Общие сведения об емкостных датчиках

Принцип работы емкостных датчиков основан на свойстве конденсатора изменять емкость с изменением геометрических размеров или относительной диэлектрической проницаемости.

Емкостные датчики применяются для измерения влажности почвы, зерна, толщины различных материалов, уровней жидкости и сыпучих материалов, размеров деталей, давлений, ускорений, вибраций и т. д.

Емкость плоского датчика определяется по формуле:

(4.1)

где e – относительная диэлектрическая проницаемость (для воздуха e = 1);

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

d – толщина диэлектрика (или зазора).

Из формулы (4.1) видно, что емкость может изменяться в зависимости от трех величин: e, S, d. Следовательно, в зависимости от того, какой параметр подвергается воздействию измеряемой величины, можно выполнить соответствующий емкостный датчик. На рисунке 4.1 а изображен емкостный датчик, в котором измеряемая величина вызывает изменение зазора d между пластинами, из которых 1 – подвижная, а 2 – неподвижная. Такой датчик применяется для измерений небольших перемещений. Если обозначить начальную емкость (до измерения) через С ₀, а в момент измерения через C ₁, то абсолютное изменение емкости:

(4.2)

и относительное изменение

, (4.3)

где D d – изменение зазора между пластинами.

Рисунок 4.1 – Емкостные датчики

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

Чувствительность датчика:

. (4.4)

На рисунке 4.1 б показана зависимость относительного изменения емкости D С / С от относительного изменения зазора D d/d. В случае уменьшения зазора (d – D d) кривая А круто поднимается вверх и при D d/d ®1 стремится к бесконечности. При увеличении зазора d + D d кривая Б при D d/d ® ¥ плавно приближается к предельному значению D С / С = 1. При этом чувствительность датчика уменьшается. Обе кривые будут иметь линейный характер в случае, когда зазор изменяется не более чем на 5 %, т. е. D d = ±0,05 d.

На рисунке 4.1 в приведена схема дифференциального конденсатора. Применение его позволяет увеличить чувствительность схем емкостных ИП. Конденсатор содержит подвижную пластину 1, расположенную между двумя неподвижными пластинами 2 и 3. Подвижная пластина закреплена с двух сторон на упругих подвесках 4 с малой жесткостью и может перемещаться вверх и вниз под действием измеряемого усилия. Во избежание утечки зарядов пластины 2 и 3 тщательно изолированы от корпуса прокладками 5. При перемещении подвижной пластины вверх увеличивается емкость C ₁ между пластинами 1 и 2 и уменьшается С ₂ между пластинами 1 и 3. Емкостные ИП с таким дифференциальным конденсатором служат для измерения линейных перемещений до 1 мм с точностью 0,1–0,01 мкм.

При изменении емкости конденсатора изменяется его емкостное сопротивление:

(4.5)

Для преобразования изменения сопротивления в электрический сигнал конденсатор включают в мостовую схему рисунка 4.2, работающие на переменном токе, или в резонансные схемы, основанные на резонансе токов или напряжений.

Рисунок 4.2 – Мостовая схема включения датчиков

Мостовая схема емкостного ИП содержит два конденсатора постоянной емкости (С 4и С 3) и трехэлектродный воздушный конденсатор со средней подвижной пластиной, перемещение которой вызывает изменение емкостей C 1 и C 2).

Если мост уравновешен, т. е. X_{С 1} Х_{С 3} = Х_{С 2} Х_{С 4}, то U _вых = 0. При перемещении подвижной пластины дифференциального конденсатора нарушается равновесие моста и появляется U _вых в измерительной диагонали моста, т. е. U _вых = f (x).

На рисунке 4.3 а показан датчик для измерения линейных перемещений, в котором входная величина х преобразуется за счет изменения площади пластин. Здесь b, h, d – соответственно ширина, высота обкладки и расстояние между обкладками.

Используя обозначения, принятые на рисунке 4.1 а находим абсолютное изменение значения емкости:

. (4.5)

Обычно для увеличения чувствительности датчика применяют многопластинчатые конденсаторы, в этом случае емкость

, (4.6)

где n – общее число пластин.

Абсолютное изменение емкости:

. (4.7)

На рисунке 4.3 б изображен датчик роторного типа для преобразования угловых перемещений в изменение емкости. Пример такого датчика может быть обычный конденсатор переменной емкости, применяемый в радиотехнике. В системах автоматики и телемеханики такой датчик применяется для передачи показаний указывающих приборов. В датчике 3 ротор может свободно поворачиваться относительно статора 1, при этом расстояние между пластинами не изменяется. Рабочая площадь (заштрихована) зависит от угла поворота α пластины 2.

Рисунок 4.3 – Датчики для измерения линейных и угловых перемещений

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

, (4.8)

где С ₀ – начальная емкость датчика;

Ψ – изменение площади S на единицу угла поворота.

На рисунке 4.3 в изображен цилиндрический датчик с переменной площадью для измерения перемещений более 1 мм. В этом случае емкость датчика

, (4.9)

где L – длина перекрываемой части обкладок конденсатора;

r _н, r _вн – радиусы цилиндров внешней и внутренней обкладок соответственно.

При смещении внутреннего цилиндра на величину D L абсолютное изменение емкости:

. (4.10)

Анализ работы емкостных датчиков (за исключением датчика на рисунке 4.1 а) показывает, что между изменением емкости D С и изменением площади D S (или перемещения Dα, D L, D h) существует линейная связь.

Рисунок 4.4 – Датчики с переменной диэлектрической проницаемостью

Емкостные датчики с переменной диэлектрической проницаемостью могут быть двух типов: с перемещением диэлектрика перпендикулярно или параллельно плоскости пластин. На рисунке 4.4 а изображен датчик для измерения уровня жидкости (первый тип).

При различных величинах диэлектрической проницаемости воздуха e₁ = e_в и перемещающегося диэлектрика ε₂ (жидкость) образуется два конденсатора C ₁ и C ₂, соединенные параллельно.

Общая емкость:

, (4.11)

где C ₁ – емкость в верхней части бака высотой h ₁ заполненная воздухом;

C ₂ – емкость в нижней части бака, заполненная жидкостью, уровень h ₂ которой изменяется;

h = h ₁ + h ₂ – полная высота электрода (обкладки).

На рисунке 4.4 в показан тип датчиков, в котором диэлектрическая проницаемость изменяется на высоте d параллельно плоскости пластин.

Достоинства емкостных датчиков: высокая чувствительность, малый вес и размеры, малая инерционность, простота конструкции, отсутствие подвижных контактов.

Недостатки: не пригодны для работы от напряжения сети промышленной частоты и требуют источника питания повышенной частоты 400 Гц и более (из-за наличия высокого внутреннего сопротивления Х _с), сложны в наладке, чувствительны к посторонним электрическим полям и паразитным емкостям, к изменению влажности и температуры среды.