2.3. Электростатические обратные преобразователи и динамические конденсаторы

принцип действия электростатического обратного преобразователя (ЭСОП) основан на возникновении силы между электрически заряженными телами (пластинами). Сила взаимодействия между двумя пластинами конденсатора представленного на рис.2.5, равна

,

где U – напряжение между пластинами; – зазор; S – площадь пластин; – диэлектрическая проницаемость среды.

Рис.2.5

ЭСОП нашли применение в приборах уравновешивания для измерения давления до 100 Па.

динамические конденсаторы, или емкостные вибрационные преобразователи, применяются при измерении маломеняющихся во времени малых токов или напряжений от источников с большим внутренним сопротивлением.

Схематическая конструкция динамического конденсатора мембранного типа с электростатическим возбуждением приведена на рис. 2.6.

Рис.2.6

Неподвижные электроды 1 и 2 укреплены на изоляторах 3. Мембрана 4 служит подвижным электродом. К электроду 1 через резистор подводится измеряемое напряжение . К электроду 2 подводится переменное напряжение , под действием которого между электродом 2 и мембраной 4 возникает электростатическая сила

.

Таким образом, зазор между электродом 1 и мембраной 4 также изменяется с частотой и может быть определен формулой , где – средний зазор. Емкость конденсатора, образованного электродом 1 и мембраной 4, меняется как

При включении конденсатора С₁ в режиме заданного заряда напряжение на обкладках конденсатора меняется как

.

Конденсатор С₃ отфильтровывает постоянную составляющую, и выходное напряжение динамического конденсатора пропорционально входному и изменяется с частотой , и равно

,

где – коэффициент преобразования.

В качестве систем возбуждения используются системы электромагнитного, электростатического и пьезоэлектрического типов. Паразитные связи трудно исключить, поэтому в выходном напряжении преобразователя присутствует помеха, частота которой равна частоте напряжения возбуждения. Для уменьшения этой помехи путем фильтрации необходимо, чтобы частоты выходного сигнала и возбуждающего напряжения не совпадали.

Наиболее существенной погрешностью преобразователя является дрейф напряжения между электродами конденсатора, называемый дрейфом нуля, на который наибольшее влияние оказывает нестабильность контактной разности потенциалов.

2.4. Емкостные статические преобразователи

На рис.2.7,а, а показано устройство емкостного преобразователя для измерения уровня. Преобразователь состоит из двух параллельно соединенных конденсаторов: конденсатор С₁ образован частью электродов и диэлектриком – жидкостью, уровень которой измеряется; конденсатор С₂ – остальной частью электродов и диэлектриком – воздухом. Емкость преобразователя определяется:

С=С₁+С₂=[ ( ) ] ,

где – полная длина цилиндра; – длина, на которую цилиндр заполнен; и – радиусы внешнего и внутреннего цилиндров.

На рис.2.7,б показан принцип устройства емкостного преобразователя для измерения толщины ленты из диэлектрика. Испытуемая лента 1 протягивается с помощью роликов 2 между обкладками 3 конденсатора. Если длину зазора между обкладками конденсатора обозначить , площадь обкладок S, толщину ленты и ее диэлектрическую проницаемость , то емкость С можно выразить как С = .

Рис.2.7

На рис.2.7,в показан принцип устройства емкостного преобразователя с переменной площадью пластин используемых для измерения угла поворота вала.

достоинством емкостных преобразователей с переменной площадью пластин является возможность за счет выбора формы подвижной 1 и неподвижной 2 пластин получить заданную функциональную зависимость между изменением емкости и входным угловым или линейным перемещением.

для измерения малых перемещений нашли применение преобразователи с переменным зазором. Принцип устройства подобного дифференциального преобразователя изображен на рис.2.7,г. Обкладка 2 за креплена на пружинах и перемещается поступательно под воздействием измеряемой силы F. Обкладки 1 и 3 неподвижны. Емкость между обкладками 2 и 3 увеличивается, а между обкладками 1 и 2 – уменьшается.

Область применения емкостных преобразователей весьма разнообразна, однако наиболее широко они используются для измерения малых перемещений и величин, легко преобразуемых в перемещение, например давлений.

Огромным достоинством емкостного элемента является принципиальное отсутствие шумов в отличие от резистивных и индуктивных элементов и отсутствие самонагрева. Все это приводит к тому, что в настоящее время в качестве наиболее высокочувствительных преобразователей в научных исследованиях используются емкостные преобразователи даже в области сверхнизких температур.