Емкостные датчики

Емкостные датчики преобразуют измеряемую величину в изменение емкости конденсатора и являются параметрическими датчиками. Большинство емкостных датчиков представляют собой конденсатор с плоскопараллельными пластинами или коаксиальными цилиндрическими электродами. Начальная емкость подобных датчиков равна

,

где  - диэлектрическая проницаемость воздуха, e - относительная диэлектрическая проницаемость изоляционного материала между пластинами, S - площадь пластин (электродов), d - расстояние между пластинами (электродами).

Из формулы видно, что емкостный датчик может выполнять преобразование путем воздействия измеряемой величины на значение диэлектрической проницаемости, площади пластин (электродов) и на значение расстояния между пластинами (электродами).

Преобразование воздействием на диэлектрическую проницаемость выполняют такие емкостные датчики, как датчики уровня  негорючих жидкостей и датчики толщины d изоляционного материала, в том числе, изоляционных покрытий. Принцип действия этих датчиков поясняется рис. 72 а и 72 б.

Одна из конструкций датчика уровня представляет собой цилиндрический конденсатор, электродами которого являются полый цилиндр и отделенный от него изолятором внутренний стержень длиной h (рис. 72.а). При погружении в жидкость с диэлектрической проницаемостью e  на глубину , емкость получившегося конденсатора будет линейно зависеть от :

.

В подобных датчиках основная часть погрешности возникает из-за проводимости жидкости, вследствие чего при изменении уровня изменяются активные потери образованного таким образом конденсатора.

Принцип действия емкостного датчика толщины ленты диэлектрического материала, в том числе, бумаги в процессе изготовления показан на рис. 72 б. Лента толщиной d при изготовлении проходит между параллельными обкладками плоского конденсатора, расположенными на расстоянии d друг от друга. Относительная диэлектрическая проницаемость ленты равна e, диэлектричес-

кая проницаемость воздуха - . Площадь обкладок конденсатора S. Тогда ем-

кость конденсатора зависит от измеряемой толщины следующим образом:

.

Емкостные датчики с изменяющейся площадью S обкладок (электродов) применяются при измерении, например, угла поворота a (рис 72 в) или перемещений L в несколько десятков миллиметров (рис. 72 г). Эти датчики удобно включить в мост переменного тока, как показано на рисунках.

Наибольшее распространение получили емкостные датчики, в которых измеряемая величина преобразуется в малое перемещение обкладок конденсатора по направлению друг к другу. Такие датчики могут быть выполнены в двух вариантах, показанных на рис. 72 д и 72 е. Расстояние d между обкладками датчиков, выполненных в соответствии с обычной дискретной технологией, составляет от 10 мкм до нескольких десятых миллиметра. То же расстояние у емкостных датчиков, изготовленных способами полупроводниковых микротехнологий, может быть уменьшено до сотых долей миллиметра. Такое малое расстояние между обкладками конденсатора способствует увеличению емкости датчиков и тем самым - снижению влияния паразитных емкостей соединительных проводов, но также повышает чувствительность таких датчиков к температуре окружающей среды. Это происходит из-за того, что тепловое линейное расширение материалов, из которых они изготовлены, оказывается соизмеримым с величиной зазоров между обкладками, и при разработке емкостных датчиков следует предусматривать конструктивные и иные меры уменьшения указанного влияния теплового расширения, а также средства надежного крепления неподвижных и подвижных обкладок во избежание малейших люфтов.

Кроме того нежелательным свойством одинарных емкостных датчиков (рис. 72 д) с малым зазором является возникновение силы притяжения между пластинами конденсатора, которая ранее в приборах электростатической системы была полезной. В дифференциальном преобразователе, представленном на рис. 66 е, эта сила может быть снижена вплоть до нуля.

Отрицательное влияние на емкостные датчики с малым зазором оказывает даже малейшее увлажнение и засорение обкладок. Поэтому их необходимо тщательно обрабатывать и герметизировать.

Начальная емкость емкостных датчиков с малым зазором .

На основе подобных емкостных датчиков могут быть созданы датчики силы, ускорения и давления. Средства для первоначального преобразования этих величин в малое перемещения - те же, что использовались выше в тензорезистивных датчиках.

Для создания датчика силы измеряемая сила преобразуется в малое перемещение с помощью упругого элемента, жесткость которого будет определять пределы измерения силы.

Чтобы преобразовать ускорение в малое перемещение используется сила инерции, действующей на тело с массой m и упругий элемент, преобразующий эту силу в перемещение. Значение массы и жесткость упругого элемента будут определять диапазон измеряемых ускорений и собственную частоту колебаний подвижной системы датчика.

Давление в малое перемещение преобразуется вначале в силу - через площадь мембраны S, а затем сила преобразуется в малое перемещение с помощью упругого элемента.

Для преобразования емкости конденсатора в электрическое напряжение или ток применяются вторичные электрические преобразователи.

Две схемы включения емкостных датчиков, предназначенных для преобразования переменных величин, представлены на рис. 73. Это, например, датчики виброускорений и переменных давлений, в том числе, конденсаторные микрофоны.

Первая из этих схем (рис. 73 а) работает в режиме заданного напряжения, поэтому выходное сопротивление  источника питающего постоянного напряжения U должно быть как можно меньше. Если емкость датчика изменяется, как

,

то при постоянном напряжении заряд этого конденсатора будет изменяться так же:

,

и ток заряда конденсатора  будет создавать на небольшом сопротивлении нагрузки  падение напряжения

.

Вторая схема (рис. 73 б) работает в режиме заданного заряда. Для этого последовательно с источником питающего напряжения включается большое сопротивление для того, чтобы конденсатор не успевал перезаряжаться, и заряд на нем оставался неизменным. Тогда, при гармоническом изменении емкости напряжение на конденсаторе будет меняться, как

.

Если емкостный датчик предназначен для преобразования медленно изменяющихся величин, то наиболее приемлемой схемой включения такого датчика является схема, представленная на рис. 73 в. Для того, чтобы снизить влияние паразитных емкостей  и  между соединительными проводами, необходимо обеспечить, чтобы выходное комплексное сопротивление  источника переменного питающего напряжения  частотой  и комплексное сопротивление нагрузки  удовлетворяли следующим условиям:

,           .

Тогда переменное напряжение на сопротивлении нагрузки будет определяться величиной емкости :

.

При достаточном напряжении питания, не превосходящем величины напряжения пробоя малых зазоров (350 В), и последующем усилении может быть достигнута необходимая чувствительность такого преобразования. Полученное в результате переменное напряжение выпрямляется и фильтруется, после чего поступает на вход АЦП.

Цепочки измерительных преобразований, выполняемых при применении емкостных датчиков, представлены на рис. 74.

Ведущие фирмы мира применяют емкостные чувствительные элементы для создания датчиков ускорения и малых перемещений. Наиболее чувствительные емкостные датчики создаются с применением полупроводниковых микротехнологий. Так, фирма "Analog Devices" (США), известная своей микроэлектронной продукцией, выпускает малогабаритные емкостные датчики ускорения на кристалле кремния размером 3.05´3.05´1.0  мм  с   параметрами:  зазор  между обкладками конденсатора - 1.3 мкм, емкость - 0.1 пФ, максимальное изменение емкости 0.01 пФ, несущая частота 1 МГц, инерционная масса 0.1 мкг. Основная погрешность датчика не превышает 0,5%.