Емкостные измерительные преобразователи перемещения

Емкостным датчиком называют преобразователь параметрического типа, в котором изменение измеряемой величины преобразуется в изменение емкостного сопротивления.

Емкость системы – это ее способность хранить электрический заряд, который является одним из основных электрических параметров. Самая простая модель конденсатора будет состоять из двух электрических проводников или пластин, разделенных диэлектриком. Когда датчик заряжен, он создает электрическое поле.

Обычно емкостный датчик представляет собой плоский или цилиндрический конденсатор, одна из обкладок которого испытывает подвергаемое контролю перемещение, вызывая изменение емкости. Пренебрегая краевыми эффектами, можно выразить емкость для плоского конденсатора следующим образом:

,

где ε – относительная диэлектрическая проницаемость среды, заключенной между обкладками, S и d– площадь поверхности рассматриваемых обкладок и расстояние между ними соответственно.

Емкостные преобразователи могут быть использованы при измерении различных величин по трем направлениям в зависимости от функциональной связи измеряемой неэлектрической величины со следующими параметрами:

• переменной диэлектрической проницаемостью среды ε;
• площадью перекрытия обкладок S;
• изменяющимся расстоянием между обкладками d.

В простейшем случае речь идёт об изменении расстояния между пластинами вследствие внешнего физического воздействия (рис. 1). Поскольку ёмкость конденсатора изменяется обратно пропорционально величине зазора между пластинами, определение ёмкости при прочих известных параметрах позволяет судить о расстоянии между пластинами. Изменение ёмкости можно зафиксировать различными способами (например, измеряя его импеданс), однако в любом случае конденсатор необходимо включить в электрическую цепь.

Рис. 1. Емкостной датчик линейного перемещения с изменяющейся величиной зазора.

Другой схемой, где выходным параметром является электрическая ёмкость, является схема, содержащая конденсатор с подвижным диэлектриком (рис. 2). Перемещение диэлектрической пластины между обкладками конденсатора также приводит к изменению его ёмкости. Пластина может быть механически связана с интересующим объектом, и в этом случае изменение ёмкости свидетельствует о перемещении объекта. Кроме того, если сам объект обладает свойствами диэлектрика и имеет подходящие габариты — он может быть использован непосредственно в качестве диэлектрической среды в конденсаторе.

Рис. 2. Емкостной датчик линейного перемещения с подвижным диэлектриком.

Емкостные датчики обладают целым рядом преимуществ по сравнению с датчиками других типов. К их достоинствам относятся:

· простота изготовления, использование недорогих материалов для производства; - малые габариты и вес; - низкое потребление энергии; - высокая чувствительность;

· отсутствие контактов (в некоторых случаях – один токосъем);

· долгий срок эксплуатации;

· потребность весьма малых усилий для перемещения подвижной части емкостного датчика;

· простота приспособления формы датчика к различным задачам и конструкциям;

К недостаткам емкостных датчиков следует отнести:

· сравнительно небольшой коэффициент передачи (преобразования);

· высокие требования к экранировке деталей;

· необходимость работы на повышенной (по сравнению с 50 Гц) частоте;