4.2.3. Емкостные преобразователи

Принцип действия и конструкция. 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 заполнено диэлект­риком. При изменении взаимного положения электродов или при из­менении диэлектрической проницаемости среды, заполняющей меж­электродное пространство, изменяется емкость конденсатора.

В качестве емкостного преобразователя широко используется плос­кий конденсатор. Его емкость определяется выражением

С = ee₀Q/8,

(4.74)

где 6 — расстояние между электродами; Q — их площадь; е₀ — электри­ческая постоянная;   e_f — относительная проницаемость диэлектрика.

Изменение любого из этих параметров изменяет емкость конденса­тора.

У преобразователя с прямоугольными электродами (рис. 4.15, а) Q = Ъх и имеется некоторый диапазон перемещения пластин х, в кото­ром емкость линейно зависит от х (рис. 4.15, б). Линейная зависимость искажается вследствие краевого эффекта. В области линейной зави­симости чувствительность такого преобразователя

S = dC/dx = е_г е₀Ъ/Ь

(4.75)

постоянна и увеличивается с уменьшением расстояния между электро­дами 5.

Если изменяется расстояние 6 между электродами, функция преоб­разования С = /(6) представляет собой гиперболическую функцию. Чувствительность преобразователя

S =  dC/db = e,e₀Q/6²

(4.76)

сильнее, чем в предыдущем случае, зависит от расстояния между пла­стинами 6. Для увеличения чувствительности S целесообразно умень-

Подвижная пластина

Рис. 4.15

137

а)

c=f(Q_Ј)

Рис. 4.16

шить 6. Предельное его значение определяется технологическими сооб­ражениями и приложенным напряжением. Надо учитывать, что при малых 6 возможен электрический пробой между электродами*.

Если перемещать диэлектрическую пластину в зазоре плоского кон­денсатора (рис. 4.16, а), то можно получить преобразователь с перемен­ной диэлектрической проницаемостью. Емкость такого преобразователя определяется ка*с емкость двух параллельно включенных конденсато­ров. Один из них С_£ образован частью электродов и диэлектрической пластиной, другой С₀ — оставшейся частью электродов с межэлектрод­ным пространством, не заполненным пластинкой. Если пластинка с относительной диэлектрической проницаемостью е_г имеет толщину 6, равную расстоянию между электродами, то функция преобразования преобразователя описывается выражением

С = С   + Со = e₀[Q + QJe - 1)]/6,

(4.77)

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

Емкостные преобразователи могут выполняться по дифференциальной схеме. Схема дифференциального преобразователя углового перемеще­ния а с переменной площадью электродов приведена на рис. 4.16, б. В таких преобразователях средний подвижный электрод обычно соеди­няется с экраном.

Схемы включения. Емкостный преобразователь включается в измери­тельную цепь; при этом изменение его емкости преобразуется в измене­ние напряжения или тока либо в частоту синусоидального или импульс­ного тока. Существует довольно много различных измерительных це­пей включения емкостных преобразователей. Рассмотрим некоторые из них.

* Пробой в сухом воздухе при атмосферном давлении происходит при напря­женности Е = 3 ■ 10 кВ/см. Однако расчетное значение напряженности обычно не превосходит 700 кВ/см.

138

Для включения недифференциаль­ного преобразователя может использо­ваться резонансная цепь (рис. 4.17, а). Генератор через разделительный транс­форматор Т питает резонансный LC-контур. Емкость контура состоит из емкости преобразователя С_пр и под-строечного конденсатора емкостью С*, частота и значение напряжения ге­нератора постоянны. При изменении емкости напряжение на контуре изме­няется по резонансной кривой, как показано на рис. 4.17,6. При измене­нии емкости преобразователя на АС напряжение на контуре изменяется на AU. Подстроечный конденсатор слу­жит для настройки контура так, чтобы чувствительность измерительной цепи

Рис. 4.17

S = AU/AC

(4.78)

была максимальной.

Чувствительность резонансной цепи довольно высока и увеличивается с увеличением добротности контура.

Для включения дифференциального емкостного преобразователя мо­жет быть использована мостовая цепь (рис. 4.18), работающая в нерав­новесном режиме. В этой цепи емкости С_х и С₂ — дифференциальный преобразователь. На схеме показано также экранирование соедини­тельных проводов и диагоналей мостовой цепи. С ., С ~> Со, С , — емкости соответствующих экранов. Эти емкости включены параллель­но активным сопротивлениям и входят в полные сопротивления плеч моста. Эквивалентные емкости экранов могут несколько изменяться при работе прибора. Для того чтобы их изменения мало влияли на выходное напряжение моста, сопротивления резисторов R должны быть малыми. Емкость С' ₅ не входит в уравнение равновесия моста, и ее из­менение значительно меньше влияет на его выходное напряжение.

Другой схемой включения дифференциальных емкостных преобра­зователей является емкостно-диодная цепь (рис. 4.19, а). Дифферен­циальный преобразователь С^ и С₂ подключается к источнику пере­менного напряжения через диоды VDy — VD4 и конденсаторы С₃ - С₄. При положительной полярности напряжения U конденсатор Ci заря­жается через С₃ и VD±, а при отрицательной разряжается через С$ и VD₂. Конденсаторы С₃ и С$ имеют равные емкости, а диоды VD^ и VD₂ — равные прямые сопротивления. При этом, если питающее напря-

139