Конденсатор и диэлектрическая проницаемость
Для того чтобы работать с емкостным датчиком, нужно знать, как емкость вычисляется. Известное уравнение воздушного плоского конденсатора:
C = . . . (4.16)
устанавливает связь между емкостью, площадью пластин и расстоянием между пластинами. Изменение любого из этих параметров влечет за собой изменение величины емкости конденсатора, которое можно точно измерить, используя соответствующую электронную схему преобразования. Отношение s/d называется геометрическим фактором (G) плоского конденсатора.
Цилиндрический конденсатор (рис. 4.2 слева) состоит из двух коаксиальных проводящих цилиндров длиной l и с радиусами а и b, соответственно.
Рис. 4.2 Цилиндрический конденсатор (слева) и емкостной датчик перемещения на его основе
Для l >> b можно пренебречь краевым эффектом и вычислять емкость по формуле:
C = . . . . (4.17)
Для коаксиального конденсатора геометрический фактор представляется соотношением 2πl[ln(b/a)]−1. В обеих формулах l представляет величину перекрытия пластин конденсатора. Как следует из (4.17), емкость коаксиального конденсатора находится в линейной зависимости от степени перекрытия l. На базе такого конденсатора можно построить полезный датчик перемещения объекта (объект соединен с внутренним проводником конденсатора).
Диэлектрическая проницаемость
Заполнение промежутка между пластинами конденсатора позволяет увеличить емкость конденсатора; увеличение пропорционально величине - диэлектрической проницаемости материала заполнения. При этом емкость может быть выражена через геометрический фактор G, введенный ранее для плоского конденсатора и который в более общем случае также зависит от формы обкладок (пластин) и расстояния между ними:
;
В «хорошем» конденсаторе диэлектрическая постоянная и его геометрия должны быть стабильными и в идеале не зависеть от температуры, влажности, давления, а также от любых других факторов окружения.
Вместе с тем, если мы хотим получить емкостной датчик, мы должны сделать «плохой» конденсатор, величина емкости которого изменяется в зависимости от температуры, влажности, давления и других величин, которые нужно воспринимать, чтобы произвести измерение. На рис 4.3 показана конструкция датчика воды в резервуаре:
C = . . . . (4.18)
Рис 4.3
Градуировочная характеристика справа иллюстрирует зависимость емкости датчика от уровня воды в баке.
Индуктивность
Датчики генераторного типа
Пьезоэлектрический эффект
Пьезоэлектрический эффект состоит в появлении на поверхности кристаллического материала не скомпенсированных электрических зарядов из-за возникающего в материале механического напряжения (пьезоЭДС)…
Рис. 4.4 Пьезоэлектрический эффект в кристалле кварца
Для сбора появляющихся в результате сжатия/растягивания кристалла зарядов на обеих сторонах кристалла закрепляют электрические контакты, при помощи которых пьезо-датчик подключается к схеме согласующего преобразователя. УГО пьезодатчика напоминает условный знак электрического конденсатора…
Рис.
4.5. Пьезодатчик образован добавлением
электродов к поляризованному кристаллу
Пьезоэлектрический эффект носит обратимый характер. Это означает, что если к кристаллу кварца из вне подать электрическое напряжение (возбуждение), в нем возникнет механическое напряжение, которое вызовет деформацию кристалла и возможность зафиксировать изменение геометрии.
Разместив на кристалле две пары выводов, одну для подвода к кристаллу напряжения, а другую – для съёма возникающих в результате деформации кристалла зарядов, получим очень широко используемый в технике измерений пьезоэлектрический преобразователь.
Пироэлектрический эффект
Пироэлектрическим материалом называют кристаллические вещества, способные генерировать электрические заряды в ответ на воздействие теплового потока.
Рис.
4.6. Пироэлектрический датчик
Эффект Холла
Датчики на основе эффекта Холла используются для обнаружения действующих магнитных полей, а также для определения положения объекта или его перемещения.
Рис. 4.7. Датчик Холла. Магнитное поле
отклоняет движущиеся заряды
Рис. 4.5. Выходной сигнал датчика Холла зависит от угла между вектором магнитного поля и плоскостью пластины (а), четыре вывода датчика Холла (б)