7. Емкостные первичные преобразователи

Емкостной преобразователь представляет собой конденсатор, имеющий два электрода площадью S, разделенных слоем диэлек­трика толщиной д с абсолютной диэлектрической проницаемо­стью Е_а.

Заряд конденсатора определяется по формуле q = CU,

где q - заряд на каждой из пластин конденсатора, [q) = Кл~ С = в_Q д - емкость конденсатора, [С] = Ф; н_а = Ее_о - абсолютная диэлектрическая проницаемость, [e_Q) = Ф/м; н_о = 8,85 ~ 10^-'² Ф/м - электрическая постоянная - абсолютная диэлектрическая прони­цаемость вакуума; в - относительная диэлектрическая прони­цаемость диэлектрика, н >_ 1; U - разность потенциалов, или напряжение на конденсаторе, [ U) = В.

При изменении емкости С за счет изменения расстояния меж­ду электродами д, их площади S или средней диэлектрической проницаемости пространства между ними Е_Д в цепи конденсатора возникает электрический ток I = Oql~t . На этом основано дей­ствие емкостных измерительных преобразователей. Емкость С и реактивное сопротивление Z_c = ~ конденсатора в цепи перемен­ного тока с круговой частотой w = 2~f могут изменяться при пере­мещении щупа и изменении зазора между обкладками (рис. 3.14, а). Это датчики для измерения перемещений 0,001...1 мм. Рис. 3.14, б иллюстрирует работу дифференциального преобразователя, в котором подвижная обкладка 2 перемещается щупом между не­подвижными обкладками 1 и 3. Диэлектриком является воздух. При перемещении обкладки 2 влево емкость между обкладками 1 и 2 растет, между 2 и 3 - убывает. Емкостные преобразователи с переменным зазором отличаются высокой чувствительно­стью (до 500 В/мм), линейной зависимостью сопротивления от зазора, малыми погрешностями и простотой конструкции. Они применяются для измерения малых перемещений. Емкость С и реактивное сопротивление Z~ могут изменяться при перемеще­нии щупа и изменении площади пластин конденсатора вследствие сдвига обкладок относительно друг друга (рис. 3.14, в). Это датчи­ки для измерения перемещений более 1 мм. Достоинством таких преобразователей является возможность соответствующим выбо­ром формы подвижной и неподвижной пластин получить задан­ную функциональную зависимость между изменением емкости и входным перемещением. Еще один вариант конструкции емкост­ного датчика: емкость С и реактивное сопротивление конденсатора Z~ реагируют на перемещение щупа и изменение средней ди­электрической проницаемости за счет перемещения диэлектрика между обкладками (рис. 3.14, г). Датчики такой конструкции удоб­ны, когда оказывается нежелательным электрическое соединение щупа с подвижной пластиной преобразователя. Рис. 3.14, д иллю­стрирует работу дифференциального преобразователя, в котором подвижный элемент 3 из диэлектрика (например, кварца) пере­мещается щупом между неподвижными обкладками 1, 2 и 4. При перемещении щупа влево подвижный элемент заполняет простран­ство между обкладками 1 и 4. Так как н диэлектрика больше н воздуха, то средняя в_Q и емкость между обкладками I и 4 растут, в то время как емкость между обкладками 2 и 4 падает.

Естественной входной величиной емкостного преобразователя является перемещение, естественной выходной величиной - его непрерывно меняющаяся емкость и реактивное сопротивление, поэтому эти датчики относятся к аналоговым параметрическим. В качестве измерительных цепей используются неравновесные мо­сты переменного тока в сочетании с дифференциальным преобразователем, емкости которого являются активными плечами моста.

В качестве пассивных плеч используются низкоомные резисторы, полуобмотки трансформатора или индуктивности.

Емкость большинства емкостных преобразователей очень мала и составляет 10...100 пФ, поэтому даже на высоких частотах их реактивное сопротивление велико (10³... 10⁷ Ом), ток в измери­тельной цепи и мощность выходного сигнала малы, что требует использования усилителя, соединенного с преобразователем с помощью экранированного или коаксиального провода. И экра­нированный, и коаксиальный провод снижают электромагнит­ные наводки, однако сами они обладают значительной емкостью между жилой и заземленным экраном. Все это усложняет измери­тельную цепь и снижает чувствительность и быстродействие из­мерительного прибора.

Таким образом, основной проблемой при создании емкостных измерительных приборов является устранение погрешности за счет емкости соединительного провода в сочетании с эффективной защитой слабого полезного сигнала от электромагнитных помех на соединительном проводе. Для уменьшения сопротивления пре­образователя частота питающего напряжения составляет обычно 10⁵...10' Гц (не меньше 500 Гц).

Такие датчики являются дискретными, инкрементными, па­раметрическими.

На рис. 3.15, а приведен емкостной инкрементный датчик с переменной площадью пластин, используемый для измерения больших угловых перемещений, например угла поворота валапривода подач станка. Ротор 2, жестко скрепленный с валом 3, перемещается относительно статора 1 так, что длина зазора между ними остается постоянной, а ширина меняется периодически, вызывая периодическое изменение емкости преобразователя. На рис. 3.15, б приведена схема абсолютного датчика для измерения небольших угловых перемещений. Емкостные датчики применя­ются для измерения уровня токонепроводящих жидкостей и сы­пучих тел, толщины различных тел и покрытий в процессе их изготовления, а также линейных и угловых перемещений в ши­роком диапазоне.