|
|
|
ЕМКОСТНЫЕ ДАТЧИКИАмплитуду выходного сигнала можно найти из выражения: На практике при измерении перемещения электропроводного объекта, его поверхность часто играет роль пластины конденсатора. На рис.7.6А отображена принципиальная схема однополярного емкостного датчика, в котором одна из пластин конденсатора соединена с центральным проводником коаксиального кабеля, а другой пластиной является сам объект. Отметим, что собственная пластина датчика окружается заземленным экраном, что позволяет улучшать линейность и уменьшать краевые эффекты. Типовой емкостной датчик работает на частотах 3-МГц диапазона и может детектировать перемещения быстро двигающихся объектов. Частотные характеристики такого датчика со встроенным электронным интерфейсом лежат в диапазоне 40 кГц. емкостные датчики приближения очень эффективны при работе с электропроводными объектами, при этом они измеряют емкость между электродом и самим объектом. емкостные датчики также достаточно хорошо работают и с непроводящими объектами, но при этом их точность несколько ухудшается. Любой объект, попадающий в окрестность электрода, обладает своими собственными диэлектрическими свойствами, которые изменяют емкость между электродом и корпусом датчика, что, в свою очередь, приводит к появлению выходного сигнала, пропорционального расстоянию между объектом и детектором. Для повышения чувствительности и снижения краевых эффектов в однопо-лярном емкостном датчике применяют активное экранирование. При этом экран размещается вокруг нерабочих сторон электрода и на него подается напряжение, равное напряжению на электроде. Поскольку напряжения на экране и электроде имеют одинаковые амплитуды и фазы, между ними нет электрического поля, и все компоненты, расположенные за экраном не оказывают никакого влияния на работу датчика. Этод метод экранирования проиллюстрирован на рис. 7.7.
Рис.7.6. Емкостной датчик с экранирующим кольцом: А — поперечное
сечение, Б — внешний вид. (Напечатано с разрешения ADE Technologies, Inc.,
Newton, MA)
Рис. 7.7. Емкостной датчик, измеряющий расстояние до
объекта, с активным экраном вокруг электрода
В последние годы очень популярными стали мостовые емкостные
датчики перемещений [2]. На рис. 7.8А отображен линейный мостовой емкостной
датчик перемещений [3], состоящий из двух групп плоских электродов,
расположенных параллельно на фиксированном расстоянии d. Для увеличения емкости
расстояние между электродами делается достаточно маленьким. Стационарная группа
электродов состоит из четырех прямоугольных элементов, а подвижная группа -из
двух. Все шесть элементов имеют одинаковые размеры.
Для увеличения диапазона линейности желательно делать размер каждого элемента, как можно, крупным (здесь, как правило, начинают сказываться ограничения по механической прочности). Четыре электрода стационарной подгруппы перекрестно соединены друг с другом электрическими проводами, что делается для формирования емкостной схемы мостового типа. На мостовую схему подается синусоидальное напряжение с частотой 5...50 кГц. Дифференциальный усилитель усиливает разность напряжений между парой электродов в подвижной группе. Выходной сигнал усилителя поступает на вход синхронного детектора. Емкость конденсатора. Емкостной датчик мостового типа с па-двумя параллельными пластинами, раллельными пластинами: А — устройство групп расположенными, Б — эквивалентная схема ном расстоянии друг от друга, пропорциональна площади части подвижной пластины, расположенной напротив соответствующей области стационарной пластины. На рис.7.8Б отображена эквивалентная схема датчика перемещений с конфигурацией емкостного моста. Емкостные датчики перемещений имеют широкую сферу применения. Они могут использоваться как самостоятельно для определения положения и перемещения объектов, так и входить в состав других сенсоров, в которых перемещения отдельных элементов вызываются воздействием на них различных сил, давления, температуры и т.д. Поскольку емкостные датчики могут измерять перемещения объектов, изготовленных практически из любых материалов, они применяются повсеместно. Из уравнения (3.20), приведенного в главе 3, рекомендуется, что емкость плоского конденсатора обратно пропорциональна расстоянию между пластинами. Принцип действия емкостных сенсоров основывается либо на изменении геометрии конденсатора (т.е. на изменении расстояния между пластинами), либо на изменении емкости за счет размещения между пластинами различных материалов: электропроводных или диэлектрических. Изменения емкости, как правило, преобразуются в переменный электрический сигнал. емкостные датчики могут быть однополярными (в их состав входит только один конденсатор), дифференциальными (в их состав входят два конденсатора) или мостовыми (здесь уже используются четыре конденсатора). В случае дифференциальных или мостовых сенсоров, один или два конденсатора являются либо постоянными, либо переменными, включенными навстречу друг другу. В примере, отображенном на рис. 7.5, рассматриваются три пластины одинаковой площади А. Эти пластины формируют два конденсатора С{ и Сг На две крайние пластины подаются синусоидальные сигналы одинаковой амплитуды, но с разностью фаз, равной 180°. Поскольку оба конденсатора являются одинаковыми, токи через них взаимно уничтожают друг друга, и потенциал центральной пластины практически равен нулю. Теперь рассмотрим ситуацию, когда центральная пластина сместилась вниз на расстояние х (рис. 7.5Б). Это приведет к изменению емкостей конденсаторов С, и С2: 
При этом амплитуда сигнала на центральной пластине будет
пропорциональна величине перемещения х, а фаза — направлению движения. Величина конденсатора С, определяется выражением:
Остальные значения емкостей вычисляются по аналогичным
уравнениям. Отметим, что емкости конденсаторов, расположенных напротив друг
друга, приблизительно равны между собой: С, = С3, а С2 = С4. Нарушение
симметричности расположения пластин приводит к разбалансу моста и появлению
сигнала на выходе дифференциального усилителя. Емкостная мостовая схема
обладает всеми достоинствами, присущими любой мостовой схеме: линейностью и
высокой помехозащищенностью. Подобные датчики могут быть реализованы не только
с плоскими электродами. Такой метод построения сенсоров применим к любым
симметричным конфигурациям (к примеру, для построения детекторов вращательного
движения).
.
Информация исключительно в ознакомительных целях. При использовании материалов этого сайта ссылка обязательна.Правообладатели статей являются их правообладателями. |
По вопросам размещения статей пишите на email:
|
