1.3. Емкостный метод(вариант 1)

Известно, что емкость С конденсатора является функцией диэлектрической постоянной диэлектрика, расстояния между электродами и эффективной площади электродов:

(2.10)

В частности, емкость плоского конденсатора с двумя электродами определяется выражением

. (2.11)

Изменение емкости С конденсатора согласно формуле (2.10) можно осуществить путем изменения расстояния между электродами, эффективной площади электродов и диэлектрической постоянной диэлектрика. Следует добавить, что для измерения неэлектрических величин можно использовать также изменение диэлектрических потерь в конденсаторе.

В простейшем случае емкостный преобразователь состоит из двух параллельных пластин, разделенных воздушным диэлектриком, причем перемещение одной из пластин вызывает изменение емкости конденсатора. На рис.2.6 показано принципиальное устройство емкостного преобразователя. Если вместо одного неподвижного электрода взять два (рис.2.7), то получим дифференциальный преобразователь. Так как изменение емкости конденсатора является однозначной функцией перемещения подвижного электрода, то по изменению емкости можно судить о величине перемещения.

В зависимости от области применения емкостные датчики выполняются по-разному. Так, например, в приборах для измерения давления газа или жидкости одну из пластин делают упругой (подвижной) с таким расчетом, чтобы ее прогиб был пропорционален измеряемому давлению. Вторая пластина образует неподвижный электрод. Так как при прогибе упругая пластина не остается параллельной неподвижному электроду, то изменение емкости не будет пропорциональным прогибу. Однако при малых по сравнению с общим зазором прогибах пластины изменение емкости можно с большой точностью считать пропорциональным прогибу.

Емкостные датчики с упругой пластиной (диафрагмой) можно применять для измерения быстроменяющихся давлений. Наивысшая частота, измеряемая таким прибором, ограничена собственной частотой диафрагмы, которая в имеющихся конструкциях приборов доходит до 100000Гц. Следовательно, при помощи прибора с емкостным датчиком можно получить неискаженную запись переменных давлений, и сил до 25000—30000Гц (см. гл. VI).

Для увеличения чувствительности емкостного датчика следует уменьшать зазор между пластинами, однако при этом возможно замыкание пластин. Это затруднение можно обойти, если заполнить часть зазора диэлектриком с большой диэлектрической постоянной. В этом случае чувствительность датчика возрастает и при тех же перемещениях подвижной пластины можно будет получить значительно большее изменение емкости.

Емкостные датчики обладают малой мощностью, особенно на низких частотах. Обычно емкость датчика составляет мкмкф, а изменение ее не превышает 10% от общей емкости. Если, например, к емкостному датчику с С=100 мкмкф приложено напряжение u=115 в частотой Гц, то мощность Р датчика равна.

ва

Так как мощность измерителя должна быть во много раз меньше мощности датчика, то ясно, что такой измеритель должен обладать высокой чувствительностью. В настоящее время измерителей подобного типа не существует, поэтому емкостные датчики, как правило, работают на повышенных частотах и с применением усилителей.

Для преобразования изменения емкости в соответствующее изменение силы тока, напряжения или частоты применяют различные электрические схемы: резонансные, мостовые, электростатические и др.

В резонансных схемах емкость датчика является элементом резонансного контура, и изменение емкости вызывает изменение резонансной частоты, что в результате приводит к изменению частоты или амплитуды тока, протекающего по контуру. На рис.2.8 приведена одна из возможных резонансных схем. Резонансный контур LCR питается от генератора Г постоянной частоты. Напряжение и при совпадении собственной частоты контура с частотой колебаний генератора будет максимальным. Если собственная частота контура LCR изменяется вследствие изменения емкости С датчика, то амплитуда напряжения будет изменяться по резонансной кривой (рис.2.9). Выбрав рабочую точку М на прямолинейной части резонансной кривой (от А до В),

получим изменение амплитуды напряжения ± , пропорциональное изменению емкости ± С. Таким образом, это не что иное, как известная схема амплитудной модуляции. Напряжение и после усиления и детектирования может быть подано на указательную или записывающую систему.

В резонансной схеме на рис.2.10 анодный ток лампового генератора меняется в соответствии с изменением емкости контура LC.

К числу преимуществ резонансных схем следует отнести высокую чувствительность и линейную зависимость выходной электрической величины и емкости. Однако в этих схемах трудно получить постоянную настройку, и, следовательно, трудно обеспечить постоянство нуля прибора.

В мостовых схемах емкость датчика включается в одно или два плеча и служит переменным элементом моста.

На рис.2.11 приведена мостовая схема с одним переменным плечом, содержащим емкость С датчика. Если на входные зажимы моста подать переменное напряжение, то при равновесии на выходных зажимах b напряжение будет отсутствовать. При изменении емкости С равновесии моста будет нарушаться, вследствие чего на выходных зажимах появится напряжение. Это напряжение, амплитуда которого пропорциональна разбалансу С (для малых изменений емкости), может быть подано на усилитель или непосредственно на прибор.

Недостатком мостовых схем для преобразования емкости является трудность достижения равновесия моста из-за не синусоидальности питающего напряжения и неточного выполнения условий равновесия.

В электростатических схемах переменная емкость датчика используется для модуляции постоянного напряжения. Падение напряжения на переменной емкости подается на сетку специальной усилительной лампы с большим входным сопротивлением. Подобные схемы удовлетворительно работают только при измерении быстро изменяющихся неэлектрических величин.

Емкостный метод измерения имеет ряд преимуществ, как-то: высокую чувствительность, возможность измерения как весьма малых, так и больших перемещений и деформаций, большую точность. К недостаткам следует отнести необходимость применять для питания схем ток повышенной частоты и усилители, а также погрешности от паразитных емкостей.

ЕМКОСТНОЙ ДАТЧИК(вариант 2).