28. Емкостные преобразователи.

Простейший емкостной преобразователь содержит два электрода площадью S, параллельно расположенных на расстоянии δ в среде с диэлектрической проницаемостью ε. Характеристики: напряжение U между пластинами, заряд q=C·U, где С – емкость, равная при плоскопараллельном расположении пластин С=εS/δ, ток i=dq/dt, энергия электрического поля W_э=qu/2=C·U²/2, жесткость подвеса подвижной пластины w, перемещение ее х, скорость перемещения v=dx/dt и электростатическая сила притяжения f=dW_э/dx. Взаимосвязи механической и электрической сторон преобразователя отражены уравнениями: dF=wx+E₀C₀U и dq=E₀C₀x+C₀U.

Емкостные преобразователи работают на переменном токе несущей частоты ω, которая должна значит. превышать частоту Ω изменения емкости под действием изм. величины. В качестве емкостных преобразователей исп. также p-n-переходы (варикапы): p и n - области играют роль пластин, разделенные объединенным слоем, ширина которого δ, а соответственно и емкость p-n перехода изменяются под действием напряжения.

При емкости, принудительно заменяемой по известному закону, напр., С=С₀+ΔСsinΩt, преобразователь может использоваться в датчиках пульса и фонокардиографах. В зависимости от постоянной времени RC – цепи он может работать в режиме заданного заряда прии заданного напряжением при. В первом случаеq=CU_C=const;

,т.е. выходной величиной является переменная составляющая напряжения U_с (или U_х). во втором случае U_C=U_x=const; q=(C₀+ΔCsinΩt)U_x, т.е. выходной величиной модулятора, пропорционально постоянному напряжению U_x, является ток .

В том же генераторном режиме работают и конденсаторные микрофоны, преобразующие энергию акустических колебаний в электрическую. В этом случае U_x=U₀ задается от стабильного источника и переменная составляющая напряжения пропорциональная в зависимости от режима перемещению пластины конденсатора или скорости ее перемещения.

В эквивалентной схеме учитывается ёмкость С₀ между электродами 1 и 2, сопротивление R_ут изоляции между электродами, сопротивление r и индуктивность L кабеля К, а также паразитная ёмкость С_п между электродами и заземлёнными деталями конструкции и между заземлённым экраном Э. В эквивалентной схеме преобразователя с диэлектриком учтены потери в последнем. Из-за потерь в преобразователе сдвиг фаз между напряжением и током оказывается меньше π/2 на угол потерь δ.

Последовательные и параллельные схемы, учитывающие потери в диэлектрике. Эквивалентные сопротивления для этих схем выражают часто через приводимый в справочных данных тангенс угла потерь δ как r_1экв=tgδ/(ωC_1экв) или R_2экв=1/(ω_2эквtgδ). Ёмкости С_1экв и С_2экв связаны между собой зависимостью , и т.к. обычноtgδ<<1, их можно считать приблизительно равными: C_1экв≈С_2экв≈С_экв. В образцовых воздушных конденсаторах tgδ не превышает 5·10^-5, т.к. определяется только потерями в изоляции между электродами и в материале электродов.

В конденсаторах с диэлектриком угол потерь значительно больше и, кроме того, может зависеть от напряжения на конденсаторе, частоты, температуры и влажности.

Конструкции емкостных преобразователей.. Преобразователь состоит из двух параллельно соединенных конденсаторов: конденсатор С₁ образован частью электродов и диэлектриком - жидкостью, уровень которой измеряется; конденсатор С₀ - остальной частью электродов и диэлектриком-воздухом. Емкость преобразователя С=С+С₀=[1·ε+(l₀-l)·ε₀]·[(2π)/ln(R₁/R₂)], где l₀ - полная длина цилиндра; l - длина, на которую цилиндр заполнен жидкостью;  - диэлектрическая проницаемость жидкости; R₁ и R₂ - радиусы внешнего и внутреннего цилиндров.

Рассмотрим емкостный зонд для измерения уровня проводящей жидкости. Емкостный зонд был предложен для измерения высоты волн и представляет собой остеклованный электрод 1. Электродом 2 служит проводящая жидкость, которая присоединяется к измерительной цепи при помощи электрода 3. Емкость , гдеl-глубина погружения;  - диэлектрическая проницаемость стекла; R₁ и R₂ - внешний и внутренний радиусы стеклянного покрытия. Вместо специального электрода может быть использован кусок провода, покрытого изоляцией, не смачиваемой жидкостью.

Рассмотрим принцип устройства емкостного преобразователя для измерения толщины ленты из диэлектрика. Испытуемая лента 1 протягивается с помощью роликов 2 между обкладками 3 конденсатора. Если длину зазора между обкладками конденсатора обозначить , площадь обкладок S, толщину ленты _л и ее диэлектрическую проницаемость _л, то емкость С можно выразить как:.

Принцип устройства емкостных преобразователей с переменной площадью пластин, используемых для измерения угла поворота вала: Пластина 1, жестко скрепленная с валом, перемещается относительно пластины 2 так, что длина зазора между ними сохраняется неизменной. Достоинством емкостных преобразователей с переменной площадью пластин является возможность соответствующим выбором формы подвижной 1 и неподвижной 2 пластин получить заданную функциональную зависимость между изменением емкости и входным угловым или линейным перемещением. Преобразователи с переменной площадью применяются для измерения перемещений,больших 1мм.

Широко они используются для измерения малых перемещений и величин, легко преобразуемых в перемещение, например, давлений. Огромным достоинством емкостного элемента является также принципиальное отсутствие шумов в отличие от резистивных и индуктивных элементов и отсутствие самонагрева. Все это приводит к тому, что в настоящее время в качестве наиболее высокочувствительных преобразователей в научных исследованиях используются емкостные преобразователи. Наблюдается также тенденция к применению емкостных преобразователей для всех измерений, проводимых в области сверхнизких температур.