Измерительные приборы с емкостным датчиком

Измерительные приборы с емкостным датчиком – это измерительные средства с электрическим преобразованием, в которых линейные (или угловые) перемещения преобразуются в изменения электрической емкости электрической цепи.

Датчик в этих приборах является электрическим конденсатором. Электронный блок представляет собой устройство, предназначенное для измерения электрической емкости.

Емкостный датчик - устройство для преобразования механических перемещений в электрический сигнал, представляющее собой плоскопарал­лельный или цилиндрический электрический конденсатор, у которого при изменении линейного или углового размера меняется зазор между пластинами или площадь их взаимного перекрытия.

Емкостные датчики разделяются на недифференциальные и дифференциальные.

Недифференциальным емкостным датчиком (а, б) называется датчик, состоящий из одного конденсатора, включающего подвижную и неподвижную обкладки, разделенные воздушным зазором, причем подвижная обкладка связана с измерительным наконечником, воспринимающим изменение размера.

У недифференциального датчика, работающего по изменению зазора между параллельными обкладками (а), изменение емкости С связано с изменением расстояния между обкладками l, т.е. с изменением измеряемого размера:

С = ε S / l

где ε - диэлектрическая проницаемость; S — полезная площадь обкладок.

Недифференциальный датчик, работающий по изменению площади перекрытия пластины (б), чаще всего представляет собой два коаксиальных цилиндра с зазором, значительно меньшим, чем диаметры. У этих датчиков изменение емкости С связано с изменением длины перекрытия пластин l, т.е. изменением измеряемого размера:

С = 27,8·10^-3 ε l / (D - d),

где D и d — диаметры наружной и внутренней обкладок.

Дифференциальным емкостным датчиком называется датчик, содержащий два или более (четное число) конденсаторов, емкости которых изменяются с разным знаком, причем подвижная обкладка связана с измерительным наконечником, воспринимающим изменение размера (в, г).

Дифференциальные емкостные датчики, работающие по принципу изменения зазора (в), имеют рабочие конденсаторы, состоящие как минимум из двух плоских неподвижных пластин круглой или прямоугольной формы и как минимум одной подвижной пластины, расположенной между ними (т.е. как бы два конденсатора).

Датчики, работающие по принципу изменения полезной площади (г), также имеют две неподвижные и одну подвижную обкладки цилиндрической формы.

Для повышения полезной емкости датчиков их чаще всего делают состоящими из нескольких пластин с сохранением принципа действия по зазору или из нескольких цилиндров при работе по перекрытию площадей.

Достоинства приборов с емкостным датчиком:

1. Высокая линейность выходной характеристики (отклонение от линейности можно обеспечить в пределах 0,0001—0,00001%.

2. Высокая чувствительность, т.е. может быть получена малая цена деления.

3. Возможность обеспечить большой диапазон показаний.

4. Возможность обеспечения малых измерительных усилий и даже бесконтактных измерений.

Бесконтактные измерения обеспечиваются когда одна из обкладок конденсатора является поверхностью измеряемой детали.

Недостатки приборов с емкостным датчиком:

1. Большое выходное электрическое сопротивление, что усложняет сопряжение с электронным блоком и его конструкцию.

2. Большая по сравнению с индуктивным прибором чувствительность к внешним условиям и элементам электрической цепи (колебание температуры изменяет полезную площадь конденсаторов и расстояние между ними, внешние присоединительные кабели воздействуют как дополнительная емкость, влажность изменяет диэлектрическую проницаемость и т. д.).

3. Необходимость снимать сигнал с подвижного элемента (с подвижной обкладки).