Исследование емкостных преобразователей

Целью работы исследование принципов действия емкостных преобразователей линейного и углового перемещений, приобретение навыков работы с цифровым измерителем ёмкости Е 8-4.

Емкостные преобразователи могут быть разделены на две группы:

генераторные и параметрические.

Входной величиной генераторных емкостных преобразователей обычно является электрическое напряжение, выходной – линейное или угловое перемещение подвижного электрода. К этой группе относятся электростатические механизмы, а так же обратные электростатические преобразователи приборов уравновешивания для измерения механических величин. Входной величиной параметрических емкостных преобразователей является перемещение, а выходной – изменение ёмкости. В сочетании с механическими преобразователями давлений, сил, ускорений и вибраций в механическое перемещение они являются неотъемлемыми элементами емкостных манометров, динамометров, виброметров, акселерометров и т.д. Емкостные преобразователи представляют собой электрические конденсаторы, ёмкости которых могут меняться под действием измеряемой величины на площадь прикрытия обкладок, величину зазора или диэлектрическую проницаемость среды между обкладками.

По структуре построения емкостные преобразователи можно разделить на дифференциальные и недифференциальные. Преобразователи второй группы имеют подвижную и неподвижную обкладки, разделённые воздушным зазором. Перемещение подвижной обкладки приводит к изменению полезной площади обкладок или воздушного зазора междуними. Дифференциальные преобразователи содержат два

конденсатора, ёмкости которых изменяются с разным знаком при перемещении подвижной обкладки. Несмотря на некоторое усложнение конструкции, такие схемы обладают более высокой чувствительностью и линейностью характеристики, а так же имеют меньшую зависимость точности измерений от источника питания и изменения влажности и температуры окружающей среды.

По конструктивному решению чувствительных элементов ёмкостные преобразователи подразделяют на плоскопараллельные, коаксиальные, стержневые, с обкладками, выполненными из штока, однолучевые, многолучевые и т.д.

Несмотря на кажущиеся отличия, все конструктивные решения преобразователей можно свести, в основном, к двум типам: коаксиальному и плоскопараллельному.

Ограничившись рассмотрением типов емкостных преобразователей, используемых в качестве измерительных преобразователей линейных перемещений, их основные конструктивные схемы и выходные характеристики можно представить в виде таблицы (см. Приложение А).

Выражение для ёмкости преобразователя с плоскопараллельными обкладками, работающего в диэлектрических средах, без учёта краевого эффекта, можно записать в виде:

[пФ], (1)

где e₀ – электрическая постоянная (8,85×10^-2, пФ/см);

e ‑ относительная диэлектрическая проницаемость среды;

d – расстояние между обкладками конденсатора [см];

S – площадь пластины [см²].

Формула (1) распространяется на случай, когда e имеет однородный характер, и в дальнейшем будут рассматриваться только такие типы преобразователей.

Для всех типов емкостных преобразователей с постоянной

величиной зазора между обкладками, информативным параметром является изменение площади покрытия пластин S, а для преобразователей с постоянной площадью пластин – переменный зазор d.

Относительное изменение ёмкости для преобразователей с плоскопараллельными обкладками (см. формулу 1), определяется как

(2)

Площадь S определяется линейными размерами, составляющими 10 – 100 мм, и изменение этих размеров на 0,1 – 1 мкм вызывает пренебрежимо малое изменение площади S и ёмкости C.

Зазор d в ёмкостных преобразователях составляет от 10 мкм до 1 мм и его изменение даже на 0,1 мкм может вызвать существенную погрешность. Одной из основных причин изменения зазора является изменение геометрических размеров, вызываемых линейным расширением материалов под воздействием температуры.

Диэлектрическая проницаемость воздуха весьма стабильна и мало меняется под действием внешних условий: при изменении температуры на 10 °С d_e= 0,002%, при изменении влажности от 30% до 40% d_e= 0,01%, при изменении давления на 105 Н/м² d_e= 0,06%.