Лекция 17 датчики и исполнительные приводы

17.1. Ёмкостные первичные преобразователи

Емкостной преобразователь представляет собой конденсатор, имеющий два электрода площадью S, разделенных слоем диэлек­трика толщиной d с абсолютной диэлектрической проницаемо­стью .

Заряд конденсатора определяется по формуле

где — заряд на каждой из пластин конденсатора, ;

— емкость конденсатора, — абсолютная

диэлектрическая проницаемость, —

электрическая постоянная — абсолютная диэлектрическая прони­цаемость вакуума; — относительная диэлектрическая прони­цаемость диэлектрика, — разность потенциалов, или напряжение на конденсаторе,

При изменении емкости за счет изменения расстояния меж­ду электродами , их площади или средней диэлектрической проницаемости пространства между ними в цепи конденсатора возникает электрический ток . На этом основано действие емкостных измерительных преобразователей. Емкость и реактивное сопротивление конденсатора в цепи переменного тока с круговой частотой могут изменяться при перемещении щупа и изменении зазора между обкладками (рис. 9, а). Это датчики для измерения перемещений 0,001... 1 мм. Рис. 3.14, б иллюстрирует работу дифференциального преобразователя, в котором подвижная обкладка 2 перемещается щупом между не­подвижными обкладками 1 и 3. Диэлектриком является воздух. При перемещении обкладки 2 влево емкость между обкладками 1 и 2 растет, между 2 и 3 — убывает. Емкостные преобразователи с переменным зазором отличаются высокой чувствительно­стью (до 500 В/мм), линейной зависимостью сопротивления от зазора, малыми погрешностями и простотой конструкции. Они применяются для измерения малых перемещений. Емкость С и реактивное сопротивление могут изменяться при перемеще­нии щупа и изменении площади пластин конденсатора вследствие сдвига обкладок относительно друг друга (рис. 3.14, в). Это датчи­ки для измерения перемещений более 1 мм. Достоинством таких преобразователей является возможность соответствующим выбо­ром формы подвижной и неподвижной пластин получить задан­ную функциональную зависимость между изменением емкости и входным перемещением. Еще один вариант конструкции емкост­ного датчика: емкость реактивное сопротивление конденсатора реагируют на перемещение щупа и изменение средней ди­электрической проницаемости за счет перемещения диэлектрика между обкладками (рис. 9, г). Датчики такой конструкции удоб­ны, когда оказывается нежелательным электрическое соединение щупа с подвижной пластиной преобразователя. Рис. 9, д иллю­стрирует работу дифференциального преобразователя, в котором подвижный элемент 3 из диэлектрика (например, кварца) пере­мещается щупом между неподвижными обкладками 1, 2 и 4. При перемещении щупа влево подвижный элемент заполняет простран­ство между обкладками 1 и 4. Так как диэлектрика больше воздуха, то средняя и емкость между обкладками 1 и 4 растут, в то время как емкость между обкладками 2 и 4 падает.

Естественной входной величиной емкостного преобразователя является перемещение, естественной выходной величиной — его непрерывно меняющаяся емкость и реактивное сопротивление, поэтому эти датчики относятся к аналоговым параметрическим. В качестве измерительных цепей используются неравновесные мо­сты переменного тока в сочетании с дифференциальным преоб­разователем, емкости которого являются активными плечами моста.

Рисунок 17.9 - Схемы емкостных датчиков: 1—4— обкладки

В качестве пассивных плеч используются низкоомные резисторы, полуобмотки трансформатора или индуктивности.

Емкость большинства емкостных преобразоваетелей очень мала и составляет 10... 100 пФ, поэтому даже на высоких частотах их реактивное сопротивление велико (10³... 10⁷ Ом), ток в измери­тельной цепи и мощность выходного сигнала малы, что требует использования усилителя, соединенного с преобразователем с помощью экранированного или коаксиального провода. И экра­нированный, и коаксиальный провод снижают электромагнит­ные наводки, однако сами они обладают значительной емкостью между жилой и заземленным экраном. Все это усложняет измери­тельную цепь и снижает чувствительность и быстродействие из­мерительного прибора.

Таким образом, основной проблемой при создании емкостных измерительных приборов является устранение погрешности за счет емкости соединительного провода в сочетании с эффективной защитой слабого полезного сигнала от электромагнитных помех на соединительном проводе. Для уменьшения сопротивления пре­образователя частота питающего напряжения составляет обычно 10⁵... 10⁷ Гц (не меньше 500 Гц).

Такие датчики являются дискретными, инкрементными, па­раметрическими.

На рис. 10, а приведен емкостной инкрементный датчик с переменной площадью пластин, используемый для измерения больших угловых перемещений, например угла поворота вала привода подач станка. Ротор 2, жестко скрепленный с валом 3, перемещается относительно статора 1 так, что длина зазора между ними остается постоянной, а ширина меняется периодически, вызывая периодическое изменение емкости преобразователя. На рис. 10, б приведена схема абсолютного датчика для измерения небольших угловых перемещений. Емкостные датчики применяются для измерения уровня токонепроводящих жидкостей и сы­пучих тел, толщины различных тел и покрытий в процессе их изготовления, а также линейных и угловых перемещений в ши­роком диапазоне.