Общие сведения. Принцип действия емкостных датчиков основан на свойстве конденсатора изменять емкость с изменением геометрических размеров или диэлектрической постоянной

Принцип действия емкостных датчиков основан на свойстве конденсатора изменять емкость с изменением геометрических размеров или диэлектрической постоянной. При помощи емкостных датчиков можно измерить геометрические размеры, влажность, состав изоляционного материала и т.п. Известно, что емкость плоского конденсатора (пФ)

(4.1)

– относительная диэлектрическая проницаемость (пФ/см).

S – действующая площадь пластин (обкладок), составляющих конденсатор (см²);

d – толщина диэлектрика (или зазора), (см).

Из формулы (4.1) видно, что емкость может изменяться в зависимости от трех величин - , S, d. Следовательно, в зависимости от того на какой параметр воздействует величина х, можно выполнить соответствующий емкостной датчик.

На рис. 4.1а изображен емкостной датчик, в котором измеряемая величина х вызывает изменение зазора d между пластинами, из которых 1 – неподвижная, 2 – подвижная. Такой датчик применяется для измерения небольших перемещений. Если обозначить начальную емкость (до измерения) через С₀, а в момент измерения С₁, то абсолютное изменение емкости:

а относительное изменение:

, (4.2)

где - изменение (смещение) зазора между пластинами, (см рис. 4.1а).

В формуле (4.2) знак + соответствует уменьшению емкости, а – увеличению.

Чувствительность емкостного датчика равна отношению относительного приращения емкости к приращению линейного размера .

(4.3)

На рис.4.1.б показана зависимость относительного изменения емкости от относительного изменения зазора .

В случае уменьшения зазора кривая А круто поднимается вверх и при стремиться к бесконечности. При этом увеличивается чувствительность датчика.

В случае увеличения зазора кривая Б при положе, чем кривая А, поднимается вверх и приближается к предельному значению .При этом чувствительность датчика уменьшается. Обе кривые (А, Б) будут иметь линейный характер в том случае, когда зазор изменяется не более чем на 5%, т.е .При этом относительное изменение емкости приблизительно равно относительному зазору (независимо от направления смещения подвижного электрода). Следует отметить, что уменьшение расстояния между электродами ограничено электрическим пробоем диэлектрика и ограничено 30мк.

На рис.4.1.в показана схема дифференциального датчика. Применение его позволяет уменьшить действие механической силы и увеличить чувствительность мостовой схемы. Конструкция дифференциального датчика состоит из подвижной пластины 1. Расположенной между двумя неподвижными пластинами 2 и 3. Подвижная пластина закреплена с двух сторон на упругих подвесках 4 и 4^’ с малой жесткостью и может перемещаться вверх или вниз под действием измеряемого усилия Р. Во избежание утечки зарядов обе пластины (2 и 3) тщательно изолированы от корпуса изолирующими прокладками 5 и 5^I. При перемещении подвижной

пластины емкости верхней и нижней части получают приращение с разными знаками, например и . Эти емкости включаются в соседние плечи мостовой схемы, благодаря чему увеличивается напряжение в измерительной диагонали моста. Для получения высокой чувствительности емкостные датчики включаются в резонансные контуры.

На рис.4.2.а показан датчик для измерения линейных перемещений, в котором входная величина х преобразуется за счет изменения площади пластин S. Здесь b, h, d – соответственно ширина, высота и расстояние между обкладками конденсатора. Используя обозначения, принятые на рис.4.1.а, находим абсолютные значения емкости

(4.4)

Обычно для увеличения чувствительности датчика применяют

многопластинчатые конденсаторы, в этом случае емкость (пФ)

(4.5)

где S – рабочая площадь пластины (см²); n – общее число пластин; d – расстояние между пластинами (см).

Абсолютное изменение емкости:

(4.6)

На рис.2.б изображен датчик роторного типа для преобразования угловых перемещений. Примером такого датчика может быть обычный воздушный конденсатор переменной емкости, применяемый для настройки радиоприемников. Переменной величиной в нем является площадь пластин. В системах автоматики и робототехники такие датчики применяются для преобразования угла поворота в емкость.

На рис.4.2.б приняты следующие обозначения: 1 – неподвижная пластина (статор), жестко закреплена на неподвижной детали; 2 – подвижная пластина (ротор), жестко скреплена с осью 3, она может свободно поворачиваться относительно неподвижной пластины 1, при этом расстояние между пластинами остается неизменным

Рабочая площадь (заштрихована) зависит от угла поворота пластины 2.

Для увеличения емкости датчика применяют систему, состоящую из нескольких подвижных и неподвижных пластин. При этом емкость датчика:

(4.7)

где С₀ – начальная емкость датчика; – изменение площади на единицу поворота ; – угол поворота подвижных пластин относительно неподвижных.

На рис.4.2.в изображен цилиндрический датчик с переменной площадью для измерения перемещений более 1мм. В этом случае:

(4.8)

где l – длина перекрываемой части обкладок конденсатора;

r_BH, r_H – радиусы внутренней и внешней обкладок.

При смещении внутреннего цилиндра (обкладки) на величину абсолютное изменение емкости:

(4.9)

Достоинством данного датчика является большая емкость при не больших габаритах по сравнению с другими типами датчиков.

Из анализа работы датчиков, рассмотренных выше (за исключением датчика изображенного на рис.4.1.а), видно что между изменением емкости и изменением площади (или перемещением ) существует линейная зависимость.

Емкостные датчики с переменной диэлектрической проницаемостью могут быть двух типов: с перемещением диэлектрика перпендикулярно или параллельно плоскости пластин.

На рис.4.3.а изображен датчик для измерения уровня жидкости (первый тип). Здесь 1- бак, 2- жидкость. При различных величинах диэлектрической проницаемости воздуха и перемещающегося диэлектрика (жидкость) образуются два конденсатора С₁ и С₂, соединенные параллельно. Эквивалентная схема рассматриваемого датчика приведена на рис.4.3.б.

Общая емкость:

(4.10)

где С₁ – емкость верхней части бака высотой , заполненная воздухом; С₂ – емкость нижней части бака, заполненная жидкостью, уровень которой изменяется; - ширина обкладки; - полная высота электрода.

Так как диэлектрическая проницаемость токонепроводящей среды значительно больше диэлектрической проницаемости воздуха (), то емкость такого датчика при изменении уровня меняется очень резко и в широких пределах. Учитывая, что (диэлетрическая проницаемость жидкости), преобразуем (10) к виду:

(4.11)

где Св- начальная емкость датчика при отсутствии диэлектрика;

- абсолютное изменение емкости.

на рис.4.3.в показан второй тип датчика, в котором диэлектрическая проницаемость изменяется по высоте d параллельно плоскости пластин. Такой датчик может быть применен для измерения толщины материала из диэлектрика, например, толщины полиэтиленовой пленки. Датчик второго типа можно рассматривать как плоско – параллельный конденсатор с двухслойным диэлектриком, емкость которого:

(4.12)

где d – зазор; d₁, d₂ – соответствующие толщины диэлектриков (воздуха, диэлектрика); - соответствующие диэлектрические проницаемости воздуха и диэлектрика.

Если принять и разделить числитель и знаменатель (4.12)

на d, то получим или

(4.13)

Анализ формулы (4.13) показывает, что изменение емкости будет линейным в том случае, если пространство между пластинами заполнено диэлектриком с весьма малой толщиной и .

Относительное изменение емкости колеблется в очень широких пределах и зависит от чувствительности элемента, а также величины абсолютной емкости .

Достоинством емкостных датчиков являются:

а) высокая чувствительность и быстродействие, что позволяет измерять быстропеременные параметры (давление, вибрацию, ускорение и т.п.)

б) малый вес и размеры;

в) небольшое обратное воздействие на исследуемый параметр.

К недостаткам следует отнести:

а) большое внутреннее сопротивление датчика;

б) потребность в источнике напряжения повышенной частоты;

в) необходимость тщательной тренировки датчика;

г) влияние внешних факторов (влажность, температура).