Лекция 12 Емкостные преобразователи Емкостный преобразователь представляет собой конденсатор, электрические параметры которого изменяются под действием входной величины. Конденсатор состоит из двух электродов, пространство между которыми может быть заполнено диэлектриком. При изменении взаимного положения электродов или при изменении диэлектрической проницаемости среды, заполняющей межэлектродное пространство, изменяется емкость конденсатора. В качестве емкостного преобразователя часто используют плоский конденсатор, емкость которого определяется выражением: где - расстояние между электродами; их площадь; диэлектрическая постоянная; относительная проницаемость диэлектрика.

Емкостные преобразователи Принцип действия емкостного преобразователя может быть основан на изменении любого из трех параметров плоского конденсатора: У преобразователя с прямоугольными электродами площадью имеется некоторый диапазон перемещения пластин, в котором емкость линейно зависит от : В области линейной зависимости чувствительность такого преобразователя постоянна и увеличивается с уменьшением расстояния между электродами : Обычно этот тип датчика реализуется в виде поворотного конденсатора для измерения угловых смещений.

Емкостные преобразователи Если перемещать электроды, изменяя расстояние между ними, функция преобразования – не линейна и представляет собой гиперболическую характеристику. Чувствительность такого преобразователя: сильнее, чем в предыдущем случае, зависит от расстояния между пластинами. Для увеличения чувствительности целесообразно уменьшение, так как чувствительность возрастает как. Предельное значение определяется технологическими параметрами и приложенным напряжением. Следует учесть, что при большой напряженности поля возможен электрический пробой воздушного промежутка.

Емкостные преобразователи Перемещая диэлектрическую пластину в зазоре плоского конденсатора ( рисунок а), можно получить преобразователь с переменной диэлектрической проницаемостью. Емкость такого преобразователя определяется как емкость двух параллельно включенных конденсаторов. Один из них образован частью электродов и диэлектрической пластиной, другой оставшейся частью электродов с межэлектродным пространством, не заполненным пластинкой:

Емкостные преобразователи Если пластинка с относительной диэлектрической проницаемостью имеет толщину, равную расстоянию между электродами, то функция преобразования преобразователя описывается выражением: где площадь электродов; часть площади диэлектрической пластины, находящаяся между электродами; Чувствительность такого датчика постоянна и равна:

Емкостные преобразователи Особенности схем включения Для емкостных преобразователей применяют два принципиально различных вида измерительных схем – амплитудные и частотные. Первые обеспечивают преобразование емкости в амплитуду выходного переменного напряжения. Вторые представляют собой колебательный контур, входящий в состав измерительного генератора, и преобразуют изменение емкости в изменение частоты выходного напряжения. Обычно емкостные датчики питают переменным током высокой частоты, которая должна значительно превышать наибольшую частоту изменения емкости под действием измеряемой величины.

Емкостные преобразователи Особенности схем включения Емкости большинства преобразователей составляют 10 – 100 пФ, и поэтому даже при относительно высоких частотах питающего напряжения ( ) их выходные сопротивления велики и равны. Выходные мощности емкостных преобразователей, напротив, невелики, 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.

Емкостные преобразователи Оценим параметры простейшего преобразователя малых перемещений: частотный коэффициент передачи, равный отношению напряжения на электродах датчика к питающему напряжению : Здесь выходное сопротивление генератора; собственная емкость преобразователя; паразитные емкости монтажа и электрического кабеля; входная емкость усилителя.

Емкостные преобразователи Чувствительность датчика по напряжению с учетом формулы емкости плоского конденсатора зависит от частоты следующим образом: Максимум чувствительности датчика определяется условием: Для датчика с параметрами: воздушный зазор, площадь пластины,, получим частоту питания. При напряжении питания ей будет соответствовать чувствительность датчика, равная

Емкостные преобразователи Достоинства емкостных датчиков: простота конструкции; малые размеры и масса; высокая чувствительность (в том числе при использовании резонансных схем включения); возможность измерения быстропеременных величин в широком интервале частот. Проблемные вопросы обеспечения высокой чувствительности емкостных датчиков: необходимость обеспечения равномерности малого зазора в диапазоне единиц и десятков ; возможные изменения межэлектродного зазора вследствие линейного расширения под действием температуры; наличие паразитных емкостей, тоже зависящих от температуры; необходимостью защиты измерительных цепей от наводок.