пластинами.

Наиболее употребительны две конструктивные схемы емкостных чувствительных элементов датчиков давления. В первом случае плоская мембрана является подвижным электродом плоского конденсатора. Во втором случае центр мембраны жестко связан с плоским электродом, который помещен с определенными зазорами между двумя неподвижными электродами. На рисунке 6 представлен емкостной датчик давления с одним неподвижным электродом (первая конструктивная схема).

Здесь для крепления неподвижного электрода применена изоляционная шайба 6 без буртика (уступа), что совмещает опорную и установочную поверхность (плоскость А). При такой конструкции нет необходимости производить температурную компенсацию, подбором материалов. Пружинная шайба 8 предотвращает деформацию изоляционной шайбы 6 при изменениях температуры.

Рис. 6. Емкостной датчик давления с одним неподвижным электродом

1 – крышка; 2 – гайка; 3 – корпус; 4 – мембрана; 5 – электрод;

6 – изоляционная шайба; 7 – гайка; 8 – пружинная шайба.

Основной погрешностью емкостных датчиков является температурная погрешность, вызванная смещением электродов (пластин) конденсатора при изменении температуры за счет неравенства значений температурных коэффициентов линейного расширения материала элементов конструкции. Эта погрешность устраняется либо конструктивным путем, либо изготовлением всех деталей емкостного преобразователя из металла одной марки и одной марки изолятора. Причем температурные коэффициенты линейного расширения этих материалов должны быть по возможности малы и не должны отличаться по своим значениям более чем на 1 – 3 %. Для снижения температурной погрешности до величины менее 0.1 % перспективна конструкция измерительной головки, выполненная из кварца, в которой неподвижные и подвижная пластины образованы напылением тонкой пленкой металла (например, суперинвара) непосредственно на кварц.

Зависимость емкости от изменения величины зазора нелинейна, однако при малых относительных перемещениях подвижной пластины эта зависимость может считаться приближенно линейной. При перемещении пластины на величину x имеем зависимость:

.

Пренебрегая величиной , получим . В прецизионных датчиках величина может быть доведена до значений 0.005 – 0.01, при этом нелинейность емкостного преобразователя не превышает 1 %, однако при этом резко снижается чувствительность датчиков.

В большинстве случаев емкостной преобразователь датчика включают в активное плечо измерительного моста. Измерительная схема должна иметь большое сопротивление в выходной диагонали моста, подводящие провода должны быть экранированы. Конструктивные элементы, шунтирующие емкости пластин, должны отсутствовать. С повышением частоты питания сопротивление емкостных преобразователей снижается, и условия работы измерительной схемы улучшаются. В связи с этим частоту напряжения питания выбирать ниже 400 Гц не следует. Выходное напряжение моста рассчитывается по формуле:

,

где Uп – напряжение питания; - относительное изменение зазора; - отношение входного сопротивления показывающего прибора к выходному сопротивлению моста.

Емкостные преобразователи давления имеют следующие преимущества:

1. высокую чувствительность и точность;

2. стабильность характеристики;

3. технологичность изготовления и взаимозаменяемость.

К недостаткам относятся:

1. необходимость использования высокостабильных высокочастотных генераторов напряжения;

2. сложность компенсации и стабилизация емкостей проводов связи датчика с элементами измерительной схемы;

3. наличие температурной погрешности.