Дифференциальные схемы емкостных датчиков

А) Мостовая схема представлена на рис. 3.12.

Рис. 3.12

Балластные резисторы R и емкостные преобразователи C_S1иC_S2 образуют плечи измерительного моста. В одну диагональ моста включен источник переменного напряжения, а с другой диагонали снимается выходное напряжение, которое подаётся на дифференциальный усилительный каскад.

Под действием внешнего воздействия ёмкости конденсаторов изменяются на ±ΔС, т.е. ёмкость одного конденсатора возрастает, а другого –уменьшается (рис. 3.13). При этом нарушается баланс моста и на выходной диагонали моста появляется выходной сигнал.

Рис. 3.13

Б) Схема «конденсатор – диод» представлена на рис. 3.14.

Рис. 3.14

При положительном полупериоде диоды V_D1 и V_D4 открыты, конденсаторы (C₃; C_S1) и (C₄; C_S2) образуют делители напряжения. В точках c и d формируется положительное напряжение (рис. 3.15). Напряжение в точке а совпадает с напряжением в точке c, а в точке b –с напряжением в точке d. Выходное напряжение U=u_ab.

При отрицательном полупериоде диоды V_D2 и V_D3 открыты, конденсаторы (C₄; C_S1) и (C₃; C_S2) образуют делители напряжения. В точках c и d формируется отрицательное напряжение. Напряжение в точке а совпадает с напряжением в точке d, а в точке b –с напряжением в точке с. Выходное напряжение U=u_bа.

Таким образом, полярность выходного сигнала не изменяется.

Если емкости C₃= C₄ и C_S1= C_S2, то напряжения U_c=U_d и выходное напряжение U=0.

Если C_S1< C_S2, то напряжения |U_c|>|U_d|и выходное напряжение U>0.

Если C_S1> C_S2, то напряжения |U_c|<|U_d|и выходное напряжение U<0.

Величина выходного напряжения зависит от разности (C_S1- C_S2):

.

Рис. 3.15

Ошибки емкостных датчиков

Ошибки могут емкостных датчиков могут возникать из-за

• появления паразитных емкостей;

• влияния температуры на d и e ;

• неидеальности формы электродов.

Учёт ошибок особенно важен при измерении малых перемещений (рис. 3.16).

Рис. 3.16

Непараллельность пластин приводит к тому, что эквивалентная схема представляется двумя параллельными конденсаторами, ёмкости которых отклоняются от идеального случая. Отклонение реальной ёмкости от идеальной оценивается величиной

Погрешность реальных емкостных датчиков составляет около 0,01%.

Примеры приложений

В этой главе указывалось, что емкостные датчики обычно применяются в тех случаях, когда входной сигнал приводит к механическому перемещению или изменяет диэлектрические и геометрические параметры измерительных конденсаторов:

- измерение механического перемещения, акселекрометры;

- измерение малых расстояний, профилометры. Измерение в пределах 200 микрон проводится с точностью до 0,01% ≈ 20 нм

- измерение уровня жидкости или сыпучих тел (рис. 3.17).

Рис. 3.17