2.7. Емкостные датчики

Принцип действия емкостной измерительной системы основан на том, что с изменением размера контролируемой детали меня­ется емкость конденсатора датчика. Измеряя тем или иным спосо­бом эту емкость, можно судить о размере изделия.

Механическое перемещение преобразовывается в изменение емкости чаще всего двумя способами: 1) изменением расстояния между пластинами и 2) изменением площади S пластин, составля­ющих конденсатор.

Рассмотрим принципиальную схему емкостного датчика (рис.27).

Рис. 27. Схема емкостного датчика с изменением расстояния между плоскими пластинами

Электрод 1 неподвижен, а другой электрод 2 подвижен и связан с измеритель­ным наконечником 3, контактирующим с изме­ряемой деталью 4. Емкость конденсатора

;

где S —площадь пластин конденсатора; — диэлектрическая проницаемость среды между электродами конденсатора. Средой между электродами конден­сатора в большинстве случаев служит воздух.

Рассмотрим еще один тип емкостных датчиков – датчик с изменением площади перекрытия пластин конденсатора (рис. 28).

Е мкость этого датчика зависит от угла перекрытия пластин .

Рис. 28. Емкостной датчик с изменением площади поворотных пластин

Недостатком емкостных датчиков является относительно большое выходное сопротивление, что требует тщательной экранировки подводящих кабелей и усложняет схему измерения.

Достоинства емкостных датчиков:

1. могут использоваться для измерения чрезвычайно малых перемещений (менее 1 мкм), и в тоже время, для измерения больших расстояний (до нескольких метров);

2. для перемещения пластин требуется очень малая сила по сравнению с другими датчиками перемещения.

Итак, ознакомившись с принципом работы различных датчиков, а также с их преимуществами и недостатками, выбираем конкретный тип датчика, который будет установлен на измерительной позиции.

Проанализировав возможность использования того или иного типа датчика, принимаем решение о выборе емкостного датчика, поскольку его наиболее рационально использовать для измерения малых перемещений или величин, преобразуемых в перемещения что, и требуется в данной работе.

Немаловажными факторами, определившими выбор данного типа датчика, являются: его высокая чувствительность (до 500 В в 1 мм), линейность, малые погрешности и одновременно простота конструк­ции.

3. Электроемкостные датчики. Расчет электоемкостных датчиков

3.1. Типы, измерительные схемы и конструкции емкостных датчиков

Типы емкостных датчиков.

Рассмотрим более подробно тип датчика с изменением расстояния между пластинами (рис.29)

Рис.29. Емкостной датчик с изменением расстояния между пластинами

Дифференциальный емкостный датчик состоит из трех пластин: две из них Р₁ и Р₂ закреплены неподвижно, а между ними поме­щается подвижная пластина М. Все три пластины вместе образу­ют два конденсатора С₁ и С₂. Когда пластина М расположена точно между пластинами Р₁ и Р₂, емкости конденсаторов С₁ и С₂ равны. Если средняя пластина под воздействием приложенной силы пере­местится на величину ∆, то величины емкостей С₁ и С₂ будут

Измерительный прибор измеряет разницу емкостей С₁ и С₂. Обычно напряжение питания U прикладывается между пластинами Р₁ и Р₂, а разность напряжений измеряется на конденсаторах С₁ и С₂. Эти напряжения составят

или

Поэтому разность напряжений

Зависимость между выходным сигналом и перемещением средней пластины ∆ линейна и не зависит от площади пластин конденсатора или диэлектрической постоянной. Следовательно, величина напряжений U₁ и U₂ изменяется линейно в зависимости от перемещения ∆ средней пластины.

Характерным представителем датчиков с переменной площадью пластин является датчик с поворотными пластинами (рис.28). емкость конденсатора в данном случае будет

.

Здесь можно видоизменить характеристику датчика подбором со­ответствующей формы одной или обеих пластин.

Следует иметь в виду, что вообще чувствительность емкостного датчика любого типа может быть повышена увеличением числа пластин.

На рис. 30 показан еще один тип емкостного датчика с вы­движными цилиндрами.

Рис. 30. Емкостной датчик с изменением площади выдвижных цилиндров

Формула емкости для данного типа датчика следующая

Емкостные датчики могут использоваться для измерения чрезвычайно малых перемещений (менее 0,1 ), т. е. расстояний, равных диаметру атома водорода. В то же время емкостные датчики могут применяться и для измерения больших расстояний (до нескольких м). Для перемещения пластин требуется очень малая сила по сравнению с другими датчиками перемещений. Сила притя­жения между пластинами конденсатора

где U — разность потенциалов между двумя пластинами.

Если емкостный датчик состоит из двух пластин площадью 2 см², которые удалены на 1 мм и подключены к источнику питания напряжением 100 в, то сила притяжения между пластинами, т. е. сила, требующаяся для перемещения пластин на бесконечно малую величину, приблизительно равна 0,1 Г.

Зависимость емкости конденсатора от расстояния между пластинами имеет гиперболический характер (рис. 31).

Рис. 31. Характеристика емкостного преобразователя

Измерительные схемы емкостных датчиков.

При включении дифференциального емкостного датчика в мостовую схему, подобную представленной на рис. 32, а для двух частей конденсатора, включенных в два верхних плеча моста, получаем

а их реактивные сопротивления соответственно

где - частота питающего напряжения.

При перемещении средней обкладки на величину ∆ эти сопротивления будут

так как нулевая точка принята при среднем положении обкладки, и сопротивления в нижних плечах равны R.

Подставляя значения и в уравнения для напряжения по диагонали моста, находим

,

где U – напряжение питания. Отсюда

После преобразования получаем

где через A,B,D для сокращения обозначены не зависящие от ∆ величины

Пренебрегая членом как малой величиной, имеем

Так как

то принимая

получим D = 0, что даст практически совершенную прямолинейность

Рис. 32. Измерительные схемы емкостных датчиков: а, б – мостовая; в – резонансная; г – компенсационная

Практически мостовая схема для емкостного датчика обычно имеет вид, представленный на рис. 32, б. Схема через трансформатор питается от генератора высокой частоты. При среднем положении подвижной пластины дифференциального емкостного датчика С_х потенциалы на сетках ламп Л₁ и Л₂, создаваемые падением напря­жения на сопротивлениях, одинаковы, т. е. внутренние сопротив­ления обеих ламп тоже одинаковы. При этом мост уравновешен и гальванометр Г покажет отсутствие тока в измерительной диагона­ли. Реохорд служит для регулирования начального равновесия моста при неидентичных характеристиках электронных ламп. Постоянным напряжением смещения U_co устанавливается необхо­димое начальное положение (на линейной части характеристики) рабочих точек одновременно обеих ламп. При смещении средней пластины от начального положения потенциал на сетке одной лампы увеличивается, а на сетке другой уменьшается. Мост разбалансируется, и гальванометр даст отклонение, пропорциональное пе­ремещению подвижной пластины емкостного датчика. Применение электронных ламп повышает чувствительность схемы.

Может применяться и резонансная схема (рис. 32, в). Ге­нератор 1 высокой частоты питает индуктивно связанный с ним контур, состоящий из катушки самоиндукции, переменного кон­денсатора настройки С и емкостного датчика С_х. Напряжение U, снимаемое с контура, усиливается усилителем 2 и измеряется галь­ванометром 3. С помощью конденсатора настройки контур при сред­нем положении подвижной пластины емкостного датчика настраи­вается на частоту, близкую к резонансной с частотой генератора ток, чтобы напряжение, снимаемое с контура, равнялось примерно половине напряжения при резонансе U_р. При этом рабочая точка N характеристики схемы, показанной на рис. 32, в, находится на линейной части половины резонансной кривой. Этим обеспечива­ется линейная зависимость и однозначность показаний гальвано­метра в функции от изменения емкости ∆С_х датчика при перемеще­нии его подвижной пластины и, кроме того, достигается устойчи­вость работы схемы. По этим соображениям положение рабочей точки в точке N выгоднее, чем в точке М, хотя напряжение на вы­ходе схемы и будет вдвое меньше.

Работой на резонансном участке характеристики достигается высокая чувствительность схемы. Небольшое изменение положе­ния подвижной пластины датчика вызывает резкое изменение выходного напряжения, снимаемого со схемы.

Параметры контура L — С, С_х при известной емкости С_х дат­чика и при пренебрежении величиной активного сопротивления катушки индуктивности могут быть легко выбраны из условия резонанса

где - частота резонанса контура, равная частоте генератора, питающего схему.

Применяется также компенсацион­ная схема, представленная на рис. 32, г. Датчик D питается напряжением часто­той 500 гц от вспомогательного генера­тора. Вторичная обмотка трансформа­тора Тр одним концом включена в сетку первой лампы усилителя Л, другим в движок реохорда. Если якорь датчика отклонится от нейтрали, то на вторичной обмотке трансформатора появится напряжение, которое после усиления заставит двига­тель М перемещать движок реохорда до тех пор, пока напряжение на нем относительно нулевой точки не будет равно напряжению на вторичной обмот­ке. Точность измерителя равна ± 1 мкм.

В настоящей работе применяем дифференциальный емкостный датчик с двумя неподвижными пластинами, включенными в мостовую схему, показанный на рис. 33.

Рис. 33. Схема дифференциального емкостного датчика:

1 и 7 — неподвижная пластина; 2 — конденсатор; 3 — генератор; 4 — усилитель; 5— показывающий прибор; 6 — реле; 8 — объект измерения; 9— измерительный стол; 10 – измерительный стержень;

11 – пружина; 12—направляющие; 13 – подвижная пластина

Изменение положения измерительного стержня 10, на конце которого закреплена подвижная пластина 13, при измерении объекта измерения 8, установленного на измерительном столе 9, влечет за собой изменение емкости двух конденсаторов, образованных пластинами 7, 13 и 1, 13. Эти конденсаторы и регулировочный конденсатор 2 включены в мостовую схему, которая питается от высокочастотного генератора 3. Выходное напряжение преобразователя через усилитель 4 подается на показывающий прибор 5 и исполнительное реле 6.

Конструкции емкостных датчиков.

Для измерения малых перемещений (10^-6 — 10^-3 м) получили применение преобразователи с переменным зазором.

Рис. 34. Половина дифференциального емкостного датчика, используемого в качестве преобразователя неравновесия в датчике уравновешивания

На рис. 34 показана конструкция одной половины дифференциального емкостного датчика, 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, и зазор между подвижной и неподвижной пластинами изменяется. Обе пластины тщательно изоли­рованы от корпуса специальны­ми прокладками 4 и стеклян­ными «слезками» 5.

На рис. 35 пока­зано устройство емкостного датчика для измерения уровня. Преобразователь состоит из двух параллельно соединенных кон­денсаторов: конденсатор С₁ образован частью электродов и диэлек­триком — жидкостью, уровень которой измеряется, конденсатор С_о – остальной частью электродов и диэлектриком — воздухом. Емкость преобразователя

где l₀ — полная длина цилиндра; l — длина, на которую цилиндр заполнен жидкостью; — диэлектрическая проницаемость жид­кости; R₁ и R2 —радиусы внешнего и внутреннего цилиндров.

Рис. 35. Емкостной датчик для измерения уровня

На рис. 36 показан принцип устройства емкостного датчика для измерения толщины ленты из диэлектрика.

Испытуе­мая лента 1 протягивается с помощью роликов 2 между обкладками 3 конденсатора.

Рис. 36. Емкостной датчик для измерения толщины ленты из диэлектрика

Если длину зазора между обкладками конденсатора обозначить , площадь обкладок S, толщину ленты и ее диэлек­трическую проницаемость , то емкость С можно выразить как

Н а рис. 37, а показан принцип устройства емкостных датчиков с переменной площадью пластин, используемых для измерения угла поворота вала. Ротор 1, жестко скрепленный с ва­лом 2, перемещается относительно статора 3 так, что длина зазора между ними сохраняется неизменной.

Рис. 37. Принцип устройства емкостных датчиков для измерения угла поворота вала

Емкость преобразователя при повороте ротора изменяется от максимума (выступ ротора находится против выступа ста­тора) до минимума, как показано на рис. 37, б. Достоинством емкостных преобразователей с перемен­ной площадью пластин (рис. 37, в) 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.

Рассмотрим конструкцию емкостного датчика угла поворота типа ДЕ-11 (рис. 38).

Действие датчика основано на преобразовании угла по­ворота подвижной пластины 1 диффе­ренциального конденсатора в измене­ние его емкости. Пластины 2 диффе­ренциального конденсатора включены в мостовую схему вместе с обмотками трансформатора 3.

Напряжение разбаланса моста из­меряется компенсационным методом. При перемещении электродов на сетке лампы 4 появляется сигнал разбалан­са, который усиливается и подается на электродвигатель 5, перемещающий движок реохорда 6 до тех пор, пока напряжение на катоде лампы 4 не ста­нет равным напряжению на ее сетке.

На одной оси с реохордом расположена измерительная шкала 7. На измеритель­ной шкале имеются упоры, которые замыкают контакты концевых выключателей, подающих импульсы на исполнительные реле. Первый каскад усиления (лам­па 4) расположен в корпусе датчика. Схема питается от генератора.

Рис. 38. Емкостной датчик угла поворота типа ДЕ-11: 1 – рычаг; 2 – изолятор подвижного электрода; 3 – полая ось; 4 – гайка; 5 – штепсельный разъем; 6 – электронная лампа; 7 – изолятор; 8 – корпус.