|
Действие емкостных датчиков перемещения основано на преобразовании входной величины в изменения емкости конденсатора.
Если выбрать конденсатор с плоскими параллельными пластинами, разнесенными на расстояние, и пренебречь всеми краевыми эффектами, то емкость такого датчика можно определить по формуле:
С(х)=(ε0εS)/d (3)
где ε0=8,8542-10-12 А•с/(В•м)- диэлектрическая постоянная;
ε- относительная диэлектрическая проницаемость;
S- площадь пластин;
d- расстояние между пластинами.
Таким образом, из формулы следует, что емкость является функцией расстояния между электродами, площади электродов и диэлектрической проницаемости диэлектрика между электродами. Очевидно, что имеются три метода реализации емкостного датчика перемещения: можно изменять расстояние между обкладками, площадь электродов и диэлектрическую проницаемость.
Емкостные чувствительные элементы, основанные на измерении изменения ε, применяют главным образом для определения состава веществ (при полном заполнении зазора контролируемой средой) и для измерения уровня при изменяющемся заполнении зазора, поэтому данный метод не рассматривается.
Чувствительные элементы с изменяющимся зазором
Изменение параметра d в формуле, приводит к изменению емкости по гиперболическому закону. Только при малых относительных изменениях расстояния, зависимость будет линейна. Для получения линейной зависимости необходимо, чтобы рабочий ход был не более 0,1 от начального зазора d.
Для обеспечения линейности в широком диапазоне, применяют дифференциальный конденсатор, изображенный на рисунке 2.
Дифференциальный конденсатор.
Изменение емкости основано на изменении ширины зазоров, в результате перемещения средней пластины. Подобно индуктивному чувствительному элементу, с поперечным перемещением якоря и сдвоенными обмотками дифференциальный принцип и в этом случае наряду с удвоением чувствительности обеспечивает расширение линейного диапазона.
Характеристика чувствительных элементов с изменяющимся зазором:
- входная величина: перемещение;
- выходная величина: изменение емкости;
- диапазон измерения: до 1 мм;
- погрешность от нелинейности:- 1—3 %;
- частотный диапазон: 0 — 105 Гц.
Преимущества: малая величина необходимых для измерений усилий и достаточная чувствительность при высоких температурах;
Недостатки: чувствительность нелинейна; очень большое внутреннее
сопротивление; необходимость применения коротких подводящих проводов; чувствительность к электрическим помехам.
Чувствительный элемент с изменяющейся площадью пластин
В формуле емкости конденсатора величина S представляет собой площадь взаимного перекрытия пластин. Смещением обеих пластин относительно друг друга можно изменить площадь их перекрытия, причем для пластин прямоугольной формы зависимость площади от смещения линейна. Поскольку площадь находится в числителе формулы емкости конденсатора, то она линейно зависит от смещения. Использование пластин различной формы позволяет получить квадратичные, логарифмические и т. п. зависимости.
Датчики, основанные на данном методе способны измерять перемещения до нескольких сантиметров. Они имеют линейную характеристику, и просто получить характеристики других видов. Но они чувствительны к помехам, высокоомны, необходимо точное механическое изготовление. |
Электрика 
