Емкостные преобразователи

В работе емкостных измерительных преобразователей использу­ется изменение емкости конденсатора при воздействии линейных или угловых перемещений на один из его электродов. Нарис. 6.3 при­ведены схемы наиболее часто используемых емкостных измеритель­ных преобразователей, в которых основным элементом являются плоские конденсаторы.

_ _ £₀eS d ’

і це є₀ — электрическая постоянная (е₀ = 8,85 • 1(Г¹² Ф/м²); г — отно­сительная (по вакууму) диэлектрическая проницаемость среды меж­ду электродами конденсатора; S — площадь каждого из электродов иди меньшего из них; d — расстояния между электродами конденса- юра.

Пели зазор между электродами конденсатора заполнен воздухом (с для воздуха близок к 1), то емкость конденсатора описывается вы­ражением

Как следует из схем, емкость конденсатора может изменяться как за счет изменения расстояния і/между электродами (рис. 6.3, а), так и за счет изменения площади S (рис. 6.3, в, д). Изменение расстояния между электродами приводит к изменению емкости по гиперболиче­скому закону. Установлено, что для получения линейной зависимо­сти между изменением емкости А С и перемещением X подвижного электрода рабочий ход последнего не должен быть более 0,1 от на­чального значения расстояния d между электродами. В то же время для емкостных преобразователей с изменяемой площадью электро­да (рис. 6.3, в, д) в соответствии с выражением (6.2) имеет место про­порциональная зависимость между емкостью и площадью S. При этом если площадь пропорциональна линейному перемещению х (S = к_хх), как это имеет место для схемы преобразователя (рис. 6.3, в), и угловых перемещений ф (S = куф), как это имеет место для схемы преобразователя (рис. 6.3, д), то для емкостей С_х и С_ф названных пре­образователей можно соответственно записать:

где к_х и к — коэффициенты пропорциональности; х и ф — линейное и угловое перемещения.

Минимальное расстояние между электродами емкостных преоб­разователей выбирают с учетом диэлектрической прочности воздуха (пробойное напряжение для воздуха составляет примерно 10 кВ/мм).

Для улучшения метрологических характеристик емкостных пре­образователей перемещения используют дифференциальные схемы, которые показаны на рис. 6.3, б, г, е. В этих преобразователях при пе­ремещении подвижного электрода емкость одного из конденсаторов увеличивается, а другого уменьшается. Так, при перемещении, рав­ном х, подвижного электрода вверх (см. рис. 6.3, б) емкость конденса­тора С] увеличивается, а конденсатора С₂ — уменьшается:

(6.3)

(6.4)

, _е„*? 1 ~ ,

d-x ’

_ £qS

Рис. 6.3. Схемы емкостных преобразователей линейных перемещений с изме­няемым расстоянием между электродами (а, б), линейных (в, г) и угловых (д, е) перемещений с изменяемой площадью электродов:

^е4---

]

/ — подвижный электрод; 2, 3 — неподвижные электроды; 4 — подвижный сектор (электрод); 5, 6— неподвижные секторы (электроды)

Из выражений (6.3) и (6.4) после преобразования находим

_ Q

Cj +С2

Для измерений емкости конденсаторов емкостных преобразова­телей применяют электрические измерительные устройства, имею­щие схемы делителя напряжения, моста (см. гл. 3) или колебательно­го контура, причем мостовые схемы используют преимущественно для дифференциальных емкостных преобразователей перемещений.

Емкость большинства преобразователей составляет 10—100 пФ, поэтому даже при частотах 10⁵—10⁷ Гц их выходное емкостное сопро­тивление х_с = 1/2я/С (/— частота колебаний) велико и составляет І О⁵—10⁷ Ом, а выходная мощность мала, что требует усиления выход­ного сигнала емкостных преобразователей и тщательного экраниро­вания соединительных проводов.

ъ

7-^с

Рис. 6.4. Схемы устройств для измерений емкостей конденсаторов емкостных

п реобразователе й:

1 — стабилизированный генератор электрических колебаний; 2 — электронный усилитель

ч а

ГЇ

На рис. 6.4, а показана схема измерения емкости преобразовате­ля, представляющая собой делитель напряжения. Здесь к генератору стабилизированной частоты и напряжения последовательно подклю­чен конденсатор емкостного преобразователя перемещения и боль­шое активное сопротивление R. Когда R »х_с = I/2nf С и изменение емкости АС под действием перемещения незначительно (АС