2.3. Емкостные и индуктивные датчики.

Емкостные датчики используют принцип преобразования линейных или угловых перемещений в изменении емкости конденсатора. Емкость любого конденсатора

,

(2.3.1)

где ε₀ – диэлектрическая проницаемость вакуума (ε₀=8,85·10^-12 Ф/м); ε – диэлектрическая проницаемость среды между пластинами (между обкладками конденсатора); S – площадь обкладок конденсатора (м²); δ – зазор между пластинами (м).

Относительная чувствительность плоского емкостного датчика с переменным зазором

,

(2.3.2)

емкость датчика угловых перемещений

,

(2.3.3)

где S – площадь перекрытия обкладок при α=0; α – угол поворота пластин (обкладок) датчика.

Чувствительность такого датчика

,

(2.3.4)

откуда видно, что емкость датчика зависит от δ, ε, α т.е. от S(α).

Конструктивно датчики выполняются:

- для измерения малых перемещений; толщины покрытий (до 0,1 мм) (рис. 2.3.1);

- для измерения малых угловых перемещений (рис. 2.3.2);

Рис. 2.3.1 Рис. 2.3.2

- для измерения линейных перемещений (x>1 мм), уровня вещества, счета количества изделий и в качестве защитной сигнализации (рис. 2.3.3).

- для измерения: температуры; давления; напряженности электрического поля; определения диэлектрических свойств вещества; уровня радиации (рис. 2.3.4).

Рис. 2.3.3 Рис. 2.3.4

Так как сила электрического поля между обкладками мала, то рассматриваемые датчики находят широкое применение в тех случаях, когда недопустимы большие измерительные усилия.

Все емкостные датчики работают на переменном токе повышенной частоты (до 1000 Гц), что является их недостатком, т. к. усложняется схема устройства из-за необходимости устранения паразитной емкости.

Наиболее распространенными схемами включения емкостных датчиков являются контурные и мостовые схемы. Мостовые схемы применяются с дифференциальными емкостными преобразователями (рис. 2.3.5). Это дает возможность получить большую чувствительность при компенсации некоторых вредных внешних факторов (например, температуры).

Рис. 2.3.5

Емкости дифференциального датчика

(2.3.5)

включаются в соседние плечи моста, в два других плеча моста включаются или взаимосвязанные индуктивности (L₁ и L₂), или полуобмотки трансформатора питания (U_вх), или низкоомные резисторы. Сигнал на выходе (U_вых) такого моста практически линейно зависит от изменения емкости датчика.

Схема включения емкостного датчика в контурную цепь (рис. 2.3.6) содержит LC – контур, емкость С_Д которого образована датчиком и питается от генератора (Г) стабильной частоты. Вследствие изменения емкости датчика изменяется напряжение на построенном контуре U_K=U_вых.

Рис. 2.3.6

Индукционный датчик (рис. 2.3.7) содержит обмотку 1, сердечник 2 и якорь 3, сердечник 2 и якорь 3 которого выполняются из листовой магнитомягкой электротехнической стали. При перемещении якоря 3 в направлении Х изменяется зазор δ, а при перемещении якоря 3 в направлении Z изменяется площадь перекрытия магнитопровода (зазора) S_δ, изменяется индуктивное сопротивление датчика.

Рис. 2.3.7

Индуктивность простейшего датчика

,

(2.3.6)

где  – число витков катушки; Z_M – полное магнитное сопротивление цепи (1/Гн); R_M и X_M – активная и реактивная составляющие магнитного сопротивления; R_δ – магнитное сопротивление зазора. А сопротивление зазора

,

(2.3.7)

где δ – величина воздушного зазора; S_δ – площадь перекрытия магнитопровода (зазора) (м²); μ₀ – магнитная проницаемость воздуха (μ₀=4·10^-7 Гн/м).

Пренебрегая сопротивлением магнитопровода (R_M<<R_), получим индуктивность датчика

.

(2.3.8)

Из (2.3.6) следует, что индуктивность датчика зависит от величины зазора (δ) нелинейно (рис. 2.3.8).

Рис. 2.3.8

Приблизительно, в диапазоне изменений , ( – начальный зазор в магнитопроводе), характеристику можно считать линейной. Поэтому такие датчики нашли применение для измерения малых перемещений (от единиц мкм до единиц мм).

Если якорь датчика перемещается по координате Z (рис. 2.3.8), то его индуктивность линейно зависит от , т. е. – линейна. Такие датчики позволяют измерять перемещения в несколько сантиметров.

Для получения линейной характеристики в большом диапазоне изменения зазора ( ) используют реверсивные схемы (дифференциальные индуктивные датчики) (рис. 2.3.9).

Рис. 2.3.9

В нем при , L₁=L₂, а U_вых=0; при U_вых=f(х), причем при переходе через ноль фаза выходного сигнала меняется на 180°. Для такого датчика U_вых=f(х) (рис. 2.3.10).

Рис. 2.3.10

Параметры дифференциальных датчиков выбираются исходя из обеспечения линейности U_вых на интервале заданного изменения перемещений.

Чувствительность простейшего индуктивного датчика:

η=dL/dδ или η=dUвых/dx,

(2.3.9)

или

η=μ0ω2Sδ/(2δ2),

(2.3.10)

т. е. чувствительность дифференциального индуктивного датчика примерно в два раза выше, чем у простейшего.

С точки зрения динамики индуктивные датчики рассматриваются как безынерционные звенья. Индукционные датчики с переменной площадью зазора более универсальны, чем с переменным зазором. Они находят широкое применение в авиации, т. к. удовлетворительно работают при частоте бортовой сети электропитания. Частоты питающих напряжений не превышают 5 кГц, т.к. на более высоких частотах возникают потери на перемагничивание.

Для измерения угловых перемещений используются дифференциальные трансформаторные датчики с поворотным движением якоря (рис. 2.3.11).

Рис. 2.3.11

При отклонении якоря от нулевого положения, когда U_вых=0, U_вых меняет фазу на 180° и U_вых=f(x) достаточно линейно, но зависит от Z_н и при наличии в нагрузке реактивной составляющей приобретает нелинейность, а выходной синусоидальный сигнал искажается.

Электротепловые датчики используются для измерения температуры и преобразуют изменение температуры в изменение электрической величины: электродвижущей силы (ЭДС) или сопротивления. В зависимости от выходной величины они делятся на термопары и термосопротивления.

Для дистанционного измерения температуры применимы терморезисторы, термопара, оптические, яркостные и радиационные пирометры.

Терморезисторы, с целью уменьшения погрешности измерения температуры в контролируемом пространстве, при нестабильности температуры окружающей среды, с устройством сравнения соединяют трехпроводной линией.

Принцип действия термопары основан на термоэлектрическом эффекте, который состоит в том, что в спае двух разнородных проводников при нагревании появляется ЭДС, значение которой зависит от материалов проводников и от температуры спая.

Для измерения температуры (–200<t °C<+2500) используют термопары с металлическими термоэлектродами (рис. 2.3.12).

Рис. 2.3.12

Значение термо-ЭДС для различных типов термопар колеблется от десятых долей до десятков милливольт. Так, ЭДС для термопар:

медь-константан E=4,4 (при +100 °C) мВ/1°C, Е=6,18 (при –260 °C);

медь-золото-кобальт ,

вольфрам-молибден Е= до 3,8,

вольфрам-тантал Е= до 20,0,

вольфрам-рений Е= до 30,0.

Чувствительность термопар , где – изменение термо-ЭДС при изменении температуры .

Для измерения высоких температур нашли применение термопары из тугоплавких металлов и соединений: вольфрам-молибден (1300–2400 ^оС, вольфрам-вольфрам-молибден (1000–2900 ^оС).

Промышленностью СССР и России и за рубежом применяются термопары по указанным ниже (табл. 2.3.1) стандартам:

Таблица 2.3.1

Страна, стандарт	Медь-константан	Хромель-копель	Железо-константан	Хромель-алюмель	Платинородий-платина	Нихром-никель
СССР ГОСТ 6616-61	–		–			–
США С96, 1-1964		–				–
Великобритания В1826-29, 104-43		–				–
ФРГ Д43710		–		–

Для измерения высоких температур нашли применение термопары из тугоплавких металлов и сплавов: вольфрам-молибден 1300÷2400 ºС; вольфрам-тантал 400÷2000 ºС; вольфрам-рений 0÷2500 ºС; вольфрам-вольфрам-молибден 1000÷2900 ºС.

Для различных типов термопар чувствительность различна и неодинакова при разных температурах горячего спая.

Для автоматического уменьшения погрешности измерения температуры в контролируемом пространстве, холодные спаи термопар либо термостатируют, либо в зоне холодных спаев размещают терморезистор, которым корректируют результаты измерения температуры.