Работа
емкостных
датчиков
заключается в преобразовании измеряемой
величины в емкостное сопротивление.
Поэтому емкостные датчики относятся к
параметрическим. Принцип действия
емкостных датчиков основан на зависимости
емкости конденсатора от размеров
обкладок, расстояния между ними,
диэлектрической проницаемости среды
между обкладками.
Емкость
конденсатора, имеющего две плоские
обкладки,
где
ε — относительная диэлектрическая
проницаемость среды между обкладками;
ε0
— диэлектрическая постоянная (
Ф/м);s—
площадь обкладок; d—
расстояние между обкладками.
Из
(1) следует, что изменение емкости
конденсатора может происходить из-за
изменения любой из трех величин: d,
s,
e.
Наибольшее распространение получили
емкостные датчики, измеряющие линейные
перемещения. На рис. 1, а,
б показаны
схема емкостного датчика линейного
перемещения и зависимость емкости
датчика от входного сигнала — перемещения
х.
На
рис. 2, а,
б показаны
схема емкостного датчика углового
перемещения и зависимость емкости
датчика от входного сигнала — угла
поворота α. В этом датчике емкость
изменяется из-за изменения площади
взаимного перекрытия двух обкладок —
пластин 1
и 2.
Одна
из пластин (1) неподвижна, другая (2) —
может поворачиваться на оси относительно
пластины 1.
Расстояние
между пластинами не меняется, при
повороте пластины 2
меняется
активная площадь между пластинами 1
и
2
(на
рис. 2, а
отмечена
штриховкой).
Рис.
2. Емкостный датчик углового перемещения
На рис. 3 показан
емкостный датчик уровня. В этом датчике
емкость изменяется в зависимости от
уровня жидкости, поскольку изменяется
диэлектрическая проницаемость среды
между неподвижными пластинами.
Емкостные
датчики используются в цепях переменного
тока. Емкостное сопротивление обратно
пропорционально частоте питания:
— угловая частота;f—
частота, Гц.
При малой частоте
питания емкостное сопротивление
настолько велико, что изменение тока в
цепи с емкостным датчиком очень трудно
зафиксировать даже высокочувствительным
прибором. Применение емкостных датчиков
предпочтительнее при питании повышенной
частотой (400 Гц и больше).
Характеристики и схемы включения емкостных датчиков
Чувствительность
емкостного датчика определяется как
отношение приращения емкости к вызвавшему
это приращение изменению измеряемой
величины. Для простого плоского
двухобкладочного емкостного датчика
линейного перемещения с воздушным
зазором емкость (2)
Рис.
4. Емкостный датчик давления
Чувствительность,
как следует из (3) и графика (рис. 1, б),
не
постоянна в диапазоне возможных
перемещений х.
Она
максимальна при малых входных сигналах
(когда пластины расположены близко друг
к другу) и быстро уменьшается при удалении
пластин.
При включении
емкостного датчика в измерительную
мостовую схему переменного тока
чувствительность измерения можно
увеличить повышением напряжения питания
моста. Однако и здесь необходимо иметь
в виду опасность пробоя между пластинами.
Для значительного увеличения напряжения
питания между обкладками конденсатора
помещают тонкую слюдяную пластинку.
Для повышения чувствительности
измерительной схемы с емкостным датчиком
необходимо повышать частоту питающего
напряжения. Однако при этом необходимы
специальные меры по экранированию схемы
и подводящих проводов для уменьшения
погрешности измерения, вызванной токами
утечки и токами наводки.
В
емкостном датчике давления (рис. 4) одной
из обкладок конденсатора является
плоская круглая мембрана 1,
воспринимающая
давление Р.
Другая
обкладка 2
датчика
неподвижна и имеет такой же радиус R,
что
и мембрана 1.
Между
обкладками конденсатора имеется
начальный воздушный промежуток
.
Под воздействием измеряемого давления
Р
мембрана
прогибается, причем наибольшее перемещение
δ
имеет центр мембраны. Неравномерное
изменение воздушного промежутка между
пластинами затрудняет вывод формулы
для емкости такого датчика. Приведем
ее в окончательном виде:
Непосредственное
объединение чувствительного элемента
(мембраны) с датчиком без промежуточных
кинематических элементов обеспечивает
простоту конструкции и высокую надежность,
а отсутствие потерь на трение обусловливает
высокую чувствительность по давлению
такого датчика. При взаимном перемещении
пластин в конденсаторе изменяется
энергия электрического поля, что приводит
к появлению усилий, приложенных к
пластинам.
Энергия электрического
поля в конденсаторе
Сила, действующая
на пластины, определяется как производная
энергии по перемещению:
Для повышения
точности и чувствительности, а также с
целью уменьшения влияния механических
сил емкостный датчик можно выполнить
дифференциальным (рис. 5) и включить в
мостовую схему.
Дифференциальный
емкостый датчик представляет собой
плоский конденсатор с металлической
обкладкой 1,
на которую действует измеряемая сила
F.
Обкладка
1
закреплена на упругой подвеске 6
и
под действием силы F
перемешается
параллельно самой себе.
Две
неподвижные обкладки 2
и
3
изолированы
от корпуса специальными прокладками 4
и
5.
При
отсутствии силы Fобкладка
1
занимает
симметричное положение относительно
неподвижных обкладок 2
и
3. При
этом емкость конденсатора, образованного
пластинами
.Под
воздействием измеряемой силы F,
преодолевающей
противодействие упругой подвески 6,
обкладка
1
перемещается
и емкости верхнего и нижнего конденсаторов
получают приращения разных знаков:
Поскольку
эти емкости включены в смежные плечи
мостовой схемы; чувствительность
измерительной схемы возрастает вдвое.
Силы, действующие между парами обкладок,
направлены противоположено друг другу,
т. е. взаимно компенсируются.
Питание
моста осуществляется от генератора
высокой частоты (ГВЧ). Частота питания
составляет несколько килогерц. Напряжение
в измерительной диагонали моста ΔU
зависит от измеряемой силы. При изменении
направления силы изменяется фаза
выходного напряжения на 180°.
Рис
5 Дифференциальный емкостный датчик в
мостовой схеме
Для
повышения чувствительности емкостных
датчиков углового перемещения с
изменяющейся площадью взаимного
перекрытия пластин по рис. 2 применяют
систему, состоящую из нескольких
неподвижных и подвижных пластин. Такие
воздушные конденсаторы переменной
емкости применяются, например, для
настройки радиоприемников.
Если пластины
имеют форму половины круга (как на рис.
2), а ось вращения подвижных пластин
проходит через центры окружности всех
пластин, то емкость датчика изменяется
в зависимости от угла поворота:
где
п
—
общее количество неподвижных и подвижных
пластин; s
—
площадь взаимного перекрытия пластин
при α = 0 (подвижные пластины полностью
вдвинуты между неподвижными); d
— постоянное расстояние между подвижными
и неподвижными пластинами.
Диапазон
изменения угла поворота α от 0 до 180°.
Все подвижные пластины электрически
соединены между собой, а все неподвижные
также соединены между собой. Таким
образом, имеется параллельное соединение
конденсаторов, при котором общая емкость,
как известно, равна сумме емкостей
параллельно соединенных конденсаторов.
Чувствительность
такого датчика определяется как изменение
емкости при повороте на 1º,
т. е.
Датчики
угловых перемещений используют в
мостовых измерительных схемах. Для
повышения чувствительности возможно
применение дифференциального датчика,
показанного на рис. 6. При повороте по
часовой стрелке подвижной пластины 1
увеличивается емкость между этой
пластиной и неподвижной пластиной 2
и
уменьшается емкость между пластиной 1
и
неподвижной пластиной 3.
Рис.
6. Дифференциальный емкостный датчик
повышенной чувствительности
Дифференциальная
схема, как уже отмечалось, обеспечивает
компенсацию противодействующего
момента, поскольку суммарная емкость
датчика остается неизменной.
На
рис. 7 показан емкостный датчик с
цилиндрическими обкладками, применяемый
для измерения уровня токонепроводящей
жидкости или сыпучих тел. Одной обкладкой
может служить металлический бак или
резервуар с внутренним радиусом r1,
вторая обкладка выполнена в виде
металлического стержня или цилиндра с
наружным радиусом r2.
Если резервуар заполнен до уровня х
жидкостью
с диэлектрической проницаемостью
где
Сх—
емкость нижней части резервуара,
заполненной жидкостью;
— емкость верхней части резервуара,
заполненной воздухом. Чувствительность
такого датчика тем больше, чем больше
диэлектрическая проницаемость
Рис.7.
Емкостный датчик уровня с цилиндрическими
обкладками
Общая формула для
емкости конденсатора с цилиндрическими
обкладками
Для емкости нижней
части датчика
Для емкости верхней
части датчика
Подставляя (11) и
(12) в (9), получим
где
L—
высота обкладок датчика, т. е. максимальный
уровень заполнения резервуара.
Чувствительность
датчика определяем, дифференцируя (13)
по уровню
Из уравнения (14)
видно, что чувствительность датчика
постоянна во всем диапазоне измерений.
При измерении уровня химически агрессивных
жидкостей наружная и внутренняя обкладки
покрываются защитным покрытием. Измерение
уровня с помощью емкостных датчиков
используется в космической и авиационной
технике, химии, нефтехимии, других
отраслях промышленности.
Емкостные датчики
нашли применение также для автоматического
измерения толщины различных материалов
и покрытий в процессе их изготовления.
Рассмотрим
емкостный датчик (рис. 8) для измерения
толщины материала из диэлектрика
(например, изоляционной ленты). Между
неподвижными обкладками конденсатора
1
протягивается
с помощью роликов 2
контролируемый
материал 3.
Емкость датчика,
представляющего собой плоский
двухобкладочный конденсатор с двухслойным
диэлектриком,
где
s
— площадь обкладок; d—
расстояние между обкладками; Δ
— толщина контролируемого материала;
Чем
меньше разница между dи
Δ,
чем больше диэлектрическая проницаемость
материала
Рис.
8. Емкостный датчик толщины ленты
Включение
емкостного датчика в мостовую схему
(см. рис. 5), питаемую от источника
повышенной частоты, позволяет зафиксировать
изменения емкости на 0,1 %. Более высокую
чувствительность позволяет получить
так называемая резонансная схема. В
этом случае емкостный датчик включается
в колебательный контур совместно с
индуктивным сопротивлением. Резонансная
схема показана на рис. 9, а.
Высокочастотный
генератор 1
имеет частоту напряжения fг
и питает индуктивно связанный с ним
контур, состоящий из индуктивности Lк,
подстроечного конденсатора С0
и емкостного датчика Сд.
Напряжение UK,
снимаемое
с контура, усиливается усилителем 2
и
измеряется прибором 3,
шкала
которого может быть проградуирована в
единицах измеряемой величины. При помощи
подстроенного конденсатора С0
контур настраивается на частоту f0,
близкую
(но не равную) к частоте генератора.
Рис.
9. Резонансная измерительная схема
включения емкостного датчика
Настройка
производится при средней емкости датчика
в диапазоне возможных изменений
измеряемой величины
В
результате настройки напряжение UK,
снимаемое
с контура, должно быть примерно вдвое
меньше (точка Б
на
рис. 9, б),
чем
напряжение при резонансе Up(точка
О
на
рис. 9, б).
Таким
образом, рабочая точка Б
будет
находиться примерно посередине одного
из склонов резонансной характеристики.
Этим обеспечиваются высокая чувствительность
измерения (до 0,001 %) и примерно линейная
шкала измерительного прибора 3.
Малейшее
перемещение подвижной пластины датчика
Сд
приводит к резкому изменению напряжения
контура. Уменьшение емкости
приводит к резкому увеличению напряжения,
увеличение емкости
Резонансная
частота контура определяется из условия
резонанса (равенства емкостного и
индуктивного сопротивлений)
Резонансная кривая
идет тем круче, чем меньше активная
составляющая сопротивления контура.
Соседние файлы в папке ТСАиУ
Емкостной датчик
Емкостным
датчиком
называют преобразователь параметрического
типа, в котором изменение измеряемой
величины преобразуется в изменение
емкостного сопротивления.
http://electricalschool.info/spravochnik/apparaty/440-emkostnye-datchiki.html
Области
применения емкостных датчиков
Возможные
области применения емкостных датчиков
чрезвычайно разнообразны. Они используются
в системах регулирования и управления
производственными процессами почти во
всех отраслях промышленности. Емкостные
датчики применяются для контроля
заполнения резервуаров жидким,
порошкообразным или зернистым веществом,
как конечные выключатели на
автоматизированных линиях, конвейерах,
роботах, обрабатывающих центрах, станках,
в системах сигнализации, для позиционирования
различных механизмов и т. д.
В
настоящее время наиболее широкое
распространение получили датчики
приближения (присутствия), которые
помимо своей надежности, имеют широкий
ряд преимуществ. Имея сравнительно
низкую стоимость, датчики приближения
охватывают огромный спектр направленности
по своему применению во всех отраслях
промышленности. Типичными областями
использования емкостных датчиков этого
типа являются:
Емкостные
датчики линейных и угловых перемещений
являются наиболее распространенными
приборами, широко используемыми в
машиностроении и на транспорте,
строительстве и энергетике, в различных
измерительных комплексах.
Сравнительно
новыми приборами, доведенными до широкого
промышленного применения в последние
годы, стали малогабаритные
емкостные инклинометры с электрическим
выходным сигналом, пропорциональным
углу наклона датчика..
В качестве основных можно считать
следующие области применения инклинометров:
использование в системах горизонтирования
платформ, определение величины прогибов
и деформаций различного рода опор и
балок, контроль углов наклона автомобильных
и железных дорог при их строительстве,
ремонте и эксплуатации, определение
крена автомобилей, кораблей и подводных
роботов, подъемников и кранов, экскаваторов,
сельскохозяйственных машин, определение
углового перемещения различного рода
вращающихся объектов – валов, колес,
механизмов редукторов как на стационарных,
так и подвижных объектах.
Емкостные
датчики уровня
находят применение в системах контроля,
регулирования и управления производственными
процессами в пищевой, фармацевтической,
химической, нефтеперерабатывающей
промышленности. Они эффективны при
работе с жидкостями, сыпучими материалами,
пульпой, вязкими веществами (проводящими
и непроводящими), а также в условиях
образования конденсата, запыленности.
Емкостные
датчики также находят применение в
различных отраслях промышленности для
измерения абсолютного и избыточного
давления, толщины диэлектрических
материалов, влажности воздуха, деформации,
угловых и линейных ускорений и др.
Преимущества
емкостных датчиков по сравнению с
датчиками других типов
Емкостные
датчики обладают целым рядом преимуществ
по сравнению с датчиками других типов.
К их достоинствам относятся:
К
недостаткам емкостных датчиков следует
отнести:
Однако
в большинстве случаев можно добиться
достаточной экранировки за счет
конструкции датчика, а практика
показывает, что емкостные датчики дают
хорошие результаты на широко
распространенной частоте 400 Гц. Присущий
конденсаторам
краевой эффект становится значительным,
лишь когда расстояние между обкладками
сравнимо с линейными размерами
рассматриваемых поверхностей. Этот
эффект можно в некоторой степени
устранить, использую защитное кольцо,
позволяющее вынести его влияние за
границы поверхности обкладок, реально
используемой при измерении.
Емкостные
датчики замечательны своей простотой,
что позволяет создавать прочные и
надежные конструкции. Параметры
конденсатора зависят только от
геометрических характеристик и не
зависят от свойств используемых
материалов, если эти материалы правильно
подобраны. Следовательно, можно сделать
пренебрежимым влияние температуры на
изменения площади поверхности и
расстояния между обкладками, правильно
подбирая марку металла для обкладок и
изоляцию для их крепления. Остается
лишь защищать датчик от тех факторов
окружающей среды, которые могут ухудшить
изоляцию между обкладками, – от пыли,
коррозии, влажности, ионизирующей
радиации.
Ценные
качества емкостных датчиков – малая
величина механического усилия,
необходимого для перемещения его
подвижной части, возможность регулировки
выхода следящей системы и высокая
точность работы – делают емкостные
датчики незаменимыми в приборах, в
которых допускаются погрешности лишь
в сотые и даже тысячные доли процента.
Типы
емкостных преобразователей и их
конструктивные особенности
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:
В
первом случае емкостные преобразователи
можно применять для анализа состава
вещества, поскольку диэлектрическая
проницаемость является функцией свойств
вещества. При этом естественной входной
величиной преобразователя будет состав
вещества, заполняющего пространство
между пластинами. Особенно широко
емкостные преобразователи этого типа
применяются при измерении влажности
твердых и жидких тел, уровня жидкости,
а так же определения геометрических
размеров небольших объектов. В большинстве
случаев практического использования
емкостных преобразователей их естественной
входной величиной является геометрическое
перемещение электродов относительно
друг друга. На основе этого принципа
построены датчики линейных и угловых
перемещений, приборы измерений усилий,
вибраций, скорости и ускорения, датчики
приближения, давления и деформации
(экстензометры).
По
способу исполнения все
емкостные измерительные преобразователи
можно разделить на одноемкостные и
двухъемкостные датчики. Последние
бывают дифференциальными и
полудифференциальными.
Одноемкостный
датчик
прост по конструкции и представляет
собой один конденсатор с переменной
емкостью. К его минусам относится
значительное влияние внешних факторов,
таких как влажность и температура. Для
компенсации указанных погрешностей
применяют дифференциальные
конструкции.
Недостатком таких датчиков по сравнению
с одноемкостными является необходимость
как минимум трех (вместо двух) экранированных
соединительных проводов между датчиком
и измерительным устройством для
подавления так называемых паразитных
емкостей. Однако этот недостаток
окупается существенным повышением
точности, стабильности и расширением
области применения таких устройств.
В
некоторых случаях дифференциальный
емкостный датчик
создать затруднительно по конструкторским
соображениям (особенно это относится
к дифференциальным датчикам с переменным
зазором). Однако если и при этом образцовый
конденсатор разместить в одном корпусе
с рабочим, выполнить их по возможности
идентичными по конструкции, размерам,
применяемым материалам, то будет
обеспечена значительно меньшая
чувствительность всего устройства к
внешним дестабилизирующим воздействиям.
В таких случаях можно говорить о
полудифференциальном емкостном датчике,
который, как и дифференциальный, относится
к двухъемкостным.
Специфика
выходного параметра двухъемкостных
датчиков, который представляется как
безразмерное соотношение двух размерных
физических величин (в нашем случае –
емкостей), дает основание именовать их
датчиками отношения. При использовании
двухъемкостных датчиков измерительное
устройство может вообще не содержать
образцовых мер емкости, что способствует
повышению точности измерения.
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:
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).
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 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.
Инклинометр
(датчик крена) представляет собой
дифференциальный емкостной преобразователь
наклона, включающий в себя чувствительный
элемент в форме капсулы.
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.
Емкостные
датчики уровня жидкости
Емкостной
преобразователь для измерения уровня
непроводящей жидкости представляет
собой два параллельно соединенных
конденсатора
Одной
из основных конструкций емкостного
преобразователя давления является
одностаторная, которая применяется для
измерения абсолютного давления.
Такой
датчик состоит из металлической ячейки,
разделенной на две части туго натянутой
плоской металлической диафрагмой, с
одной стороны которой расположен
неподвижный изолированный от корпуса
электрод. 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
одну из двух камер подается опорное
давление, что обеспечивает прямое
измерение дифференциального (избыточного
или разностного) давления с наименьшей
погрешностью.
Например, емкостной датчик линейного
перемещения (см. рис.8.1) используется в
гироскопах на основе MEMS
(последние применяются в системах
стабилизации). Емкостной датчик
установленный по схеме, показанной на
рис. 8.8, может быть использован в
киноаппаратуре для нахождения склеек.
(в радиотехнике
— катушка
индуктивности,
обладающая высоким сопротивлением
переменному току и малым сопротивлением
постоянному)
Индуктивный
датчик
– это преобразователь параметрического
типа, принцип действия которого основан
на изменении индуктивности
L или взаимоиндуктивности обмотки с
сердечником, вследствие изменения
магнитного сопротивления RМ магнитной
цепи датчика, в которую входит сердечник.
http://electricalschool.info/spravochnik/apparaty/446-induktivnye-datchiki.html
Широкое
применение индуктивные датчики находят
в промышленности для измерения перемещений
и покрывают диапазон от 1 мкм до 20 мм.
Также можно использовать индуктивный
датчик для измерения давлений, сил,
уровней расхода газа и жидкости и т. д.
В этом случае измеряемый параметр с
помощью различных чувствительных
элементов преобразуется в изменение
перемещения и затем эта величина
подводится к индуктивному измерительному
преобразователю.
В
случае измерения давлений, чувствительные
элементы могут выполняться в виде
упругих мембран, сильфонов, и т. д.
Используются они и в качестве датчиков
приближения, которые служат для
обнаружения различных металлических
и неметаллических объектов бесконтактным
способом по принципу “да” или “нет”.
Типы
индуктивных преобразователей и их
конструктивные особенности
По
схеме построения индуктивные датчики
можно разделить на одинарные и
дифференциальные. Одинарный индуктивный
датчик содержит одну измерительную
ветвь, дифференциальный – две.
В
дифференциальном индуктивном датчике
при изменении измеряемого параметра
одновременно изменяются индуктивности
двух одинаковых катушек, причем изменение
происходит на одну и ту же величину, но
с обратным знаком.
Как
известно, индуктивность катушки:
где
W– число витков; Ф – пронизывающий ее
магнитный поток; I
– проходящий по катушке ток.
Ток
связан с МДС соотношением:
где
Rm
= HL
/ Ф – магнитное сопротивление индуктивного
датчика.
Рассмотрим,
например, одинарный индуктивный датчик.
В основу его работы положено свойство
дросселя с воздушным зазором изменять
свою индуктивность при изменении
величины воздушного зазора.
Индуктивный
датчик состоит из ярма 1, обмотки 2, якоря
3- удерживается пружинами. На обмотку 2
через сопротивление нагрузки Rн подается
напряжение питания переменного тока.
Ток в цепи нагрузки определяется как:
где
rд – активное сопротивление дросселя ;
L – индуктивность датчика.
Т.к.
активное сопротивление цепи величина
постоянная, то изменение тока I может
происходить только за счет изменения
индуктивной составляющей XL=IRн , которая
зависит от величены воздушного зазора
δ.
Каждому
значению δ соответствует определенное
значение I, создающего падение напряжения
на сопротивлении Rн: Uвых=IRн – представляет
собой выходной сигнал датчика. Можно
вывести аналитическую зависимость
Uвых=f(δ), при условии что зазор достаточно
мал и потоками рассеяния можно пренебречь,
и пренебречь магнитным сопротивлением
железа Rмж по сравнению с магнитным
сопротвлением воздушного зазора Rмв.
В
реальных устройствах активное
сопротивление цепи намного меньше
индуктивного, тогда выражение сводится
к виду:
Зависимость
Uвых=f(δ) имеет линейный характер (в первом
приближении). Реальная характеристика
имеет вид:
Отклонение
от линейности в начале объясняется
принятым допущением Rмж<< Rмв.
При
малых d магнитное сопротивление железа
соизмеримо с магнитным сопротивлением
воздуха.
Отклонение
при больших d объясняются тем, что при
больших d RL становится соизмеримой с
величиной активного сопротивления –
Rн+rд.
В целом
рассмотренный индуктивный датчик имеет
ряд существенных недостатков:
Дифференциальные
(реверсивные) индуктивные датчики (ДИД)
Дифференциальные
индуктивные датчики представляет собой
совокупность двух нереверсивных датчиков
и выполняются в виде системы, состоящей
из двух магнитопроводов с общим якорем
и двумя катушками. Для дифференциальных
индуктивных датчиков необходимы два
раздельных источника питания, для чего
обычно используется разделительный
трансформатор 5.
По
форме магнитопровода могут быть
дифференциально-индуктивные датчики
с магнитопроводом Ш-образной формы,
набранные из мостов электротехнической
стали (при частотах выше 1000Гц применяются
железоникелевые сплавы – пермолой), и
цилиндрические со сплошным магнитопроводом
круглого сечения. Выбор формы датчика
зависит от конструктивного сочетания
его с контролируемым устройством.
Применение Ш-образного магнитопровода
обусловлено удобством сборки катушки
и уменьшением габаритов датчика.
Для
питания дифференциально-индуктивного
датчика используют трансформатор 5 с
выводом средней точки на вторичной
обмотке. Между ним и общим концом обеих
катушек включается прибор 4. Воздушный
зазор 0,2-0,5 мм.
При
среднем положении якоря, когда воздушные
зазоры одинаковы, индуктивные сопротивления
катушек 3 и 3′ одинаковы следовательно
величины токов в катушках равны I1=I2 и
результирующий ток в приборе равен 0.
При
небольшом отклонении якоря в ту или
иную сторону под действием контролируемой
величены Х меняются величины зазоров
и индуктивностей, прибор регистрирует
разностный ток I1-I2, он является функцией
смещения якоря от среднего положения.
Разность токов обычно регистрируется
с помощью магнитоэлектрического прибора
4 (микроамперметра) с выпрямительной
схемой В на входе.
Характеристика
индуктивного датчика имеет вид:
Полярность
выходного тока остается неизменной
независимо от знака изменения полного
сопротивления катушек. При изменении
направления отклонения якоря от среднего
положения меняется на противоположную
(на 180°) фаза тока на выходе датчика. При
использовании фазочувствительных
выпрямительных схем можно получить
индикацию направления перемещения
якоря от среднего положения. Характеристика
дифференциального индуктивного датчика
с ФЧВ имеет вид:
Погрешность
преобразования индуктивного датчика
Информативная
способность индуктивного датчика в
значительной мере определяется его
погрешностью преобразования измеряемого
параметра. Суммарная погрешность
индуктивного датчика складывается из
большого числа составляющих погрешностей.
Можно
выделить следующие погрешности
индуктивного датчика:
1)
Погрешность
от нелинейности характеристики.
Мультипликативная составляющая общей
погрешности. Из-за принципа индуктивного
преобразования измеряемой величины,
лежащего в основе работы индуктивных
датчиков, является существенной и в
большинстве случаев определяет диапазон
измерения датчика. Обязательно подлежит
оценке при разработке датчика.
2)
Температурная
погрешность.
Случайная составляющая. Ввиду большого
числа зависимых от температуры параметров
составных частей датчика составляющая
погрешность может достичь больших
величин и является существенной. Подлежит
оценке при разработке датчика.
3)
Погрешность
от влияния внешних электромагнитных
полей.
Случайная составляющая общей погрешности.
Возникает из-за индуцирования ЭДС в
обмотке датчика внешними полями и из-за
изменения магнитных характеристик
магнитопровода под действием внешних
полей. В производственных помещениях
с силовыми электроустановками
обнаруживаются магнитные поля с индукцией
Тл и частотой в основном 50 Гц.
Поскольку
магнитопроводы индуктивных датчиков
работают при индукциях 0,1 – 1 Тл, то доля
от внешних полей составит 0,05–0,005% даже
в случае отсутствия экранирования.
Введение экрана и применение
дифференциального датчика снижают эту
долю примерно на два порядка. Таким
образом, погрешность от влияния внешних
полей должна приниматься в рассмотрение
только при проектировании датчиков
малой чувствительности и с невозможностью
достаточной экранировки. В большинстве
случаев эта составляющая погрешности
не является существенной.
4)
Погрешность
от магнитоупругого эффекта.
Возникает из-за нестабильности деформаций
магнитопровода при сборке датчика
(аддитивная составляющая) и из-за
изменения деформаций в процессе
эксплуатации датчика (случайная
составляющая). Расчеты с учетом наличия
зазоров в магнитопроводе показывают,
что влияние нестабильности механических
напряжений в магнитопроводе вызывает
нестабильность выходного сигнала
датчика порядка, и в большинстве случаев
эта составляющая может специально не
учитываться.
5)
Погрешность
от тензометрического эффекта обмотки.
Случайная составляющая. При намотке
катушки датчика в проводе создаются
механические напряжения. Изменение
этих механических напряжений в процессе
эксплуатации датчика ведет к изменению
сопротивления катушки постоянному току
и, следовательно, к изменению выходного
сигнала датчика. Обычно для правильно
спроектированных датчиков , т. е. эту
составляющую не следует специально
учитывать.
6)
Погрешность
от соединительного кабеля. Возникает
из-за нестабильности электрического
сопротивления кабеля под действием
температуры или деформаций и из-за
наводок ЭДС в кабеле под действием
внешних полей. Является случайной
составляющей погрешности. При
нестабильности собственного сопротивления
кабеля погрешность выходного сигнала
датчика. Длина соединительных кабелей
составляет 1–3 м и редко больше. При
выполнении кабеля из медного провода
сечением сопротивление кабеля менее
0,9 Ом, нестабильность сопротивления .
Поскольку полное сопротивление датчика
обычно больше 100 Ом, погрешность выходного
сигнала датчика может составить величину
. Следовательно, для датчиков, имеющих
малое сопротивление в рабочем режиме,
погрешность следует оценивать. В
остальных случаях она не является
существенной.
7)
Конструктивные
погрешности.
Возникают под действием следующих
причин: влияние измерительного усилия
на деформации деталей датчика (аддитивная),
влияние перепада измерительного усилия
на нестабильность деформаций
(мультипликативная), влияние направляющих
измерительного стержня на передачу
измерительного импульса (мультипликативная),
нестабильность передачи измерительного
импульса вследствие зазоров и люфтов
подвижных частей (случайная). Конструктивные
погрешности в первую очередь определяются
недостатками в конструкции механических
элементов датчика и не являются
специфическими для индуктивных датчиков.
Оценка этих погрешностей производится
по известным способам оценки погрешностей
кинематических передач измерительных
устройств.
8)
Технологические
погрешности. Возникают
вследствие технологических отклонений
взаимного положения деталей датчика
(аддитивная), разброса параметров деталей
и обмоток при изготовлении (аддитивная),
влияния технологических зазоров и
натягов в соединении деталей и в
направляющих (случайная).
Технологические
погрешности изготовления механических
элементов конструкции датчика также
не являются специфическими для
индуктивного датчика, их оценка
производится обычными для механических
измерительных устройств способами.
Погрешности изготовления магнитопровода
и катушек датчика ведут к разбросу
параметров датчиков и к затруднениям,
возникающим при обеспечении
взаимозаменяемости последних.
9)
Погрешность
от старения датчика. Эта
составляющая погрешности вызывается,
во-первых, износом подвижных элементов
конструкции датчика и, во-вторых,
изменением во времени электромагнитных
характеристик магнитопровода датчика.
Погрешность следует рассматривать как
случайную. При оценке погрешности от
износа во внимание принимается
кинематический расчет механизма датчика
в каждом конкретном случае. На стадии
конструирования датчика в этом случае
целесообразно задавать срок службы
датчика в нормальных для него условиях
эксплуатации, за время которого
дополнительная погрешность от износа
не превысит заданной величины.
Электромагнитные
свойства материалов изменяются во
времени.
В
большинстве случаев выраженные процессы
изменения электромагнитных характеристик
заканчиваются в течение первых 200 часов
после термообработки и размагничивания
магнитопровода. В дальнейшем они остаются
практически постоянными и не играют
существенной роли в общей погрешности
индуктивного датчика.
Проведенное
выше рассмотрение составляющих
погрешности индуктивного датчика дает
возможность оценить их роль в формировании
общей погрешности датчика. В большинстве
случаев определяющими являются
погрешность от нелинейности характеристики
и температурная погрешность индуктивного
преобразователя.
Индуктивный датчик может применяться
для контроля небольших перемещений
обычно не более 5-15мм. Он может, например,
применен в датчике натяжения, показанного
на схеме.
Рис. Схема датчика
натяжения с качающимся роликом,
закрепленным на плоской пружине: 1 –
плоская пружина; 2 – ролик
Индуктивный датчик
может быть также применен в устройстве
автоматической регулировки ОПС
кинопроектора (контроль за перемещением
крепления лампы, объектива).
Емкостные чувствительные элементы
Емкостные ЧЭ
основаны на зависимости электрической
емкости конденсатора от размеров,
взаимного расположения его пластин и
от диэлектрической проницаемости среды
между ними. Емкость плоского конденсатора
определяется по формуле:
где E0
– диэлектрическая постоянная для
конденсатора, пластины которого находятся
в вакууме (практически в воздухе, S
– площадь пластин, δ – расстояние между
пластинами). На рисунке 2.37 изображены
различные типы емкостных ЧЭ.
Рис
2.37. Емкостные ЧЭ
Емкостный ЧЭ на
рисунке 2.37 (а) представляет собой плоский
конденсатор с параллельными пластинами,
одна из которых перемещается от внешнего
воздействия Х. Такой ЧЭ используется
для изготовления датчиков перемещения,
давления, силы и т.д. Функция преобразования
C = f(δ)
нелинейна, гиперболическая.
Емкостный ЧЭ на
рисунке 2.37 (б) представляет собой
цилиндрический конденсатор, состоящий
из двух коаксиальных цилиндров, а для
вычисления емкости используется формула:
где
H – длина зоны перекрытия
двух цилиндров, d1,
d2 – диаметры
цилиндров. Функция преобразования C
= f(H) линейна.
Емкостный ЧЭ на
рисунке 2.37 (в) измеряет уровень h
жидкости с относительной диэлектрической
проницаемостью Е. Он изготовлен на
основе коаксиального конденсатора, в
котором поверхность каждого цилиндра
1 и 2 покрыта тонким слоем изоляционного
материала для предотвращения короткого
замыкания. ЧЭ размещается в резервуаре
3 с жидкостью. При увеличении уровня
жидкость заполняет все больший объем
между коаксиальными проводниками,
изменяя при этом емкость, которая
определяется по формуле:
где h
– высота части ЧЭ, заполненной жидкостью.
На рисунке 2.37 (г)
показан емкостный ЧЭ влажности, в котором
диэлектрический слой между пластинами
выполняется из гигроскопичного материала.
Такой диэлектрик поглощает молекулы
воды и в соответствии с их количеством
меняет диэлектрическую проницаемость
Е, что приводит к изменению емкости. По
величине емкости определяют относительную
влажность.
Таким образом,
если какой-либо параметр конденсатора
изменяется при определенном внешнем
воздействии, то на его основе можно
построить соответствующий емкостный
ЧЭ.