Емкостные датчики - принцип действия основан на зависимости электрической емкости конденсатора от размеров, взаимного расположения его обкладок и от диэлектрической проницаемости среды между ними.
Для двухобкладочного плоского конденсатора электрическая емкость определяется выражением:
С = e0eS/h
где e0 - диэлектрическая постоянная; e - относительная диэлектрическая проницаемость среды между обкладками; S - активная площадь обкладок; h - расстояние между обкладками конденсатора.
Зависимости C(S) и C(h) используют для преобразования механических перемещений в изменение емкости.
Емкостные датчики, также как и индуктивные, питаются переменным напряжением (обычно повышенной частоты - до десятков мегагерц). В качестве измерительных схем обычно применяют мостовые схемы и схемы с использованием резонансных контуров. В последнем случае, как правило, используют зависимость частоты колебаний генератора от емкости резонансного контура, т.е. датчик имеет частотный выход.
Достоинства емкостных датчиков - простота, высокая чувствительность и малая инерционность. Недостатки - влияние внешних электрических полей, относительная сложность измерительных устройств.
Емкостные датчики применяют для измерения угловых перемещений, очень малых линейных перемещений, вибраций, скорости движения и т. д., а также для воспроизведения заданных функций (гармонических, пилообразных, прямоугольных и т. п.).
Емкостные преобразователи, диэлектрическая проницаемость e которых изменяется за счет перемещения, деформации или изменения состава диэлектрика, применяют в качестве датчиков уровня непроводящих жидкостей, сыпучих и порошкообразных материалов, толщины слоя непроводящих материалов (толщиномеры), а также контроля влажности и состава вещества.
Рис. Иллюстрации конструкций емкостных датчиков, физические принципы которых основаны на изменении емкости при изменении диэлектрической проницаемости C(ε): а, б — линейный емкостной датчик расстояний x1 и x2: 1, 2 — нижняя и верхняя обкладки конденсатора, зафиксированные на постоянном расстоянии d, с максимальной площадью перекрытия S и полной длиной перекрытия X; 3 — слой диэлектрика с диэлектрической проницаемостью ε1; 4, 5 — зафиксированные печатные платы; 6 — пайка обкладки на плате; а — датчик в исходном состоянии при x1= X и x2= 0; б — датчик с x1 ≤ X и ненулевым x2; S1 — переменная площадь перекрытия обкладок диэлектриком 3 (с диэлектрической проницаемостью ε1) в пределах детектируемого расстояния x1; (S–S1) — переменная площадь перекрытия обкладок воздушным диэлектриком (с диэлектрической проницаемостью ε ≈ 1) в пределах переменного расстояния x2 = X–x1; в — емкостной датчик зубчатого ротора типа «открытый конденсатор»: φ, ω, F — абсолютный и частотные сигналы датчика: φ — сигнал абсолютного углового положения ротора; F, ω (или f) — частота ротора и следования детектируемых элементов, соответственно; 1 — ротор (из металла или диэлектрика); 2 — корпус датчика; 3, 4 — выступающие обкладки плоского конденсатора; 5 — схема питания конденсатора переменным напряжением и обработки сигнала; 6 — проводные терминалы датчика (в трехпроводной частотной схеме подключения, работающей на постоянном напряжении); г — угловой емкостной датчик-прерыватель: 1 — ротор-крыльчатка (из металла или диэлектрика); 2 — корпус датчика; 3, 4 — обкладки плоского конденсатора; 5 — схема питания и обработки сигнала; 6 — проводные терминалы датчика (в трехпроводной частотной схеме подключения, работающей на постоянном напряжении); 7 — вращающийся вал; F, f — частотные сигналы датчика; д — угловой емкостной датчик абсолютного положения — прерыватель: 1 — ротор с материалом, изменяющим емкостную связь (из металла или диэлектрика); 2 — корпус датчика; 3, 4 — обкладки плоского конденсатора; 5 — схема питания и обработки сигнала; 6 — проводные терминалы датчика (в трехпроводной аналоговой или частотной схеме подключения, работающей на постоянном напряжении); 7 — вращающийся вал; 8 — материал, изменяющий емкостную связь; φ, F, f — абсолютный и частотные сигналы датчика
Индуктивные датчики служат для бесконтактного получения информации о перемещениях рабочих органов машин, механизмов, роботов и т.п. и преобразования этой информации в электрический сигнал.
Принцип действия индуктивного датчика основан на изменении индуктивности обмотки на магнитопроводе в зависимости от положения отдельных элементов магнитопровода (якоря, сердечника и др.). В таких датчиках линейное или угловое перемещение X (входная величина) преобразуется в изменение индуктивности (L) датчика. Применяются для измерения угловых и линейных перемещений, деформаций, контроля размеров и т.д.
В простейшем случае индуктивный датчик представляет собой катушку индуктивности с магнитопроводом, подвижный элемент которого (якорь) перемещается под действием измеряемой величины.
Индуктивный датчик распознает и соответственно реагирует на все токопроводящие предметы. Индуктивный датчик является бесконтактным, не требует механичесого воздействия, работает бесконтактно за счет изменения электромагнитного поля.
Преимущества
- нет механического износа, отсутствуют отказы, связанные с состоянием контактов
- отсутствует дребезг контактов и ложные срабатывания
- высокая частота переключений до 3000 Hz
- устойчив к механическим воздействиям
Недостатки - сравнительно малая чувствительность, зависимость индуктивного сопротивления от частоты питающего напряжения, значительное обратное воздействие датчика на измеряемую величину (за счет притяжения якоря к сердечнику).
Поделиться с друзьями: