19117

Емкостные преобразователи

Практическая работа

Физика

Лекция №13. Емкостные преобразователи Емкостный преобразователь представляет собой конденсатор электрические параметры которого изменяются под действием входной величины. Конденсатор состоит из двух электродов к которым подсоединены выводные концы. Пространство...

Русский

2013-07-11

203 KB

41 чел.

Лекция №13.

Емкостные преобразователи

Емкостный преобразователь представляет собой конденсатор, электрические параметры которого изменяются под действием входной величины. Конденсатор состоит из двух электродов, к которым подсоединены выводные концы. Пространство между электродами может быть заполнено диэлектриком. При изменении взаимного положения электродов или при изменении диэлектрической проницаемости среды, заполняющей межэлектродное пространство, изменяется емкость конденсатора.

В качестве емкостного преобразователя часто используют плоский конденсатор. Его емкость определяется выражением:

,                                                                                               (13.1)

где  – расстояние между электродами; их площадь; диэлектрическая постоянная; относительная проницаемость диэлектрика.

Изменение любого из трех параметров () изменяет емкость конденсатора. У преобразователя с прямоугольными электродами площадью (рис. 13.1)  имеется некоторый диапазон перемещения пластин х, в котором емкость линейно зависит от х: .    Искажением линейной зависимости вследствие краевого эффекта пренебрежем.

В области линейной зависимости чувствительность такого преобразователя                                                                          

постоянна и увеличивается с уменьшением расстояния между электродами :

.                                                                           (13.2)

Обычно этот тип датчика реализуется в виде поворотного конденсатора для измерения угловых смещений, а не в виде варианта со сдвигом, приведенного на рисунке.

Если изменяется расстояние  между электродами, функция преобразования   – нелинейна и представляет собой гиперболическую характеристику. Чувствительность такого преобразователя:     

                                                            (13.3)

сильнее, чем в предыдущем случае, зависит от расстояния между пластинами . Для увеличения чувствительности целесообразно уменьшение , т.к. чувствительность возрастает как . Предельное значение определяется технологическими параметрами и приложенным напряжением. Следует учесть, что при большой напряженности поля  возможен электрический пробой воздушного промежутка.

Если перемещать диэлектрическую пластину в зазоре плоского конденсатора (см. рисунок а), то можно получить преобразователь с переменной диэлектрической проницаемостью.

                                  

Емкость такого преобразователя определяется как емкость двух параллельно включенных конденсаторов. Один из них  образован частью электродов и диэлектрической пластиной, другой оставшейся частью электродов с межэлектродным пространством, не заполненным пластинкой. Если пластинка с относительной диэлектрической проницаемостью  имеет толщину , равную расстоянию между электродами, то функция преобразования преобразователя описывается выражением:

               (13.4)

где площадь электродов; часть площади диэлектрической пластины, находящаяся между электродами; ;  .

Чувствительность такого датчика постоянна и равна:

.                                                               (13.5)

Датчик с диэлектриком может быть реализован в другой модификации. Например, в форме двух концентрических цилиндров, и использован для измерения уровня жидкости в резервуаре. Непроводящая жидкость играет роль диэлектрика.

Емкостные преобразователи могут выполняться по дифференциальной схеме. Схема дифференциального преобразователя углового перемещения  с переменной площадью электродов приведена на рисунке б). В таких преобразователях средний подвижный электрод обычно соединяется с экранной обмоткой кабеля.

Схемы включения. Для емкостных преобразователей применяют два принципиально различных вида измерительных схем – амплитудные и частотные. Первые обеспечивают преобразование емкости в амплитуду выходного переменного напряжения. Вторые представляют собой колебательный контур, входящий в состав измерительного генератора,  и преобразуют изменение емкости в изменение частоты выходного напряжения.

Обычно емкостные датчики питают переменным током высокой частоты , которая должна значительно превышать наибольшую частоту  изменения емкости под действием измеряемой величины.  Емкости большинства преобразователей составляют 10 –100 пФ, и поэтому даже при относительно высоких частотах питающего напряжения () их выходные сопротивления велики и равны . Выходные мощности емкостных преобразователей, напротив, невелики, и в измерительных цепях необходимо применение усилителей. Допустимые значения напряжения питания емкостных преобразователей достаточно велики, и напряжение питания, как правило, ограничивается не возможностями преобразователя, а условиями реализации измерительной цепи.

Оценим параметры простейшего преобразователя малых перемещений, схематическая конструкция которого и эквивалентная схема показаны на рисунке.

Здесь – напряжение питающего генератора; ;собственная емкость преобразователя; паразитные емкости монтажа и электрического кабеля; входная емкость усилителя; выходное сопротивление генератора (значениями сопротивления изоляции кабеля, сопротивления утечки между электродами и входного сопротивления усилителя пренебрежем).

Очевидно, отношение напряжения на электродах датчика  к питающему напряжению  определяет частотный коэффициент передачи, равный:

.                                                                (13.6)

С учетом формулы емкости плоского конденсатора (13.1) получим, что чувствительность датчика по напряжению будет зависеть от частоты следующим образом:

.                                            (13.7)

Определим частоту питания датчика, соответствующую максимуму чувствительности, из условия: .  Отсюда получаем: , или .

Для датчика с параметрами: воздушный зазор ,   площадь пластины , , получим частоту питания . При напряжении питания  ей будет соответствовать  чувствительность датчика, равная .

На практике достижение такой высокой чувствительности затруднено рядом причин: необходимостью обеспечения равномерности малого зазора в диапазоне единиц и десятков , возможным изменением межэлектродного зазора вследствие линейного расширения под действием температуры, наличием паразитных емкостей, тоже   зависящих от температуры, наконец, необходимостью защиты измерительных цепей от наводок. Для уменьшения погрешностей измерительные цепи, включая усилитель сигналов, располагают вблизи датчика.

Для включения недифференциального емкостного преобразователя может использоваться резонансная цепь. Генератор через разделительный трансформатор питает резонансный контур, емкость которого состоит из емкости преобразователя  и емкости подстроечного конденсатора . При изменении емкости напряжение на контуре изменяется по резонансной кривой.  Изменение емкости датчика на  изменяет напряжение на контуре на . Подстроечный конденсатор обеспечивает настройку контура так, чтобы чувствительность измерительной цепи  была максимальной. Чувствительность резонансной цепи довольно высока и увеличивается с увеличением добротности контура.

Дифференциальные емкостные датчики включают преимущественно в мостовые измерительные цепи, позволяющие уменьшить аддитивные составляющие температурных погрешностей и получить линейную характеристику в достаточно большом диапазоне перемещений при увеличении чувствительности вдвое.

Достоинства емкостных датчиков – простота конструкции, малые размеры и масса, высокая чувствительность, возможность измерения быстропеременных величин в широком интервале частот делают их незаменимым инструментом в научных исследованиях. Однако особенности их использования в сложных условиях измерений (высокие и низкие температуры, ионизирующие излучения) требуют высокой квалификации персонала.

4

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

83866. Хирургическая анатомия пищевода. Операции на пищеводе 66.98 KB
  Хирургическая анатомия пищевода Отделы: шейный грудной и брюшной. Синтопия: Спереди пищевода лежат перстневидный хрящ и трахея; сзади позвоночник и длинные мышцы шеи: по бокам нижние полюсы боковых долей щитовидной железы и общие сонные артерии. Правый возвратный нерв проходит позади трахеи по боковой поверхности пищевода.
83867. Строение брюшной стенки – классификация мышц живота, кровоснабжение, иннервация. Формирование влагалища прямой мышцы живота. Лапаротомия 53.51 KB
  Мышечные пучки идут в поперечном направлении. Линия перехода мышечной части поперечной мышцы живота в сухожильное растяжение называется полулунной линией (linea semilunaris) или спигелиевой линией. Самые нижние мышечные пучки внутренней косой мышцы живота и поперечной мышцы живота, сопровождая семенной канатик, образуют мышцу, поднимающую яичко...
83868. Грыжа: определение, составные части грыжи, классификация грыж. Принципы операций при грыжах передней брюшной стенки, основные этапы операции 45.85 KB
  Принципы операций при грыжах передней брюшной стенки основные этапы операции. Наружные грыжи: 1 паховая грыжа косая и прямая; 2 бедренная грыжа; 3 грыжа белой линии живота; 4 пупочная грыжа; 5 грыжа спигелиевой полулунной линии; 6 поясничная грыжа; 7 запирательная грыжа; 8 послеоперационная грыжа. Внутренние грыжи: 1 грыжа двенадцатиперстнотощего кармана; 2 грыжа сальниковой сумки; 3 ретроцекальная грыжа; 4 различные виды диафрагмальных грыж. По клиническим признакам: 1 вправимые; 2 невправимые; 3 ущемленные: ущемление...
83869. Строение пахового канала. Складки и ямки задней поверхности передней брюшной стенки. Треугольники паховой области. Косая и прямая паховая грыжа 98.4 KB
  Стенки: 1 верхняя нижние пучки внутренней косой мышцы живота и поперечной мышцы живота; 2 передняя апоневроз наружной косой мышцы живота; 3 нижняя паховая связка утолщенный и загнутый в виде желобка нижний край апоневроза наружной косой мышцы живота; 4 задняя поперечная фасция. Поверхностное паховое кольцо образовано расходящимися медиальными и латеральными ножками апоневроза наружной косой мышцы живота скрепленными межножковыми волокнами закругляющими щель между ножками в кольцо; Глубокое паховое кольцо образовано поперечной...
83870. Способы пластики пахового канала при прямых и косых паховых грыжах 50.78 KB
  Способы укрепления передней стенки пахового каналапри косых грыжах Способ Мартынова Впереди семенного канатика подшивается к паховой связке медиальный лоскут наружной косой мышцы живота а латеральный поверх медиального. Способ Жирара Впереди семенного канатика узловыми капроновыми швами подшивают свободные края внутренней косой и поперечной мышц живота к паховой связке. Затем к связке подшивают медиальный лоскут апоневроза наружной косой мышцы живота и латеральный лоскут укладывают поверх медиального и подшивают рядом узловых швов....
83871. Строение бедренного канала. Бедренная грыжа. Операции при бедренной грыже. «Corona mortis» - формирование, тактика при ранении аномального анастомоза 134.64 KB
  Отверстия бедренного канала: внутреннее отверстие соответствует бедренному кольцу. Стенки бедренного канала: передняя поверхностный листок собственной фасцнн бедра в этом месте он носит название верхнего рога серповидного края и паховая связка задняя глубокий листок собственной фасции бедра в этом месте он носит название гребенчатой фасции: латеральная бедренная вена. Операции при бедренной грыже Способы пластики бедренных грыж можно разделить на две группы: 1способы закрытия грыжевых ворот со стороны бедра; 2способы закрытия...
83872. Хирургическое лечение пупочной грыжи, грыжи белой линии, послеоперационной вентральной грыжи 49.13 KB
  Способ Лексера Применяется чаще у детей при небольших пупочных грыжах: полулунный разрез кожи окаймляющий грыжевое выпячивание снизу; выделение грыжевого мешка вскрытие и вправление содержимого если дно грыжевого мешка интимно спаяно с пупком то выделяют шейку грыжевого мешка вскрывают ее и грыжевое содержимое вправляют в брюшную полость; прошивание шейки мешка нитью перевязка и отсечение мешка: закрытие грыжевых ворот под контролем указательного пальца введенного в пупочное кольцо на апоневроз вокруг кольца накладывают...
83873. Ущемлённая грыжа. Классификация грыж по клиническим признакам, виды ущемления. Хирургическое лечение 48.76 KB
  Классификация по клиническим признакам: 1 вправимые; 2 невправимые; 3 ущемленные: ущемление стенки кишки грыжа Рихтера встречается при узких грыжевых воротах например при пупочной грыже; ретроградное ущемление Wобразное при ущемлении двух и более кишечных петель кровообращение нарушается не только в петлях находящихся в грыжевом мешке но и в петлях находящихся в брюшной полости имеющих с выпавшими петлями общую брыжейку; 4скользящие грыжи грыжевой мешок представлен частично стенкой полого органа не покрытой...
83874. Развитие брюшины и органов пищеварительной системы. Дивертикул Меккеля. Подпечёночное расположение купола слепой кишки и червеобразного отростка 51.45 KB
  Подпечёночное расположение купола слепой кишки и червеобразного отростка. Поджелудочная железа закладывается на уровне двенадцатиперстной кишки и врастает между двумя листками дорсальной брыжейки. На 5й неделе внутриутробного развития начинаются ускоренный рост кишки и ее удлинение. В кишечной петле можно выделить два колена: верхнее нисходящее колено из которого в дальнейшем формируется двенадцатиперстная кишка тощая и большая часть подвздошной кишки; и нижнее восходящее колено из которого развивается конечный отдел подвздошной и вся...