Конструирование и применение датчиков (стр. 2 из 3)

Из указанных эффектов рассмотрим прямой и обратный пьезоэффекты, а также эффект изменения емкостной проводимости при изменении напряжения U. Преобразователи, в которых используются прямой или обратный пьезоэффекты, называются пьезоэлектрическими преобразователями.

Использование эффекта изменения емкостной проводимости в кристаллических полупроводниках обусловлено нелинейной зависимостью заряда q от приложенного напряжения U. Если зависимость q(U) линейна, то в выражении Dq=(¶q/¶U) величина C=¶q/¶Uпостоянна и представляет собой емкость. В случае нелинейной зависимости q(U) величина C=¶q/¶Uтакже является емкостью, но не постоянной, а зависящей от напряжения U, т. е. C(U). Преобразователи, основанные на использовании нелинейной зависимости емкости от напряжения в сегнетоэлектриках, называются варикондами.

Емкостные датчики можно разделить на две основные группы - датчики параметрические (недифференциальные) и датчики дифференциальные.

В схемах с параметрическими датчиками происходит преобразование входной неэлектрической величины (угла поворота оси ротора датчика) в электрическую выходную величину (частоту, ток, напряжение), функционально зависящую от входной величины.

Всхемах с дифференциальными датчиками, включенными в следящие системы, с датчика снимается лишь сигнал рассогласования, который становится равным нулю в установившемся состоянии следящей системы.

Примером параметрического емкостного датчика может служить переменная емкость, включенная в контур лампового генератора (рис. 5) .Здесь при изменении угла поворота оси ротора изменяется емкость датчика и меняется частота генератора, являющаяся выходной величиной.

Рис. 5 Емкостной датчик, включенный в контур с генератором

Рис 6. Емкостной датчик, включенный в цепь переменного тока

На рис. 6 приведен другой пример использования параметрического датчика. В этом случае с изменением значения емкости С меняется ток через нее, а следовательно, и напряжение на выходе системы, падающее на сопротивлении нагрузки Rн, которое и является выходной величиной.

Подобные системы являются разомкнутыми системами регулирования. Основным недостатком этих схем является зависимость значения выходной величины от параметров источника питания датчика, усилителя и других элементов схемы, а также от внешних условий. В самом Деле, стоит измениться напряжению или частоте генератора, питающего датчик (рис. 6), как напряжение, частота и фаза, являющиеся выходными величинами и снимаемые с сопротивления R

, также изменятся.

От этих недостатков свободны схемы с дифференциальными емкостными датчиками, включенными в замкнутую систему автоматического регулирования. В этих схемах выходной величиной является угол поворота оси отрабатывающего двигателя или другой оси, связанной с нею через редуктор. Одной из основных характеристик такой системы является чувствительность, показывающая, при каком минимальном отклонении чувствительного элемента система отработки приходит в действие. Внешние факторы - напряжение питания, температура окружающей среды и т. п. - влияют лишь на чувствительность системы; на точность системы они могут влиять лишь в той мерь, в какой она связана с чувствительностью.

Это значит, что схемы с емкостными дифференциальными датчиками, так же как и любые мостовые нулевые схемы с линейными относительно частоты и напряжения сопротивлениями в плечах, предъявляют значительно меньшиетребования к стабильности источника питания.

Рис. 7 Мостовая схема с емкостным дифференциальным датчиком

В простейшем случае дифференциальный емкостный датчик представляет собой две последовательно включенные емкости, построенные конструктивно таким образом, что приувеличении одной из них другая уменьшается. Эти две емкости могутбыть включены в мостовую схему(рис. 7), где два других плеча - реостатные. Если при этом напряжение, снимаемое с диагонали моста, использовать в качестве сигнала для следящей системы, перемещающей щетку потенциометра R в сторону уменьшения рассогласования, то всегда в установившемся состоянии следящей системы это напряжение

u=0вэтом случае справедливо соотношение

(4)

Отсюда следует, что в схемах с дифференциальными емкостными датчиками с воздушным диэлектриком показания отрабатывающего органа (например, положение стрелки Указателя) не зависят ни от состава газа, ни от наличия в нем влаги (не выпадающей в виде капель), так как для обеих емкостей, составляющих дифференциальный датчик, меняется одинаково.

В емкостных преобразователях емкость С может меняться или за счет изменения параметров конденсатора

Dd, Ds,De.При этом выполняются функции преобразования неэлектрических величин в изменение емкости или производится модуляция емкости, что имеет место в емкостных модуляторах, ЭС генераторах и др.

При работе преобразователя последовательно с его емкостью С включается сопротивление R(см. рис. 3), специально предусмотренное или представляющее собой сопротивление подводящих проводов. В зависимости от соотношения сопротивлений R и 1/jWC преобразователь будет работать в разных режимах. Если R >> 1/WCили RWC >>1, то U

Ur и заряд конденсатора q

CU = const, т. е. преобразователь работает в режиме заданного заряда. В этом случае Uс=q/C=C0U/(C0+DCsinWt)

U[l-(DC/C0)sinWt] и выходным параметром преобразователя является переменная составляющая напряжения Uс. Этот режим реализуется, в частности, на высоких частотах. Если R <<1/WCили RWC <<1, то падение напряжения будет и Uс=U=const, т. е. преобразователь работает в режиме заданного напряжения. Для такого режима q=U(C0+DCsinWt);I=dq/dt=UDCWcosWt и выходной величиной является ток. Такой режим имеет место на малых частотах.

При питании емкостных преобразователей переменным напряжением U=Umsinwt между несущей частотой wи наибольшей частотой Wизмеряемого сигнала должно сохраняться определенное соотношение. Если изменение емкости преобразователя, обусловленное измерительным сигналом, меняется по закону C= C0+DCsinWt, то I=d(CU)/dt +UdC/dt или

I=wC

[coswt+DC/C

)coswtsin

t+......+(

)(DC/C

)sinwtcos

t].............(5)

В этом выражении первый член в скобках характеризует несущее колебание, второй член пропорционален полезному измерительному сигналу, а третий член является помехой. Для сведения помехи к допускаемому значению необходимо удовлетворить условию

/w << l.

Поскольку емкости преобразователей малы и редко превышают 50-100 пФ, то необходимо учитывать сопротивление утечки изоляции Rуг, паразитную емкость Сп между электродами и заземленными элементами, а также сопротивление Д и индуктивность L проводящих кабелей. На Рис.8 дана эквивалентная схема емкостного преобразователя. Необходимость учета всех указанных факторов возникает на достаточно высоких частотах (обычно свыше 10 МГц). Применяемые в емкостных преобразователях диэлектрики неидеальны, и им свойственныпотери. При идеальныхдиэлектриках сдвиг фазмежду током и напряжением равен П/2, а если имеются потери, то этот сдвиг уменьшается на угол d, называемый угломпотерь. Обычно вместо угла рассматривается tgd, который для эквивалентной схемы на Рис.8,б равен tgd= 1/wC

Величина, обратная tgd, называется добротностью Q емкостного преобразователя

(6)

Рис.8 Эквивалентные схемы преобразователя

Угол потерь (tgd) для разных диэлектриков различен. Вместе с тем эта величина зависит от температуры, частоты, напряжения на конденсаторе и влажности. Очевидно, что на принципе измерения угла потерь можно строить различные приборы, например, влагомеры. Если менять частоту питающего напряжения на конденсаторе преобразователя, то можно создать прибор для определения дисперсии диэлектрических жидкостей, газов и твердых тел.

В качестве измерительных цепей в емкостных преобразователях применяются делители напряжения, мостовые схемы, колебательные контуры и автогенераторы. Поскольку сигналы, снимаемые с емкостных преобразователей, малы, то измерительные цепи содержат усилители, а соединительные пропала должны быть экранированы.