Емкостные преобразователи

Датчик... Что это такое? Понятием “датчик” в общем случае обозначают дешевый, но надежный приемник и преобразователь измеряемой величины, обладающий умеренной точностью и пригодный для серийного изготовления. Об щеупотребительные термины и определения для различных дат ч иков четко сформулированы в Инструкции 2600 Общества немецких инженеров и Общества немецких электриков ФРГ (VDI / VDE - Richtline 2600). Измерительный прибор осуществляет преобразование входного сигнала x(t) в выходной сигнал y(t): y(t) = F[x(t)], (1) где x(t) и y(t) - векторные величины; F(x) - требуемая функция преобразования. На выражение (1) можно смотреть на информационную модель прибора, в которой осуществляется преобразование входной информации в выходную. В более общей формулировке прибор осуществляет операцию отображения множества сигналов на входе x X в множество сигналов на выходе y Y , при этом указанное отображение должно быть однозначным. В реальных приборах функция преобразования зависит не только от сигнала x(t) , но также от возмущения x ( t) на сигнал x(t) , от помехи J (t) , действующей на параметры прибора q(t) , от несовершенства технологий изготовления прибора h (t) и от помехи n (t) , возникающих в самом приборе (трения, паразитных ЭДС и др.), т. е. y(t) = F[x, x ,q( h , J ), n )], (2) где x ,q, h , J , n - векторы. На рис 1 приведена функциональная схема, отображающая зависимость (2). Измеряемыми величинами, на основе которых формирует по лезный сигнал х( t ), являются параметры первичной инфор мации, такие, как давление, температура, количество и расход жидко стей, линейные н угловые размеры, расстояния, скорости, ускоре ния, деформации, напряжения, вибрации, внутренние трещины, несплошности в материалах и др. К числу вредных возмуще ний относятся перегрузки, вибрации, электрические и магнитные поля, неконтролируемые вариации температуры, давления, вла жности окружающей среды и т. д. Все эти возмущения вносят погреш ности в показания приборов. Рис 1. Функциональная схема прибора.

Прибор должен воспроизводить измеряемые величины с допускаемыми погрешностями. При этом слово “воспроизведение”, эк ви валентное в данной трактовке слову “отображение”, понима ет ся в самом широком смысле: получение на выходе прибора ве личин, пропорциональных входным величинам; формирование за д анных функций от входных величин (квадратичная и логарифми че ская шкалы и др .); получение производных и интегралов от вх одных величин; формирование на выходе слуховых или зритель ных образов, отображающих свойства входной информации; фор м ирование управляющих сигналов, используемых для управле ния контроля; запоминание и регистрация выходных сигналов.

Измерительный сигнал, получаемый от контролируемого объе к та, передается в измерительный прибор в виде импульса какоголибо вида энергии. Можно говорить о сигналах: первичных - не по средственно характеризующих контролируемый процесс; воспри н имаемых чувствительным элементом прибора; подаваемых в мерительную схему, и т.д. При передаче информации от контро л ируемого объекта к указателю прибора сигналы претерпевают ряд изменений по уровню и спектру и преобразуются из одного вида энергии в другой.

Необходимость такого преобразования вызывается тем, что первичные сигналы не всегда удобны для передачи, переработки, дальнейшего преобразования и воспроизведения.

Например, при измерении температуры прибором, чувствительный элемент которого помещается в контролируемую среду, воспринимаемый поток тепла трудно передать, а тем более воспроизвести на указателе прибора. Этой особенностью обладают почти все сигналы первичной информации.

Поэтому воспринимаемые чувствительными элементами сигналы почти всегда преобразуются в электрические сигналы, являющиеся универсальными. Т а часть прибора, в которой первичный сигнал преобразуетс я , например, в электрический, называется первичным преобразова те лем. Часто этот преобразователь совмещается с чувствительным элементом.

Сигналы с выхода первичного преобразователя пос т у п ают на следующие преобразователи измерительного прибора. Рис. 2 Функциональная схема прибора Н а рис. 2 дана функциональная схема прибора, на которой указаны: исследуемый объект ИО ; первичный преобразователь П1 ; устройство сравнения УС; устройство обработки сигналов Об. 1, в котором производится селекция, усиление, коррекция погр е шностей, фильтрация и др .; кодирующее устройство Код; модулятор М; канал передачи КП; устройство детект и рования Д ; устр ойство декодирования ДК ; устройство обработки информации O бр. 2 , обеспечивающее функциональное преобразование, коррек ции п огрешностей, формирование функции преобразования (1) и др.; п реобразователь Пр, выдающий информацию на систему отоб ражен ия СОИ и на обратный преобразователь 0П, с которого поступают сигналы на устройство сравнения. Эта схема является обобщенной и включает ряд элементов, которые в более простых прибор ах могут отсутствовать. ЁМКОСТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ У ст ройст ва, содержащие не менее двух поверхностей, между которыми действует электрическое поле, называются электростатическими ( ЭС) преобразователями.

Электрическое поле создается извне приложенным напряжением или возникает при действии на вход преоб разователя измерительного сигнала.

Преобр азователи, в которых электрическое поле создается приложенным напряжением, составляют группу емкостных преоб разователей.

Основным элементом в этих преобразователях явля ется конденсатор переменной емкости, изменяемой входным измерительным сигналом. Рис. 3 Электростатический преобразователь В дальнейшем под емкостным будем понимать преобраз о ватель, в котором используется конденсатор с двумя или нес ко лькими электродами (рис. 3 ). Для случая конденсатора с плос ким и электродами площадью s, размещенными друг от друга на расстоянии d в среде с диэлектрической проницаемостью e , ё мкость будет C = e s/ d (3 ) Рассматриваемый преобразователь на электрической сто р оне характеризуется приложенным напряжением и, зарядом q=CU, током I=dq/dt и энергией W = C U /2. На неэлектрической с т ороне преобразователь характеризуется изменением параме тров, входящих в выражение для емкости, т. е. D d , D s , D e , и силой f / dx, где под х следует понимать любую из величин D d , D s , D e . Емкостный преобразователь обратим: при приложении на электрической стороне напряжения U , на неэлектрической стороне возникает сила f которая используется в приборах уравновешивающего преобразования как результат действия обратного преобразования, в ЭС вольтметрах и в приборах с бесконтактным подвесом. В этом последнем случае элемент массы m может быть подвешен в электростатическом поле, если удовлетворяется условие f ³ gm, где g - ускорение силы тяжести. К емкостным преобразователям близки по своим характеристикам полупроводниковые диоды, в которых используется зависимость так называемой барьерной емкости от обратного напряжения. Такие преобразователи применяются в качестве элементов с электрически управляемой емкостью и называются варикапами.

Другая группа ЭС преобразователей основана на использовании сегнетоэлектриков, т. е. кристаллических диэлектриков, которые при определенных температурных условиях (при температуре ниже точки Кюри) обладают самопроизвольной поляризацией при отсутствии внешних электрических полей.

Состояние кристаллических диэлектриков характеризуется электрической индукцией D (или зарядом q), деформацией c и энтропией Э. Эти величины зависят от напряженности электрического поля Е (или напряжения U ), механического напряжения s (или силы F) и температуры Т. На рис. 4 схематически показаны связи между указанными величинами. Рис. 4 Схема связей между параметрами диэлектрика Жирными стрелками показаны связи Е ® D , s ® c , T ® Э, а тонкими стрелками изображены физические эфф екты, свойственные сегнетоэлектрикам: 1 - прямой пьезоэлектрический эффект s ® D (или q), проявляющийся в изменении поляризации кристалла дейс твием механических напряжений; 2 - обратный пьезоэлектрический эффект Е (или U ) ® c , характеризующийся деформацией кристалла под днем электрического поля; 3 - пироэлектрический эффект T ® D (или q ), сводящийся к изм ен ению заряда на поверхности кристалла при изменении тем пературы; 4 - пь езокалорический эффект s ® Э, проявляющийся в изменении энтропии при изменении механических напряжений.

Помимо указанных эффектов при изменении Е, s , Т в кристаллах возникают побочные явления, например, изменяются диэлектрическая проницаемость, проводимость, оптические свойства и т.д. 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 пьез о электрическими преобразователями.

Использование эффекта изменения емкостной проводимости в кристаллических полупроводниках обусловлено нелинейной зависимостью заряда q от приложенного напря ж ения U . Если зависимость q(U) линейна, то в выражении D q=( ¶ q/ ¶ U) величина C = ¶ q/ ¶ U постоянна и представляет собой емкость. В случае нелинейн о й зависимости q( U ) величина C = ¶ q/ ¶ U также является емкостью, но не постоянной, а зависящей от напряжения U, т. е. C(U) . Преобразователи, основанные на использовании нелинейной з ависимости емкости от напряжения в сегнетоэлектриках, называются варикондами.

Емкостные датчики можно разделить на две основные группы - датчики параметрические (недифференциаль н ые) и датчики дифференциальные. В схемах с параметрическими датчиками происходит преобразование входн ой неэле ктрической величины (угла поворота оси ротора датчика) в электрическую выходную величину (частоту, ток, напряжение), функционально зависящую от входной величины. В схемах с диффере н циаль н ыми датчиками, включенными в следящие системы, с датчика снимается лишь сиг нал рассогласования, который становится ра в ным нулю в установившемся состоя н ии следящей системы.

Примером параметрического емкостного датчика мо жет служить переменная емкость, включенная в конту р лампового генератора (рис. 5) . Здесь при изменении угла поворота оси ротора изменяется емкость датчика и меняется частота генератора, являющаяся выходной ве личиной. Рис. 5 Емкостной датчик, включенный в контур с генератором Рис 6. Емкостной датчик, включенный в цепь переменного тока На рис. 6 приведен другой пример и с пользования параметрического датчика. В этом случае с изменением значе ния емкости С меняется ток через нее, а следовательно, и напряжение на выходе системы, падающее на сопротивлении нагрузки R , которое и является выходной величиной.

Подобные системы являются разомкнутыми системами регулирования.

Основным недостатком этих схем является зависимость значе н ия 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 ли ш ь на чувствительность системы; на точность системы они могут влиять лишь в той мерь, в ка кой он а связана с чувствительностью. Это значит, что схемы с емкостными дифференциальны м и датчиками, так же как и любые мостовые нулевые схемы с линейными относительно частоты и напряжения со прот ивле н иями в плечах, предъявляют значительно мень шие требования к стабильности ист очника питания. Рис. 7 Мостовая схема с емкостным дифференциальным датчиком В простейшем случае дифферен циа льный емкостный датчик предста вляет собой две последовательно вклю ченные емкости, построенные кон структивно таким образом, что п р и увеличении одной из них другая у меньшается. Эти две емкости мо гут быть включены в мостовую схе му (рис. 7), где два других плеча - рео статные. Если при этом напря жен ие, снимаемое с диагонали мос та , использовать в качестве сигнала дл я следящей системы, перемещающей щетку потенциометра R в сторону уменьшения рассогласования, то всегда в установившемся состоянии следящей системы это напряжение u = 0 в этом случае справедливо соотношение (4) Отсюда следует, что в схемах с дифференциальными емкостными дат ч иками с возду ш ным диэлектриком показания отрабатывающего органа (например, положение стрелки Указателя) н е 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. Для недиффере н циаль н ых же сх ем такое влияние может наблюдаться, хотя и в небольших пределах, так как для воздуха с влажностью 0% =l.0006, а для воздуха с влажностью 100% при t =+20°С =l.0008. В этих схемах эта величина составит соответственно погрешность примерно 0,02%, в то время как от некоторых систем с емкостными дифференциальными датчиками удалось добиться более высокой точности. В емкостных преобразователях емкость С может меняться или з а счет изменения параметров конденсатора D d , D s , D e . При этом выполняются функции преобразования не э лектрических 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/j W C преобразователь будет работать в разных режимах. Если R >> 1/ W C или R W C > > 1, то U и заряд конденсатора q c o nst, т. е. преобразователь работает в режиме заданного заряда. В этом случае U / C=C U/ (C i n [ l-( i n t] и выходным параметром преобразователя является переменная составляющая напряжения U Этот режим реализуется, в частности, на высоких частотах. Если R 1/ W C или R W C 1, то падение напряжения будет и U U c o nst, т. е. преобразователь работает в режиме заданного напряжения. Для такого режима q=U(C W t) ; I =dq / dt = U W cos W t и выходной величиной является ток. Такой режим имеет место на малых частотах. При питании емкостных преобразователей переменным напряжением U =U i n между несущей частотой и наибольшей частотой W измеряемого сигнала должно сохраняться определенное соотношение. Если изменение емкости преобразователя, обусловленное измерительным сигналом, меняется по закону C=C s in W t , то I=d(CU)/dt + UdC/dt или I = + ( ( 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 / l. Поскольку емкости преобразователей малы и редко превышают 50-100 пФ, то необходимо учитывать сопротивление утечки изоляции R , паразитную емкость С 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 свойственн ы потери. При идеальных диэлектриках сдвиг ф аз между током и напряжением равен /2, а если имеются потери, то этот сдвиг уменьшается на угол потерь.

Обычно вместо угла рассматривается t g , который для эквивалентной схемы на Рис.8 ,б равен tg = 1 / Величина, обратная tg Q емкостного преобразователя Q= C R (6) Рис.8 Эквивалентные схемы преобразователя Угол потерь ( tg на пряжения 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.

Поскол ьк у сигналы, снимаемые с емкостных преобразователей, малы, то и змерительные цепи содержат усилители, а соединительные пропала должны быть экранированы. Рис. 9 Резонансные измерительные системы Рис. 9 Резонансные измерительные системы На Рис. 9 приведены измерительные цепи в виде параллельного (а) и последовательного (б) колебательных контуров, питаемых стабильным по амплитуде и частоте напряжением U , снимаемым с генератора Г. При изменении емкости C=C напряжение (Рис. 9, а) или ток (Рис. 9, б) в цепи резонансного контура будут меняться, достигая максимума при резонансе = l/ На склонах, резонансной кривой (Рис. 9, в) мелено вы б рать участок, близкий к линейному, в середине которого выбирается рабочая точка М, соответствующая среднему значению емкости C преобразователя. При изменении емкости на н апряж е ние на выходе будет меняться на . Емкостным преобразователь может быть э л е ме нто м в схеме триггера . На Рис. 10 приведена схема мультивибратора, на выходе которого генерируется непрерывная последо в ательность и м пул ьсов. Рис. 10 Схема триггера Пр и проектировании е м костных преобразователей следует обращать внима ние на экранирование проводов, выбор изоляции электролиз, устранение поверс т н ого сопротивления изоляции и в ы бор частоты питания. Чем выше эта частота, тем меньше выходное сопротивление, поэтому нередко частоту питания выбирают большой (до нескольких МГц). ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ Конструктивные схемы емкостных преобразователей выполняются различных вариантах в зависимости от области примене н ия ( Рис. 11 ) При измерении уровней жидких и сыпучих тел н а хо д я т применение цилиндрические или плоские конденсаторы (см. Рис. 11,а), емкость которых характеризуется уровнем х и зависит от диэлектрических проницаемостей жидкости , изоляции и воздуха . Рис. 11 Схемы устройства емкостных преобразователей Дл я измерения толщины х ленты 3 из диэлектрика с (см. Рис. 11, б) ее протягивают между электродами 1 и 2, расстояние межу которыми C=s / [( -x) / + x/ , где -диэлектрическая проницаемость воздуха. Д л я измерения малых перемещений (до единиц микрометров), а также точного измерения быстроменяющихся сил и давлений применяются дифференциальные емкостные преобразователи с переменным зазором (Рис. 11 ,в). Средний электрод конденсатора укреплен на упругом элементе (мембране, упругой пластинке, растяжках) между неподвижными электродами 1 и 2. Рассматриваемая схема может быть использована в приборах уравновешивания. Для этого усиленный сигнал с конденсатора после фазочувствительного детектирования может быть подан на обкладки 1 и 2, вследствие чего на средний электрод будет действовать электростатическая сила, уравновешивающая измеряемую силу. На Рис. 11, г и д показаны схемы устройства емкостных преобразователей с переменной площадью. В схеме на Рис. 11, г диэлектрик 1 перемещается по стрелке, а в схеме на Рис. 11, д один из электродов 2 жестко связан с валом и совершает угловые перемещения относительно неподвижного электрода 1. Возможные области применения датчиков (в том числе и емкостных) чрез в ы чайно разнообразны, можно выделить лишь отдель н ые сферы: * промышленная техника измерения и регулиро вания, * робототехника, * автомобилестроение, * бытовая техника, * медицинская техника.

Применимость того или иного датчика в этих сферах определяется прежде всего отношением цена/эффективность. При промышленном применении определяющим фактором является погрешность, которая при регулировании процессов должна составлят ь 1...2 % , а для задач контроля - 2 ... 3%. В этих случаях цены датчиков превышают 100 немецких марок ФРГ. Для специальных применений в области робототехники и медицинской техники цены датчиков могут достигать даже уровня 10 ... 100 тыс. немецких марок ФРГ. Благодаря внедрению новых тех н олог ий изготовления (высоковакуумное напыление, распыление, химическое осаждение из газовой фазы, фотолитография и т. д.) и новых материалов непрерывно расширяются сферы применения датчиков, недоступные ранее из-за их высокой цены. ЗАКЛЮЧЕНИЕ До недавнего времени конструкторы относились с предубеждением к емкостным датчикам, полагая, что схемы с емкостными датчиками не обеспечивают ни достаточной точности, ни стабильности работы приборов.

Считалось обязательным для получения устойчивого сигнала на выходе емкостного датчика питать его напряжением высокой частоты, достигающей сотен килогерц, а иногда даже десятков мегагерц.

Наличие такой высокой частоты в свою очередь приводило к потерям в параз и тных емкостях, соединительных проводах и т. п. Для того чтобы повысить амплитуду сигнала, снима е мого с емкостного датчика, и улучшить стабильность показа н ий, некоторые авторы разработок применяли в первом каскаде усилителя электрометричес к ие лампы, допускающие включение сотен мегом в цепь управля ю щей сетки и т. д., однако все эти меры мало улучшали стабильность систем с емкостными датчиками и в то же время значительно усложняли конструкцию приборов.

Проведенные в настоящее время работы показали, что п ричина нестабильности работы систем с емкостными дат ч иками лежит в неправильном подходе конструкторов к проектированию датчиков, в частности, в н еправильном р асположении изолирующих элементов конструкции, нестабильность свойств которых и приводит к ошибкам в работе систем. Эти трудности оказались преодолимыми, и уже созданы приборы с емкостными датчиками, обеспепечивающие высокие точности и стабильность работы, выдер ж ивающие тяжелые режимы эксплуатации. В настоящее время установлено, что емкостные датчи к и обладают целым рядом преимуществ по сравнению с другими датчиками. К их достоинствам относятся: 1) потребность весьма малых усилий для перемещения по движ н ой части ( ротора) ем к остного датчика; 2) малое потребление энергии; 3) простота изготовления; 4) ис польз о ва н ие дешевых материал ов ; 5) отсутствие контактов (в некоторых отдельных слу чаях - один токосъем с помощью кольца и щетки) ; 6) высокая точность и стабильнос т ь работы смстем , с емкостными датчиками; 7) возможность широкой регулировки приборов с некоторыми типами емкостных датчиков. К недостаткам емкостных датчиков следует отнести высокое в н утре н нее сопротивление, достигающее десятков и даже сотен мегом, высокие требования к сопротивлению крепежных изолирующих деталей и необходимость работы на повышенной (по с равнению с 50 гц) частоте.

Однако в большинстве случаев крепления емкостных датчиков могут быть выполнены и из обычных материало в , а практика показывает, что емкостные датчики дают хорошие результаты на широко рас п ространенной частоте 400 гц.