Лекция 10. Измерительные цепи емкостных преобразователей

Рис. 9.3

Рис.9.2

Рис. 9.1

На рис. 9.1., в показан 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 6, площадь обкладок 5, толщину ленты δ _я и ее диэлек­трическую проницаемость е_л, то емкость-С можно выразить как

С = S/ (δ-δл)/ε + δл/εл.

На рис. 9.1., г показан 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 1 мм.

Для измерения малых перемещений (10^-6 — 10^-3) получили применение преобразователи с переменным зазором. Принцип уст­ройства подобного дифференциального преобразо­вателя изображен на рис. 9.1., д. Обкладка 2 за­креплена на пружинах и перемещается поступа­тельно под воздействием измеряемой силы F. Об­кладки 1 и 3 неподвижны. Емкость между обклад­ками 2 и 3 увеличивается, а между обкладками 1 и 2 — уменьшается.

На рис. 9.2 показана конструкция одной по­ловины дифференциального емкостного преобразователя, используемого в качестве преобразова­теля неравновесия в датчике уравновешивания. Подвижная пластина 1 крепится к корпусу 2 на растяжках 3, жесткость которых при перемеще­нии в направлении оси X — X очень мала. При действии силы F подвижная пластина перемещается ду подвижной и неподвижной пластинами изменяется. Обе пласти­ны тщательно изолированы от корпуса специальными прокладками 4 и стеклянными «слезками» 5.

На рис. 9.3. представлена конструкция высокочувствительного емкостного датчика давления, предназначенного для работы в области низких температур. Основными узлами дат­чика являются корпус 1, выполненный сов­местно с мембраной 2, пробка 7, припаиваемая к корпусу через каналы 8 серебряным припоем, и фланец 3. Корпус и фланец изготовляются из берилловой бронзы, пробка — из красной меди. Измеряемое давление «подает­ся» через капилляр 9 в пробке в надмембранную камеру. К выступу мембраны через изолирующую пленку прикреплена подвиж­ная пластина 4 емкостного преобразовате­ля. Неподвижная пластина 5 загоняется во фланец в виде конусной пробки, обернутой изо­лирующей пленкой. Таким образом, обе пла­стины изолированы относительно корпуса. Сопрягающиеся плоско­сти корпуса и фланца обрабатываются совместно с электродами ем­костного преобразователя после закрепления электродов на мембране и во фланце. Благодаря такой обработке зазор между электродами обеспечивается прокладкой 6, имеющей толщину 15—20 мкм. Диа­метр электродов около 10 мм. Изменение зазора при номинальном дав­лении Д6 = 8 мкм. Емкость преобразователя С_о = 30 пФ.

Как видно из приведенных примеров, область применения емкост­ных преобразователей весьма разнообразна, однако наиболее широко они используются для измерения малых перемещений и величин, легко преобразуемых в перемещение, например давлений.

При современной технологии изготовления датчиков начальный зазор может быть доведен до 5—10 мкм и порог чувствительности по перемещению оценивается значениями порядка 10^{-14 м.. 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.}

Ёмкости большинства преобразователей составляют 10-100 пФ, и поэтому даже при относительно высоких частотах напряжения питания (10⁵—10⁷Гц) их выходные сопротивления велики и равны Ом. Выходные мощности емкостных преобразователей малы, и в измерительных цепях необходимо применение усилителей. Допустимые значения напряжения питания емкостных преобразователей достаточно велики, и напряжение питания, как правило, ограничивается не возможностями преобразователя, а условиями реализации измерительной цепи.

Основной трудностью построения измерительных цепей с емкостными преобразователями является защита их от наводок. Для этих целей как сами преобразователи, так и все соединительные линии тщательно экранируются. Однако экранированный провод имеет емкость С_ж.э между жилой и экраном (С~50 пФ/м), которая при неудачном выборе точки присоединения экрана может оказаться включенной параллельно емкости преобразователя. При этом падает чувствительность преобразователя, так как относительное изменение емкости уменьшается на величину, и появляется весьма существенная по значению погрешность, вызываемая нестабильностью емкости С_ж.э., поскольку любые изменения этой емкости воспринимаются как изменение рабочей емкости ∆C_o. Поэтому при построении измерительной цепи с емкостными преобразователями в первую очередь обращается внимание на включение так называемых паразиты емкостей.

Кроме этого, следует обращать внимание на линейность зависимости выходного параметра измерительной цепи от измеряемой величины, имея в виду, что емкостные преобразователи являются преобразователями высокоомными, а измеряемая величина может быть связана линейной зависимостью как с сопротивлением преобразователя (при изменении зазора δ), так и с его проводимостью (при изменении площади S или диэлектрической проницаемости).

Для работы с емкостными преобразователями применяют и измерительные цепи, в основу которых положены различные структуры-делители напряжении, измерительные мосты, емкостно-диодные цепи, резонаторы.

Очень часто в состав современных измерительных цепей включают также операционные усилители (ОУ).

На рис. 10.1 показана схема цепи с ОУ, построенная по принципу делители напряжения. В данном случае. Как видим, с помощью такой цепи удобно преобразовывать в напряжение изменение зазора между обкладками конденсатора С₂ () или изменение площади конденсатора С₁ ().

В обоих случаях зависимость выходного напряжения от измеряемой величины будет линейной.

В схеме 10.1 емкости экранированных проводов С_э1, С_э2, С_э3 практически не влияют на работу измерительного устройства. Это объясняется тем, что емкости С_э1 и С_э3 включены параллельно источнику сигнала U_~ и ОУ, имеющим низкие выходные сопротивления. Емкость же С_э2 включена параллельно входам ОУ, и напряжение на ней близко к нулю.

Дифференциальные емкостные преобразователи включаются преимущественно в мостовые измерительные цепи. На рис. 10.2 даны примеры таких цепей, содержащих мосты с индуктивно-связанными плечами.

Выходной сигнал в цепи (рис.10.2а) подан на вход повторителя напряжения, выполненного на ОУ. Если принять, что напряжение на каждой половине вторичной обмотки трансформатора равно U_~, выходное напряжение равно

Емкости С_э1 и С_э3 экранированных проводов, соединяющих датчик с трансформатором, включены параллельно полуобмоткам трансформаторов и роли не играют. Для уменьшения влияния емкости экранированного провода, соединяющего датчик с усилителем, приценяется схема эквипотенциальной защиты. Для этой гели используется провод с двойным экраном. Наружный экран присоединяется к земле, а внутренний к выходу повторителя напряжения. Ток с центрального проводника на внутренний экран отсутствует, так как равны между собой напряжения в точках а и б относительно земли. Ток между внутренним и внешним экраном не сказывается на работе устройства, поскольку нагружает низкоомный выход повторителя напряжения.

Необходимость в двух экранах отпадает при подсоединении хода моста к инвертирующему входу ОУ (рис. 10.2б). Поскольку потенциал на этом входе усилителя весьма близок к нулю, то ток между проводом, подсоединенным к этому входу, и окружающим его экраном будет практически равен нулю. Для цепи (рис. 10.2б) верно соотношение

На рис. 10.2б показана модификация мостовой цепи при емкостном токосъеме с подвижной пластины. Экраны и паразитные емкости на схеме рис. 10.2в и на последующих схемах не показаны с целью упрощения рисунков.

Обозначим емкости между неподвижными и подвижной пластинами индексом, соответствующим номеру неподвижной пластины.

Рисунок 10.2

В плечо моста входят емкости С₁+С₅ и С₂+С₆. Через емкость C₃+С₄ подключена вершина измерительной диагонали моста к выходу ОУ. В результате выходное напряжение U_вых определится формулой:

(10.1)

При перемещении пластины в направлении, указанном стрелкой, емкость С₁+C₅ увеличивается, емкость С₂+С₆ уменьшается, а емкость токосъема С₃+С₄ остается почти неизменной, так как емкость С₃ увеличивается, а емкость С₄, уменьшается.

В схеме, приведенной на рис. 10.2г, показано, как с помощью охранных электродов улучшить характеристики емкостных преобразователей. Здесь емкостные преобразователи образованы пластинами 1, 4 и 2, 6. Пластины же 3, 5, 7 служат охранными электродами, Поскольку пластины 4 и 6 присоединены к инвертирующему входу ОУ, то напряжение на них весьма близко к нулю. Поэтому поле между пластинами 1 и 3, 4, 5, а также между пластинами 2 и 5, 6, 7 будет практически однородным. Благодаря этому исключается влияние краевого эффекта на работу преобразователей (краевые искажения поля теперь будут наблюдаться между пластинами 1. 2 и 3, 5, 7).

Общим недостатком схем, приведенных на рис. 10.1 и 10.2, является то, что они могут быть рекомендованы только для датчиков, у которых все пластины изолированы от корпуса, что иногда бывает трудно реализовать конструктивно. При заземлении одной из пластин (обычно общей подвижной пластины) желательно элементы измерительной цепи располагать в одном корпусе с датчиком, например так, как показано на рис. 10.3а.

Рисунок 10.3

Тогда провода, идущие к вершинам а и б, могут быть без экранов, а емкость С_ж.э. провода, подходящего к вершине в, подключается параллельно источнику питания. В аналогичной цепи (рис. 10.3б) использован недифференциальный усилитель, что стало возможным благодаря предварительному выпрямлению с разными знаками переменных напряжений, присутствующих на вершинах выходной диагонали моста.

На рис. 10.4 представлена емкостно-диодная измерительная цепь дифференциального датчика с заземленной пластиной. Емкости датчика C₁ и С₂ подсоединены к источнику переменного напряжения с помощью четырех диодов и двух дополнительных конденсаторов С₃. В каждом полупериоде переменного напряжения открывается соответствующая пара диодов (Д1, Д4 или Д2, ДЗ). При этом каждый из конденсаторов С₃ соединяется последовательно то с емкостью C₁, то с емкостью C₂. При неравенстве емкостей С₁ и С₂ токи через конденсаторы С₃, текущие в положительном и отрицательном направлениях, будут не равны между собой. Вследствие этого на конденсаторах С₃ появится постоянное напряжение, которое и является выходным. Если пренебречь падениями напряжения на диодах, то значение U_вых определится приближенным соотношением:

(10.2)

Нестабильность выходного напряжения определяется неидентичностью падения напряжения на диодах, поэтому диоды должны

Рисунок 10.4

тщательно подбираться. Чтобы избежать шунтирования емкостей датчика паразитными емкостями, диодная сборка помещается в корпусе датчика. Неравенство паразитных емкостей проводов, подходящих к точкам а и б, приводит к изменению переменной составляющей напряжения на выходе; на постоянную составляющую напряжения эти емкости не влияют.

Рисунок 10.5

Возможный вариант цепи (рис. 10.4а), предназначенный для телеизмерений, показан на рис. 10.4б. Здесь по одному коаксиальному кабелю передается переменное напряжение U_~ от источника на датчик и постоянное напряжение U_вых - с датчика. Внутри датчика монтируются четыре диода, конденсатор С₃ и резистор R₁. Показанные на схеме (рис. 10.4б) значения параметров элементов рассчитаны на частоту питающего напряжения, примерно равную 1 МГц.

На рис. 10.5 приведены измерительные цепи с резонансными контурами. Цепи питаются от источников со стабильной частотой ω₀.

Три изменении емкости С преобразователя (рис. 10.5а) сопротивление контура изменяется по резонансной кривой (рис. 10.5б) и при достигает максимума.

На склонах резонансной кривой может быть выбран участок, более или менее приближающийся к линейному. Пренебрегая сопротивлением R₂ по сравнению с сопротивлениями ωL и R₁ полагая,,,, напряжении на контуре можно выразить соотношением

(10.3)

Зависимости представлены на рисунке 10.5б.