Глава первая

НЕКОТОРЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ ЕМКОСТНЫХ

ДАТЧИКОВ

Емкостный датчик в общем случае представляет собой одну или несколько емкостей с изменяющимися параметрами.

Величина емкости между двумя параллельными пластинами определяется формулой

где « - диэлектрическая проницаемость;

5 - площадь перекрытия двух пластин, см\ d - расстояние между ними, мм; С -значение емкости, пф (10~ ф); k - коэффициент пропорциональности. Для воздуха с достаточной степенью точности s == I. Емкость С в цепи переменного тока создает сопротивление

10° 10» 1,59-10 с-(лС ~2-KfC~~ fC

где / - частота, гц;

Ар - сопротивление, Мом.

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

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

в схемах 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. 1) [Л. 1 и 6]. Здесь при изменении угла поворота оси ротора изменяется ем-кость датчика и меняется частота генератора, являющаяся выходной величиной.

На рис. 2 приведен другой пример использования параметрического датчика. В этом случае с изменением значе-

Рис. 1. Емкостный датчик, включенный в контур генератора.

Л и

Рис. 2. Емкостный датчик, включенный в цепь переменного тока.

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 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. 2), 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 факто-

ры - наггряжение питания, температура окружающей среды и т. п. - влияют лишь на чувствительность системы; на точность системы они могут влиять лишь в той мере, 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 меньшие требования к стабильности источника питания,

В простейшем случае дифференциальный емкостный датчик представляет собой две последовательно включенные емкости, построенные конструктивно таким образом, что при увеличении одной из них другая уменьшается. Эти две емкости могут быть включены в мостовую схему (рис. 3), 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 ©то напряжение Д« = 0. В этом случае справедливо соотношение

Рис. 3. Мостовая схема с емкостным дифференциальным датчиком.

С, Sid,

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, е меняется одинаково. Для недифференциальных же схем такое влияние может наблюдаться, хотя и в не-оольших пределах, так как для воздуха с влажностью 0% е= 1,0006, а для воздуха с влажностью 100% при =+20° С е-1,0008 [Л. 7]. В этих схемах эта величина составит соответственно погрешность примерно 0,02%, в то время как