Датчики линейных перемещений

Неэлектрические величины, подлежащие измерению и контролю, весьма многочисленны и разнообразны. Значительную их часть составляют линейные и угловые перемещения. На основе конденсатора, у которого электрическое поле в рабочем зазоре равномерно, могут быть созданы конструкции емкостных датчиков перемещения двух основных типов:

- с переменной площадью электродов;

- с переменным зазором между электродами.

Достаточно очевидно, что первые более удобны для измерения больших перемещений (единицы, десятки и сотни миллиметров), а вторые – для измерения малых и сверхмалых перемещений (доли миллиметра, микрометры и менее).

В простейшем случае в основе емкостного датчика линейных перемещений может быть использован одиночный конденсатор. Емкости датчиков в соответствии с рисунком 2.1 определяются выражениями:

; ;

и изменяются при перемещении на величину подвижной части конденсатора 1 относительно неподвижной 2.

а)

б)

в)

Рисунок 2.1 - Принципиальные схемы одноемкостных датчиков линейных перемещений

Упрощенные конструктивные схемы в соответствии с рисунком 2.2 охватывают все многообразие дифференциальных емкостных датчиков с однородным электрическим полем.

а)		б)
в)

Рисунок 2.2 - Принципиальные схемы дифференциальных емкостных датчиков линейных перемещений

Зависимости емкости от перемещения для приведенных схем:

, ; , ; , ,

где – величина перемещения подвижного электрода 1 относительно неподвижных 2 и 3.

Наряду с дифференциальными конструкциями для измерения линейных перемещений используют полудифференциальные. Емкости полудифференциальных датчиков в соответствии с рисунком 2.3 определяются выражениями:

, ; , .

а)

б)

Рисунок 2.3 - Принципиальные схемы полудифференциальных емкостных датчиков линейных перемещений

Иногда для датчиков перемещения используются конденсаторы с подвижным диэлектриком, который изменяет диэлектрическую проницаемость среды между обкладками конденсатора в соответствии с рисунком 2.4.

Рисунок 2.4 - Принципиаль0ная схема емкостного датчика линейных перемещений с подвижным диэлектриком

Датчики угловых перемещений

Емкостные измерительные преобразователи угловых перемещений подобны по принципу действия емкостным датчикам линейных перемещений, причем датчики с переменной площадью также более целесообразны в случае не слишком малых диапазонов измерения (начиная с единиц градусов), а емкостные датчики с переменным угловым зазором могут с успехом использоваться для измерения малых и сверхмалых угловых перемещений.

Обычно для угловых перемещений используют многосекционные преобразователи с переменной площадью обкладок конденсатора в соответствии с рисунком 2.5.

а)

б)

Рисунок 2.5 - Принципиальные схемы емкостных датчиков угловых перемещений

В таких датчиках один из электродов конденсатора крепится к валу объекта, и при вращении смещается относительно неподвижного, меняя площадь перекрытия пластин конденсатора. Это в свою очередь вызывает изменение емкости, что фиксируется измерительной схемой.

 

Инклинометры

Инклинометр (датчик крена) представляет собой дифференциальный емкостной преобразователь наклона, включающий в себя чувствительный элемент в форме капсулы в соответствии с рисунком 2.6.

Рисунок 2.6 - Устройство емкостного инклинометра

Капсула состоит из подложки с двумя планарными электродами 1, покрытыми изолирующим слоем, и герметично закрепленным на подложке корпусом 2. Внутренняя полость корпуса частично заполнена проводящей жидкостью 3, которая является общим электродом чувствительного элемента. Общий электрод образует с планарными электродами дифференциальный конденсатор. Выходной сигнал датчика пропорционален величине емкости дифференциального конденсатора, которая линейно зависит от положения корпуса в вертикальной плоскости.

Инклинометр спроектирован так, что имеет линейную зависимость выходного сигнала от угла наклона в одной – так называемой рабочей плоскости и практически не изменяет показания в другой (нерабочей) плоскости, при этом его сигнал слабо зависит от изменения температуры. Для определения положения плоскости в пространстве используется два, расположенных под углом 90° друг к другу инклинометра.

Малогабаритные инклинометры с электрическим выходным сигналом, пропорциональным углу наклона датчика, являются сравнительно новыми приборами. Их высокая точность, миниатюрные размеры, отсутствие подвижных механических узлов, простота крепления на объекте и низкая стоимость делают целесообразным использовать их не только в качестве датчиков крена, но и заменять ими угловые датчики, причем не только на стационарных, но и на подвижных объектах.

 

Датчики уровня жидкости

Емкостной преобразователь для измерения уровня непроводящей жидкости представляет собой два параллельно соединенных конденсатора в соответствии с рисунком 2.7, а.

а)

б)

Рисунок 2.7 - Принцип устройства емкостных датчиков уровня жидкости

Конденсатор образован частью электродов и диэлектриком – жидкостью, уровень которой измеряется; конденсатор – остальной частью электродов и воздухом. Емкость преобразователя определяется выражением:

, где – полная длина цилиндра, – длина, на которую цилиндр заполнен жидкостью, – относительная диэлектрическая проницаемость жидкости, – радиусы внешнего и внутреннего цилиндров.

Главным недостатком описанного выше емкостного уровнемера является невозможность измерять уровень проводящих ток жидкостей без дополнительной изоляции электродов, нарушающих линейность характеристик.

Для измерения уровня проводящей жидкости был предложен емкостной зонд в соответствии с рисунком 2.7, б.В основе конструкции лежит остекленный электрод 1. Вторым электродом конденсатора служит проводящая жидкость 2, которая присоединяется к измерительной цепи при помощи электрода 3.

В ряде случаев в качестве второго электрода емкостных преобразователей может использоваться металлический сосуд, в котором находится измеряемая жидкость.

 

Датчики давления

Одной из основных конструкций емкостного преобразователя давления является одностаторная в соответствии с рисунком 2.10, а, которая применяется для измерения абсолютного давления.

а)

б)

Рисунок 2.10 - Принцип устройства емкостных датчиков давления

Такой датчик состоит из металлической ячейки 3, разделенной на две части туго натянутой плоской металлической диафрагмой 1, с одной стороны которой расположен неподвижный изолированный от корпуса электрод 2. Электрод с диафрагмой образуют переменную емкость, которая включена в измерительную схему. Когда давление по обеим сторонам диафрагмы одинаково, датчик сбалансирован. Изменение давления в одной из камер деформирует диафрагму и изменяет емкость, что фиксируется измерительной схемой.

В двухстаторной (дифференциальной) конструкции диафрагма перемещается между двумя неподвижными пластинами в соответствии с рисунком 1.10, б. В одну из двух камер подается опорное давление, что обеспечивает прямое измерение дифференциального (избыточного или разностного) давления с наименьшей погрешностью.