Ёмкостные преобразователи

Оглавление

Введение        2

Принцип действия ёмкостных преобразователей        3

Возможные схемы построения        4

Статические характеристики        7

Чувствительность        9

Заключение        11

Список литературы        12

Введение

Ёмкостной датчик (преобразователь) – это преобразователь параметрического типа, в котором изменение измеряемой величины приводит к изменению ёмкости конденсатора[1][2]. Благодаря простой конструкции и высокой чувствительности такие датчики широко применяются в технике для измерения перемещений, уровня жидкостей, давления, а также в сенсорных экранах и касаниях. Ключевое преимущество ёмкостных преобразователей – высокая чувствительность и быстродействие, однако они чувствительны к электромагнитным помехам[3]. В данной работе рассматриваются принципы действия ёмкостных преобразователей, возможные схемы их включения, статические характеристики и чувствительность.

Принцип действия ёмкостных преобразователей

Емкостный преобразователь состоит из конденсатора (плоского или цилиндрического), параметры которого изменяются под воздействием контролируемой величины. Общий принцип основан на формуле ёмкости плоского конденсатора:

[pic 1]

где  – площадь перекрытия обкладок,  – расстояние между ними,  – диэлектрическая проницаемость среды. Любое изменение ,  или  приводит к изменению ёмкости. Например, при смещении одной из пластин (изменении ) ёмкость изменяется обратно пропорционально расстоянию, а при изменении площади перекрытия она меняется прямо пропорционально углу поворота или смещению. Перемещение подвижных пластин, изменение зазора или диэлектрика между обкладками позволяют измерять различные величины – перемещение, угол, уровень жидкости, усилие и др.[2][4].[pic 2][pic 3][pic 4][pic 5][pic 6][pic 7][pic 8]

Существует несколько типов конструкций ёмкостных датчиков: с изменяющейся площадью перекрытия пластин (для измерения угловых и линейных смещений), с переменным зазором между пластинами (для малых линейных перемещений) и с изменяемой диэлектрической проницаемостью между пластинами (например, для определения уровня жидкости или давления)[2][5]. При изменении площади перекрытия  зависимость ёмкости от перемещения линеарна, а при изменении зазора  ёмкость имеет вид , что даёт нелинейную статическую характеристику. Так, при малых перемещениях (малых ) чувствительность максимальна, а при увеличении зазора она быстро снижается[6].[pic 9][pic 10][pic 11][pic 12]

Возможные схемы построения

С целью измерения изменения ёмкости применяются специальные электрические схемы. Для включения ёмкостных датчиков используются две принципиально разные группы схем: амплитудные и частотные. Амплитудные схемы преобразуют изменение ёмкости в изменение амплитуды выходного переменного напряжения, а частотные – в изменение частоты выходного напряжения. В практике датчики питают высокочастотным переменным напряжением , значительно превышающим характерную скорость изменения параметра; при этом выходное сопротивление датчика велико и часто требуется усилитель[7][8].[pic 13]

Одной из распространённых схем является мостовая цепь переменного тока. Дифференциальный мост с двумя ёмкостными плечами (или трёхпластинчатый сенсор) обеспечивает симметричную характеристику. При равенстве ёмкостей плеч выходной сигнал равен нулю, а при смещении средней пластины амплитуда сигнала линейно растёт и меняет фазу на 180° при обратном направлении смещения[9][10]. На рисунке ниже показаны примеры дифференциального ёмкостного датчика: с изменяющейся площадью пластин (угловой датчик) и с цилиндрическими электродами.