Емкостные датчики малых перемещений

Одно из самых популярных применений емкостных датчиков это измерение малых воздушных зазоров. Они эффективны при измерении шероховатости плоских поверхностей, например зеркал. Их используют при профилировании любых гладких поверхностей, например при формировании кривизны оптических линз. В медицинской практике датчики используют при изготовлении контактных линз или протезировании зубов.

В этих случаях входной переменной является толщина зазора d. На рис. 3.4 приведен график передаточной функции C = f (d), определённой в соответствии с (3.1).

Рис. 3.4

На характеристике можно выделить три области. В области I датчик имеет наибольшую чувствительность, т.е. небольшое смещение Δd вызывает большое изменение ёмкости ΔC. Однако, в этой области велика вероятность механического контакта и электрического пробоя. В области III чувствительность датчика слишком мала.

Оптимальное соотношение между надёжностью и чувствительностью наблюдается в области II, которая определяет рабочий диапазон датчика. Величина рабочего диапазона зависит от величины площади пластин А конденсатора и может достигать 200 мкм. Чтобы поддерживать величину ёмкости в рабочей области, при увеличении зазора d нужно увеличивать площадь А.

Одна из распространенных конструкций для емкостных датчиков приведена на рис. 3.5.

Рис. 3.5

Емкость между электродами зависит от расстояния между датчиком и поверхностью.

Емкостные датчики с изменением диэлектрических свойств

Работа большой группы емкостных датчиков основана на изменении диэлектрической проницаемости материала, заполняющего пространство между пластинами конденсатора

C = f (ε).

Схематическое изображение такого датчика приведено на рис. 3.6.

Рис. 3.6

Часть пространства между пластинами заполнена материалом с диэлектрической проницаемостью e. Электрически эквивалентная схема такого датчика представляется двумя параллельно включёнными конденсаторами

Суммарная ёмкость цепи

Учитывая, что A_ε=bx и A=bl (см. рис. 3.1), получим передаточную функцию в виде

. (3.6)

График передаточной функции имеет вид прямой линии и представлен на рис. 3.7.

Рис. 3.7

Датчики такого типа могут использоваться, например, для определения уровня жидкости или границы раздела двух сред с различающимися значениями диэлектрической проницаемости (рис. 3.8).

Рис. 3.8

Обычно величину ёмкости измеряют на переменном токе. Поэтому нужно иметь в виду, что диэлектрическая проницаемость зависит от частоты измерительного тока (рис. 3.9).

Рис. 3.9