Емкостные преобразователи

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Техника конструирования и применения датчиков, или, как ее можно кратко назвать, сенсорика, за по­следние годы развилась в самостоятельную ветвь из­мерительной техники. С ростом автоматизации к дат­чикам физических параметров стали предъявляться все более высокие требования. При этом особое значение придается следующим показателям:

*     миниатюрность (возможность встраивания)

*     дешевизна (серийное производство) 

*     механическая прочность

По структурному построению автоматизированные устройства напоминают такие биологические системы, как, например, человек. Органам чувств че­ловека соответствуют в автоматах (или роботах) датчики, а функции активных органов выполняются исполнительными устройствами. Анало­гом мозга как центрального устройства для обра­ботки сигналов служит ЭВМ с ее системой памяти.

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. Общеупотребительные термины и определения для раз­личных датчиков 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 xÎX в множество сигналов на выходе yÎY, 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 полезный сигнал х(t), являются параметры первичной информации, такие, как давление, температура, количество и расход жидкостей, линейные н угловые размеры, расстояния, скорости, ускорения, деформации, напряжения, вибрации, внутренние трещины, несплошности в материалах и др. К числу вредных возмущений от- носятся перегрузки, вибрации, электрические и магнитные поля, не- контролируемые вариации температуры, давления, влажности окружающей среды и т. д. Все эти возмущения вносят погрешности в  показания приборов.

Рис 1. Функциональная схема прибора.

Прибор должен воспроизводить измеряемые величины с допу­скаемыми погрешностями. При этом слово «воспроизведение», эквивалентное в данной трактовке слову «отображение», понимается в самом широком смысле: получение на выходе прибора величин, пропорциональных входным величинам; формирование заданных функций от входных величин (квадратичная и логарифмическая шкалы и др.); получение производных и интегралов от входных величин; формирование на выходе слуховых или зрительных образов, отображающих свойства входной информации; формирование управляющих сигналов, используемых для управления контроля; запоминание и регистрация выходных сигналов.

Измерительный сигнал, получаемый от контролируемого объекта, передается в измерительный прибор в виде импульса какого- либо вида энергии. Можно говорить о сигналах: первичных - непосредственно характеризующих контролируемый процесс; воспринимаемых чувствительным элементом прибора; подаваемых в мерительную схему, и т.д. При передаче информации от контролируемого 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.

Та часть прибора, в которой первичный сигнал преобразуется, например, в электрический, называется первичным преобразователем. Часто этот преобразователь совмещается с чувствитель­ным элементом. Сигналы с выхода первичного преобразователя поступают на следующие преобразователи измерительного при­бора.

Рис. 2 Функциональная схема прибора

На 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 погрешностей, фильтрация и др.; кодирующее устройство Код;  модулятор М; канал передачи КП; устройство детектирования Д; устройство декодирования ДК;  устройство обработки информации Oбр. 2, обеспечивающее функциональное преобразование, коррекции погрешностей, формирование функции преобразования (1) и др.; преобразователь Пр, выдающий информацию на систему отображения 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 приборах могут отсутствовать.

ЁМКОСТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Устройства, 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 преобразователя измерительного сигнала.

Преобразователи, в которых электрическое поле создается приложенным напряжением, составляют группу емкостных преобразователей.  Основным элементом в этих преобразователях является  конденсатор переменной емкости, изменяемой входным измерительным сигналом.

Рис. 3 Электростатический преобразователь

В дальнейшем под емкостным будем понимать преобразователь, в котором используется конденсатор с двумя или несколькими электродами (рис. 3). Для случая конденсатора с плоскими электродами площадью s, размещенными друг от друга на расстоянии  d в среде с диэлектрической проницаемостью e, ёмкость будет

C = es/d   (3)

Рассматриваемый преобразователь на электрической стороне характеризуется приложенным напряжением и, зарядом q=CU, током I=dq/dt и энергией W=CU/2. На неэлектрической стороне  преобразователь характеризуется изменением параметров, входящих в выражение для емкости, т. е.Dd, Ds, De, и силой f=dW/dx, где под х следует понимать любую из величинDd, Ds, De.

 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 f³ 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 эффекты, свойственные  сегнетоэлектрикам:

1 - прямой пьезоэлектрический эффект s®D (или q), проявляющийся  в изменении поляризации кристалла действием 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 изменению заряда на поверхности кристалла при изменении температуры; 

4 - пьезокалорический 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 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/¶U постоянна и представляет собой емкость. В случае  нелинейной 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 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.

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. 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 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. 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 меньшие требования 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 при увеличении одной из них другая уменьшается. Эти две емкости могут быть 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=0 в этом 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. Для недифференциальных же схем 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.

1	2