Емкостные преобразователи линейных перемещений

Емкостные преобразователи основаны на зависимос­ти емкости конденсатора от размеров и взаимного рас­положения его обкладок.

Емкость плоского конденсатора выражается форму­лой

где С - емкость; Е - диэлектрическая проницаемость среды между обкладками; S - площадь поверхности об­кладок; δ - расстояние между обкладками.

Изменить емкость С можно путем изменения Е, либо S, либо δ.

Наибольшее распространение для линейных измере­ний получили емкостные датчики, в которых измеряе­мая величина вызывает изменения зазора S (рис. 2.20) или площади S (рис. 2.21).

Рис. 2.20. Схема дифференциального емкостного датчика, работающего по измерению воздушного зазора	Рис. 2.21. Схема дифференциального емкостного датчика, работающего по изме­нению площади

Для снижения влияния различных дестабилизи­рующих факторов (колебаний амплитуды и частоты пи­тающего напряжения, изменения температуры окру­жающей среды и т.п.) и повышения линейности выход­ных характеристик в основном применяют дифференци­альные датчики.

При построении емкостных датчиков имеются труд­ности в:

1) получении большой емкости датчика,

2) защите от наводок.

Емкость конденсатора соизмерима с емкостью про­водников. Поэтому оправданно стремление увеличить полезную емкость путем объединения обкла­док рабочих конденсаторов в пакеты (это так назы­ваемые многообкладочные конденсаторы). Размеры дат­чика многообкладочного конденсатора (рис. 2.22) определяются диаметром обкладок D и длиной пакета L, которую можно определить по формуле

,

где t - шаг обкладок; n ₁ - число неподвижных обкла­док;

где h ₂ - толщина проводника; S - зазор между обклад­ками; h ₁ - высота подвижной обкладки; Н - высота изоляционной части неподвижной обкладки, d - внутренний диаметр обкладок, δ - расстояние между двумя обкладками.

Отсюда

2.22. Схема многообкладочного конденсатора

Емкость конденсатора

где

В качестве измеритель­ных схем в емкостных приборах используют:

1) мостовую;

2) резонансную;

3) построенную по методу биений.

Схема (рис. 2.23) через трансформатор (ТР) питается от генератора тока высокой частоты. При среднем положе­нии подвижной пластины дифференциального емкостно­го датчика потенциалы на сетках ламп Л1 и Л2, созда­ваемые падением напряжения на сопротивлениях, оди­наковы, то есть внутреннее сопротивление обеих ламп одинаково.

Рис. 2.23. Мостовая схема

При этом мост уравновешен, и гальванометр Г пока­жет отсутствие тока в измерительной диагонали. Рео­хорд, стоящий между сопротивлениями нагрузки R₀ служит для регулировки начального равновесия моста при неидентичных характеристиках электронных ламп. Постоянным напряжением смещения U_Со устана­вливается необходимое начальное положение (на линей­ной части характеристики) рабочих точек одновременно обеих ламп. При смещении средней пластины от на­чального положения потенциал на сетке одной лампы увеличивается, а на сетке другой - уменьшается. Мост разбалансируется, а гальванометр дает отклонение, про­порциональное перемещению подвижной пластины ем­костного датчика. Применение электронных ламп по­вышает чувствительность схемы.

Резонансная схема представлена на рис. 2.24, 2.25.

Рис. 2.24. Резонансная схема

Рис. 2.25. Резонансный участок характеристики

Генератор 1 высокой частоты питает индуктивно свя­занный с ним контур, состоя­щий из катушки самоиндукции, переменного конденсатора настройки С и емкостного датчика C . Напряжение U, снимаемое с контура, подается на усилитель 2 и измеряется гальванометром 3.

С помощью конденсатора настройки контур при среднем положении подвижной пластины емкостно­го датчика настраивается на частоту, близкую к резо­нансной частоте генератора так, чтобы напряжение, снимаемое с контура, было равно половине напряжения при резонансе. При этом рабочая точка N характеристики должна находиться на линейной части второй половины резо­нансной кривой. Работой на второй половине резонанс­ного участка характеристики достигается высокая чувствительность схемы. Параметры контура L, С и С_х при известной емкости С_х датчика и при пренебрежении величиной активного сопротивления катушки индук­тивности могут быть легко выбраны из условия резонан­са

где ω₀ - частота резонанса контура, равная ω _г - частоте генератора, питающего схему.

Рис. 2.26. Функциональная схема измерения по методу биения

Для измерений методом биений (рис. 2.26) исполь­зуют два связанных генератора с одинаковой частотой колебаний в диапазоне 10-25 МГц, из которых один моделируется по частоте, измеряемой механической ве­личиной, воздействующей на измерительный конденса­тор. На выходе смесителя выделяется сигнал разностной частоты, пропорциональный измеряемой величине.Мостовой метод может быть применен до . Для более чувствительных измерений до используются резонансный метод и метод биений.

Достоинства емкостных преобразователей:

1) простота, малые габаритные размеры и масса;

2) малые измерительные усилия;

3) высокая механическая прочность;

4) относительно высокая линейность в достаточно широ­ком диапазоне измерений;

5) возможность бесконтактных измерений;

6) малая инерционность и незначительное обратное воз­действие на контролируемый параметр.

Дата добавления: 2014-01-07