Принципы работы емкостных измерительных преобразователей

В измерительных цепях емкостных датчиков используют делители напряжений, мостовые схемы, колебательные контуры, автогенераторы, усилители и т.п.

Электрическую емкость простейших ИП можно определить с использованием известных формул:

(плоский);

(цилиндрический);

(сферический).

Рис. 6.2 Разновидности конструктивного исполнения емкостных преобразователей.

Как следует из данных формул, модулируемыми параметрами различных типов конденсаторов могут являться: диэлектрическая проницаемость среды, активная площадь обкладок и расстояние между ними.

По реализуемым первичными преобразователями механизмам чувствительности можно провести аналогию между емкостными и индуктивными датчиками. Например, принцип работы емкостного ИП, также как и индуктивного, может быть основан на изменении геометрических характеристик полей, на изменении свойств среды.

Емкостной преобразователь с переменной площадью обкладок

Для создания емкостных ИП такого типа используют одиночные и двойные (дифференциальные) плоские или цилиндрические конденсаторы.

.

Рис. 6.3 Устройство емкостных дифференциальных преобразователей.

,

, ,,(6.1)

Например, при использовании дифференциальной схемы включения двух цилиндрических конденсаторов относительное изменение выходного сигнала преобразователя будет пропорционально измеряемому перемещению ().

. (6.2)

Исходя из данной формулы, можно сделать вывод о том, что для повышения разрешающей способности устройства необходимо изготавливать цилиндрический конденсатор с близкими геометрическими размерами ().

Для плоского конденсатора с переменным зазором абсолютное изменение емкости конденсатора () при изменении расстояния между обкладками на величину () составит:

. (6.3)

Очевидно, что с увеличением площади обкладок и уменьшением расстояния между ними разрешающая способность датчика также будет возрастать, причем технически это достаточно легко может быть реализовано.

С целью снижения влияния дестабилизирующих внешних факторов, паразитных емкостей в измерительных схемах широко применяют мостовую схему включения дифференциального емкостного датчика. Выходным сигналом такой измерительной схемы является ток разбаланса плеч моста.

Рис. 6.4 Мостовая схема включения емкостного преобразователя.

. (6.4)

Для измерения быстродействующих перемещений используют потенциометрическую, резисторно-конденсаторную схему.

Рис. 6.5 Резистивно-емкостная схема включения преобразователя.

. (6.5)

В настоящее время широкое применение находят измерительные схемы емкостных преобразователей с использованием операционных усилителей, обеспечивающих высокую чувствительность и линейность процесса измерительного преобразования.

Рис. 6.6 Схема включения емкостного преобразователя с использованием операционного усилителя.

. (6.6)

К недостаткам емкостных преобразователей можно отнести сильное влияние внешних электрических помех, наводок, наличие паразитных емкостей.

Устройства данного типа находят применение для измерения перемещений, размеров, при определении диэлектрических характеристик материалов.

Для измерения малых размеров и микроперемещений используют специальные конструкции емкостных преобразователей с системой дополнительных электродов. Например, введение экранных (защитных) электродов позволяет существенно снизить влияние внешних электромагнитных наводок, повысить чувствительность устройств, исключить влияние краевого эффекта.

Рис. 1.5 Емкостной датчик положения с экранирующим кольцом:

А – поперечное сечение; Б – внешний вид.

На практике при измерении перемещения электропроводного объекта, его поверхность часто играет роль пластины конденсатора. Собственная пластина конденсатора должна быть экранирована, что позволяет повысить линейность преобразования и уменьшить влияние краевых эффектов. Типовой датчик перемещения работает на частотах в пределах нескольких мегагерц, поэтому может регистрировать быстрые перемещения объекта.

Емкостные датчики могут работать и с непроводящими средами и объектами, но при этом их точность несколько ухудшается. Для улучшения метрологических характеристик таких датчиков используют «активные экраны», включая их в измерительную схему датчика.

Рис. 1.6 Емкостной датчик положения объекта, с активным экраном вокруг электрода.