Теоретические положения

Принцип работы емкостных датчиков основан на свойстве конденсатора изменять емкость с изменением геометри­ческих размеров или относительной диэлектрической проницаемости. При помощи емкостных датчиков можно измерить геометрические размеры, влажность изоляционных материалов, состав изоляционного материала и т. п. Как известно, ем­кость плоского конденсатора (пф)

C==0,088 s/d, (1)

где —относительная диэлектрическая проницаемость, пф/см (для воздуха =1);

s-действующая площадь пластин (обкладок), составляющих конденсатор, см²;

d - толщина диэлектрика (или зазора), см.

Из формулы (1) видно, что емкость может изменяться в зависимости от трех величин — , s, d. Следовательно, в зависимости от того, на какой параметр воздействует измеряемая величина, можно выполнить соответствующий емкостной датчик. На рис. 1, а изображен емкостной датчик, в котором измеряемая величина х вызывает изменение зазора d между пластинами, из которых 1 - подвижная, а 2 - неподвижная. Такой датчик применяется для измерения небольших перемеще­ний. Если обозначить начальную емкость (до измерения) через Со, а в момент измерения через C₁ то абсолютное изменение емкости, а относительное изменение

C/C= d/(d± d), (2)

где d - изменение (смещение) зазора между пластинами, см.

В формуле (2) знак «+» соответствует уменьшению емкости, а «-» - увеличению.

Чувствительность емкостного датчика Sд равна отношению относительного приращения (изменения) емкости к приращению линейного размера d:

S_Д = = (3 )

На рис. 1, б показана зависимость относительного изменения емкости С/С от относительного изменения зазора d/d.

В случае уменьшения зазора ( d/d) кривая А круто поднимается вверх и при d/d=l стремится к бесконечности. При этом увеличивается чувствительность датчика.

В случае увеличения зазора (d+ d) кривая Б при d/d положе, чем кривая А, поднимается вверх и приближается к предельному значению С/С=1. При этом чувствительность датчика уменьшается. Обе кривые (А, Б) будут иметь линейный характер в том случае, когда зазор изменяется не более чем на 5%, т. е. d=±0,05d. При этом относительное изменение емкости приблизительно равно относительному изменению зазора (независимо от направления смещения подвижного электрода). Следует отметить, что уменьшать расстояние между пластинами необходимо до определенного предела (30 мк) во избежание электрического пробоя конденсатора.

На рис. 1, в показана конструктивная схема дифференциального датчика. Применение его позволяет уменьшить действие механической силы и увеличить чувствительность мостовой схемы. Конструкция дифференциального датчика состоит из подвижной пластины 1, расположенной между двумя неподвижными пластинами 2 и 3. Подвижная пластина закреплена с двух сторон на упругих подвесках 4 и 4' с малой жесткостью и может перемещаться вверх или вниз под действием измеряемого усилия Р. Во избежание утечки зарядов обе пластинки (2 и 3) тщательно изолированы от корпуса изолирующими прокладками 5 и 5'.

При перемещении подвижной пластины емкости верхней и нижней частей датчика получают приращение с разными знаками, например C₁ = C- C и C₂ = C+ C. Эти емкости включаются в соседние плечи мостовой схемы, благодаря чему уве­личивается напряжение на выходе моста. Для получения высокой чувствительности емкостные датчики включаются в резонансные контуры.

На рис.2, а показан датчик для измерения линейных перемещений, в котором входная величина х преобразуется за счет изменения площади пластин. Здесь b, h, и d - соответственно ширина, высота обкладки и расстояние между обкладками. Используя обозначения, принятые на рис. 1, а, находим абсолютное значение емкости:

C=CO-Cl=0,088 s/d=0,088 b h/d. (4)

Обычно для увеличения чувствительности датчика применяют многопластинчатые конденсаторы, в этом случае емкость (пф}

С = 0,088 s (n - 1) / d, (5)

где s — рабочая площадь пластины, см²;

n— общее число пластин;

d - расстояние между пластинами, см.