Емкостные датчики

Принцип действия емкостной измерительной системы основан – на том, что с измерением размера контролируемой детали изменяется емкость конденсатора датчика. Измеряя тем или иным путем эту емкость, можно судить о размере изделия.

Емкостный метод контроля может быть как контактным, так и бесконтактным. При бесконтактном методе одной из пластин конденсатора служит само контролируемое изделие; при контактном методе емкостный датчик представляет собой плоский или цилиндрический конденсатор, одна из пластин которого связана с измерительным стержнем. Бесконтактный метод находит ограниченное применение.

Емкостные датчики работают только с преобразующими электросхемами. Применяются в основном два типа схем: преобразующая схема, работающая как прецизионный измеритель емкости по методу моста, в одно из плеч которого включен датчик, и схема с включением емкостного датчика в контур задающего генератора. В первом типе схем при изменении емкости датчика в диагонали моста возникает напряжение разбаланса, которое может быть использовано непосредственно для отсчета или как напряжение, приводящее в действие сервосистему, осушествляющую нулевой баланс моста. Во втором типе схем при изменении емкости меняется частота генератора. По величине изменения частоты можно судить о размере изделия. Эта схема значительно чувствительнее мостовой, но более подвержена всевозможным влияниям извне.

д

Рис. 87. Емкостные датчики: а- схема включения; г- датчик с поворотными пластинами;

д- датчики с пластинами в виде выдвижных цилиндров.

Емкостные датчики имеют ряд преимуществ перед другими датчиками; линейное изменение параметра (емкости) в довольно широких пределах рабочего хода, обеспечивающее при этом очень высокую точность измерения (до долей микрона); измерительное усилие датчика может быть столь незначительным (несколько грамм), что датчик может конкурировать с бесконтактными методами измерения; при включении в соответствующую схему емкости датчика могут быть использованы для дифференциальных измерений.

На рис.87,а приведена типовая схема включения емкостного датчика. На неподвижные электроды датчика подается переменное напряжение с частотой 50 гц от трансформатора Тр с заземленной средней точкой. При смещении подвижного электрода В относительно нейтрального положения на сетке лампы появляется напряжение, которое после усиления подается к электродвигателю Д.

При работе электродвигателя щетка реохорда Р перемещается до тех пор, пока напряжение на катоде лампы не станет равным напряжению на сетке. На одной оси с реохордом находится шкала, проградуированная в единицах измеряемой величины. На диске шкалы смонтирован упор. При предельных размерах детали он воздействует на концевые выключатели; при этом подается импульс на исполнительное реле.

Такого рода емкостный датчик является дифференциальным, так как в нем имеется одна подвижная В и две неподвижные А и С пластины, что увеличивает чувствительность датчика.

В емкостном датчике переменным электрическим параметром является емкость конденсатора [17]

, (140)

где ε – относительная диэлектрическая проницаемость среди между пластинами конденсатора;

S – площадь пластин, см ;

δ – βоздушный зазор между пластинами, см.

Зависимость (140) является нелинейной, однако при малых перемещениях х пластин по сравнению с начальным расстоянием между пластинами ее можно считать приближенно линейной. Действительно, при перемещении пластины конденсатора – на величину х его емкость

(141)

Умножая и деля последнее равенство на (1 + ) и пренебрегая в знаменателе величиной второго порядка малости получаем

, (142)

Емкостные датчики выполняются не только в виде расходящихся пластин (рис. 87, б, в), но и в виде поворотных пластин (рис. 87, г) или выдвииных цилиндров (рис. 87, д).

Емкость датчика с поворотной пластиной

, (143}

где α – угол поворота подвижной пластины,

– площадь взаимодействия между пластинами

α = 0.

Емкость цилиндрического конденсатора

, (144)

где Н – глубина погружения внутреннего цилиндра во внешний;

r – радиус внутреннего цилиндра;

r – радиус внешнего цилиндра.

Увеличение емкости датчика можно достигнуть увеличением диэлектрической постоянной среды или увеличением числа пластин, т. е. площади пластин.

Дата добавления: 2014-11-25