Емкостные преобразователи

Емкостные преобразователи представляют собой конденсаторы, у которых под действием измеряемой механической величины меняется один из параметров, определяющих их емкость,

где А - действующая площадь электродов (пластин), составляющих конденсатор; ε - диэлектрическая проницаемость диэлектрика, разделяющего электроды; d - толщина диэлектрика (в частности, воздушного зазора).

Таким образом, входными величинами емкостного преобразователя могут быть изменения действующей площади электродов, расстояния между электродами и диэлектрических свойств среды, разделяющей электроды.

На рис. 4.4 показаны основные схемы емкостных преобразователей.

Преобразователи с изменением действующей площади пластин. Преобразователи (рис.4.4,а,б) применяют для измерения линейных перемещений относительно большой величины. В преобразователе с плоскими пластинами (рис.4.4,а) емкость меняется при продольном перемещении пластин относительно друг друга.

Рис.4.4. Емкостные преобразователи

При этом

где(h - высота рабочей зоны; b - ширина пластины) - относительное изменение емкости. ∆С/С=∆А/А.

В цилиндрическом преобразователе (рис. 4.4,б), состоящем из цилиндра и перемещающегося в нем стержня круглого сечения, емкость

где 1 - длина цилиндра; D_Ц и D_с - внутренний диаметр цилиндра и диаметр стержня.

Преобразователи с вращающимися пластинами (рис.4.4,в и г) применяют для измерения угловых перемещений. Преобразователь, показанный на рис.4.4 б имеет линейную зависимость емкости от угла поворота:

где Со - начальная емкость; α - угол поворота; n - число пластин; ψ - изменение площади на единицу угла поворота.

Если для измерений с емкостным преобразователем применяют схемы, основанные на методе частотной модуляции, или если необходима нелинейная функция преобразования, то подвижные пластины выполняют по определенной форме (рис.4.4,г), соответствующей требуемой функции преобразования. Поскольку функция изменения емкости от угла поворота С(α) примерно соответствует функции изменения площади взаимного перекрытия пластин от угла поворота, то

Преобразователи с меняющейся толщиной диэлектрика представлены на рис.4.4,д.Емкость такого преобразователя рассчитывают по ранее приведенной формуле. При изменении зазора на величину ∆d приращение емкости

Знак приращения определяется направлением изменения зазора. Относительное изменение емкости преобразователя

Как видно, функция преобразования нелинейна, однако при изменении зазора в пределах эту зависимость можно считать практически линейной.

Достоинства емкостных преобразователей состоят, прежде всего, в возможности создания средств, работающих без механической связи с ОД. Емкостные преобразователи отличаются сравнительно малым обратным воздействием па объект диагностирования (за счет электростатических сил притяжения). Емкостные преобразователи просты по конструкции.

К числу недостатков емкостных преобразователей относится весьма большое значение выходного сопротивления при небольших абсолютных значениях емкости, что предъявляет жесткие требования к изоляции электродов преобразователя, их экранировке, к изоляции и экранировке соединительных проводов. На погрешность емкостных преобразователей оказывают влияние изменения влажности и температуры окружающей среды. В последнее время в связи с разработкой полевых транзисторов и микромодульных операционных усилителей стало возможным делать промежуточные преобразователи с весьма большим входным сопротивлением очень малого объема. Это, в свою очередь, открыло возможность создания емкостных преобразователей, совмещенных в одном корпусе с промежуточным преобразователем. Для них не нужно применять специальные измерительные кабели. Такие преобразователи могут работать при расстояниях несколько десятков метров между объектом диагностирования и измерительным прибором. Правда, температурный диапазон измерения таких преобразователей ограничен возможностями элементов промежуточного преобразователя, но, как правило, достаточен для большинства задач диагностирования машин в условиях эксплуатации.

В системах технической диагностики БМиП емкостные преобразователи применяют для измерения малых линейных и угловых перемещений, виброперемещений, виброускорений, крутящих моментов (по углу закручивания), в качестве чувствительных элементов измерительных микрофонов, при измерениях уровней шумов генерируемых БМиП, в качестве источников стробирующих импульсов от вращающихся и перемещающихся составных частей объекта диагностирования и для измерения частот вращения.

Преобразователи с различной диэлектрической проницаемостью применяют для определения изменения уровня топлива в составных частях топливных систем двигателей внутреннего сгорания, для измерения расходов гидравлических жидкостей объемным методом, а также для измерения крутящих моментов при выполнении подвижной пластины из диэлектрика.

Дата добавления: 2014-01-15