Реферат: Емкостные преобразователи
<span Arial",«sans-serif»">ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
<span Arial",«sans-serif»">Техникаконструирования и применения датчиков, или, как ее можно кратко назвать, сенсорика, за последние годы развилась всамостоятельную ветвь измерительной техники. С ростом автоматизации к датчикамфизических параметров стали предъявляться все более высокие требования. Приэтом особое значение придаетсяследующим показателям:
*<span Times New Roman"">
<span Arial",«sans-serif»">миниатюрность (возможностьвстраивания)*<span Times New Roman"">
<span Arial",«sans-serif»">дешевизна (серийноепроизводство)*<span Times New Roman"">
<span Arial",«sans-serif»">механическаяпрочность<span Arial",«sans-serif»">Поструктурному построению автоматизированные устройства напоминают такиебиологические системы, как, например, человек. Органам чувств человекасоответствуют в автоматах (или роботах) датчики, а функции активных органов выполняются исполнительными устройствами. Аналогоммозга как центрального устройства для обработки сигналов служит ЭВМ с еесистемой памяти.
<span Arial",«sans-serif»">Датчик…Что это такое?
<span Arial",«sans-serif»">Понятием“датчик” в общем случае обозначают дешевый, но надежный приемник ипреобразователь измеряемой величины, обладающий умеренной точностью и пригодный для серийного изготовления. Общеупотребительные термины и определения для различныхдатчиков четкосформулированы в Инструкции 2600 Общества немецких инженеров и Общества немецких электриков ФРГ(VDI/VDE-Richtline2600).
<span Arial",«sans-serif»">Измерительный прибор осуществляетпреобразование входного сигнала
<span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language:EN-US">x(t) <span Arial",«sans-serif»">в выходной сигнал <span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language: EN-US">y(t): <span Arial",«sans-serif»"><span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language: EN-US">y(t) = F[x(t)],
<span Arial",«sans-serif»; mso-ansi-language:EN-US"> (1)<span Arial",«sans-serif»"><span Arial",«sans-serif»">где
<span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language: EN-US">x(t)<span Arial",«sans-serif»">и<span Arial",«sans-serif»; mso-ansi-language:EN-US"> y(t)<span Arial",«sans-serif»"> — векторные величины; <span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language: EN-US">F(x) <span Arial",«sans-serif»">-требуемая функция преобразования. На выражение (1) можно смотреть наинформационную модель прибора, в которой осуществляется преобразование входнойинформации в выходную.<span Arial",«sans-serif»">Вболее общей формулировке прибор осуществляет операцию отображения множествасигналов на входе
<span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language:EN-US">xÎ<span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language: EN-US">X <span Arial",«sans-serif»">вмножество сигналов на выходе <span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language:EN-US">yÎ<span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language: EN-US">Y<span Arial",«sans-serif»">,при этом указанное отображение должно быть однозначным.<span Arial",«sans-serif»">Вреальных приборах функция преобразования зависит не только от сигнала
<span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language: EN-US">x(t)<span Arial",«sans-serif»">,но также от возмущения x<span Arial",«sans-serif»">(<span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language: EN-US">t) <span Arial",«sans-serif»">насигнал <span Arial",«sans-serif»; mso-ansi-language:EN-US">x(t)<span Arial",«sans-serif»">, от помехи J<span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language: EN-US">(t)<span Arial",«sans-serif»">,действующей на параметры прибора <span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language:EN-US">q(t)<span Arial",«sans-serif»">, от несовершенстватехнологий изготовления прибора h<span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language: EN-US">(t) <span Arial",«sans-serif»">иот помехи n<span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language: EN-US">(t)<span Arial",«sans-serif»">,возникающих в самом приборе (трения, паразитных ЭДС и др.), т. е.<span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language: EN-US">y(t) = F[x,
x<span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language: EN-US">,q(h<span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language: EN-US">,J<span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language: EN-US">),n<span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language: EN-US">)],<span Arial",«sans-serif»"> (2)<span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language:EN-US"><span Arial",«sans-serif»">где
x<span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language: EN-US">,q,h<span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language: EN-US">,J<span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language: EN-US">,n<span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language: EN-US"> — <span Arial",«sans-serif»">векторы.<span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language: EN-US"><span Arial",«sans-serif»">На рис 1 приведенафункциональная схема, отображающая зависимость (2).
<span Arial",«sans-serif»">Измеряемымивеличинами, на основе которых формирует полезный сигналх(t), являютсяпараметры первичной информации, такие, какдавление, температура, количество ирасходжидкостей, линейные нугловые размеры, расстояния, скорости, ускорения,деформации, напряжения, вибрации, внутренние трещины, несплошности в материалахи др. К числу вредных возмущений от- носятсяперегрузки, вибрации, электрические и магнитные поля, не- контролируемыевариации температуры, давления, влажностиокружающей среды и т. д. Все эти возмущениявносят погрешности в показания приборов.
<span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language:EN-US"><span Arial",«sans-serif»"><img src="/cache/referats/513/image002.gif" v:shapes="_x0000_i1025">
<span Arial",«sans-serif»"><span Arial",«sans-serif»; mso-ansi-language:EN-US"><span Arial",«sans-serif»">Рис 1. Функциональная схема прибора.
<span Arial",«sans-serif»">Прибордолжен воспроизводить измеряемые величины с допускаемыми погрешностями. Приэтом слово “воспроизведение”, эквивалентное в данной трактовке слову “отображение”, понимается в самомшироком смысле: получение на выходе прибора величин, пропорциональныхвходным величинам; формирование заданных функций от входных величин (квадратичная и логарифмическая шкалыи др.); получение производных и интегралов отвходных величин; формирование на выходеслуховых или зрительныхобразов, отображающих свойства входной информации; формирование управляющихсигналов, используемых для управленияконтроля; запоминание и регистрация выходных сигналов.
<span Arial",«sans-serif»">Измерительныйсигнал, получаемый от контролируемого объекта, передается в измерительный прибор в видеимпульса какого- либо вида энергии. Можно говорить о сигналах: первичных — непосредственно характеризующихконтролируемый процесс; воспринимаемых чувствительным элементом прибора; подаваемыхв мерительную схему, и т.д. При передаче информации от контролируемого объекта к указателю прибора сигналыпретерпевают ряд изменений по уровню испектруи преобразуются из одного вида энергии в другой.
<span Arial",«sans-serif»">Необходимостьтакого преобразования вызывается тем, что первичные сигналы не всегда удобныдля передачи, переработки, дальнейшего преобразования и воспроизведения.Например, при измерении температуры прибором, чувствительный элемент которогопомещается в контролируемую среду, воспринимаемый поток тепла трудно передать,а тем более воспроизвести на указателе прибора. Этой особенностью обладаютпочти все сигналы первичной информации. Поэтому воспринимаемые чувствительнымиэлементами сигналы почти всегда преобразуются в электрические сигналы,являющиеся универсальными.
<span Arial",«sans-serif»">Та часть прибора, в которой первичный сигнал преобразуется, например, вэлектрический, называется первичным преобразователем. Часто этот преобразователь совмещается счувствительным элементом. Сигналы с выхода первичного преобразователяпоступают наследующие преобразователи измерительного прибора.
<span Arial",«sans-serif»"><img src="/cache/referats/513/image004.jpg" v:shapes="_x0000_i1026">
<span Arial",«sans-serif»"><span Arial",«sans-serif»">Рис. 2 Функциональная схема прибора
<span Arial",«sans-serif»"><span Arial",«sans-serif»">На рис. 2 дана функциональная схема прибора, накоторой указаны: исследуемый объект ИО;первичный преобразователь П1;устройство сравнения УС; устройство обработкисигналов Об. 1, в котором производится селекция, усиление, коррекция погрешностей, фильтрацияи др.; кодирующее устройство Код; модулятор М; каналпередачи КП; устройство детектирования Д; устройство декодированияДК; устройство обработки информации Oбр. 2, обеспечивающеефункциональное преобразование, коррекции погрешностей, формирование функции преобразования (1)и др.; преобразователь Пр, выдающий информациюна системуотображенияСОИ и на обратный преобразователь 0П, с которого поступают сигналы наустройство сравнения. Эта схема является обобщенной и включает ряд элементов,которые в более простых приборах могутотсутствовать.
<span Arial",«sans-serif»;mso-fareast-font-family: «Times New Roman»;mso-fareast-theme-font:minor-fareast;mso-ansi-language:RU; mso-fareast-language:RU;mso-bidi-language:AR-SA"><span Arial",«sans-serif»">ЁМКОСТНЫЕПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
<span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language:EN-US"><span Arial",«sans-serif»">Устройства, содержащиене менее двух поверхностей, между которыми действует электрическое поле,называются электростатическими (ЭС) преобразователями.Электрическое поле создается извне приложенным напряжением или возникает придействии на вход преобразователя измерительногосигнала.
<span Arial",«sans-serif»">Преобразователи, в которых электрическое поле создаетсяприложенным напряжением, составляют группу емкостных преобразователей. Основным элементом в этих преобразователях является конденсатор переменной емкости, изменяемой входным измерительным сигналом.
<span Arial",«sans-serif»"><img src="/cache/referats/513/image006.jpg" v:shapes="_x0000_i1027">
<span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language: EN-US"><span Arial",«sans-serif»">Рис. 3Электростатический преобразователь
<span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language:EN-US"><span Arial",«sans-serif»">Вдальнейшем под емкостным будем понимать преобразователь, в котором используется конденсатор с двумяили несколькимиэлектродами (рис.
<span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language:EN-US">3<span Arial",«sans-serif»">). Для случая конденсатора с плоскими электродамиплощадью s, размещенными друг от друга нарасстоянии d<span Arial",«sans-serif»"> в среде с диэлектрической проницаемостью e<span Arial",«sans-serif»;color:black">, <span Arial",«sans-serif»">ёмкость будет<span Arial",«sans-serif»"><span Arial",«sans-serif»;color:black">C =
e<span Arial",«sans-serif»;color:black; mso-ansi-language:EN-US">s/d<span Arial",«sans-serif»;color:black;mso-ansi-language: EN-US"> (3<span Arial",«sans-serif»;color:black">)<span Arial",«sans-serif»">Рассматриваемыйпреобразователь на электрической стороне характеризуется приложенным напряжением и,зарядом q=CU, током I=dq/dtи энергией W
<span Arial",«sans-serif»;color:black; position:relative;top:6.0pt;mso-text-raise:-6.0pt"><img src="/cache/referats/513/image008.gif" v:shapes="_x0000_i1028"><span Arial",«sans-serif»;color:black"><span Arial",«sans-serif»;color:black;mso-ansi-language:EN-US">=<span Arial",«sans-serif»;color:black">C<span Arial",«sans-serif»;color:black; mso-ansi-language:EN-US">U<span Arial",«sans-serif»;color:black;position:relative;top:2.0pt; mso-text-raise:-2.0pt;mso-ansi-language:EN-US"><img src="/cache/referats/513/image010.gif" v:shapes="_x0000_i1029"><span Arial",«sans-serif»;color:black; mso-ansi-language:EN-US"><span Arial",«sans-serif»; color:black">/2. <span Arial",«sans-serif»">Нанеэлектрической стороне преобразователь характеризуетсяизменением параметров, входящих в выражениедля емкости, т. е.<span Arial",«sans-serif»;color:black; position:relative;top:5.0pt;mso-text-raise:-5.0pt"><img src="/cache/referats/513/image012.gif" v:shapes="_x0000_i1030"><span Arial",«sans-serif»;color:black">Dd<span Arial",«sans-serif»;color:black; mso-ansi-language:EN-US">, D<span Arial",«sans-serif»">s<span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language: EN-US">,<span Arial",«sans-serif»; color:black"> De<span Arial",«sans-serif»;color:black">, <span Arial",«sans-serif»">и силой f<span Arial",«sans-serif»;color:black; position:relative;top:6.0pt;mso-text-raise:-6.0pt"><img src="/cache/referats/513/image008.gif" v:shapes="_x0000_i1031"><span Arial",«sans-serif»;color:black"><span Arial",«sans-serif»; color:black;position:relative;top:6.0pt;mso-text-raise:-6.0pt"><img src="/cache/referats/513/image008.gif" v:shapes="_x0000_i1032"><span Arial",«sans-serif»;color:black"><span Arial",«sans-serif»;color:black;mso-ansi-language:EN-US">/<span Arial",«sans-serif»;color:black">dx, <span Arial",«sans-serif»">где под х следует понимать любую из величин<span Arial",«sans-serif»;color:black; position:relative;top:5.0pt;mso-text-raise:-5.0pt"><img src="/cache/referats/513/image012.gif" v:shapes="_x0000_i1033"><span Arial",«sans-serif»;color:black">Dd<span Arial",«sans-serif»;color:black; mso-ansi-language:EN-US">, D<span Arial",«sans-serif»">s<span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language: EN-US">,<span Arial",«sans-serif»; color:black"> De<span Arial",«sans-serif»;color:black">.<span Arial",«sans-serif»; color:black">
<span Arial",«sans-serif»">Емкостныйпреобразователь обратим: при приложении на электрической стороне напряжения <span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language: EN-US">U<span Arial",«sans-serif»">,на неэлектрической стороне возникает сила f<span Arial",«sans-serif»;color:black;position:relative;top:6.0pt;mso-text-raise: -6.0pt"><img src="/cache/referats/513/image008.gif" v:shapes="_x0000_i1034"><span Arial",«sans-serif»;color:black"><span Arial",«sans-serif»">котораяиспользуется в приборах уравновешивающего преобразования как результатдействия обратного преобразования, в ЭС вольтметрахи в приборах с бесконтактным подвесом. В этом последнем случае элемент массы <span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language: EN-US">m<span Arial",«sans-serif»">может быть подвешен в электростатическом поле, если удовлетворяется условие f<span Arial",«sans-serif»;color:black;position:relative;top:6.0pt;mso-text-raise: -6.0pt"><img src="/cache/referats/513/image008.gif" v:shapes="_x0000_i1035"><span Arial",«sans-serif»;color:black">³<span Arial",«sans-serif»;color:black; mso-ansi-language:EN-US"> <span Arial",«sans-serif»;color:black">gm, <span Arial",«sans-serif»">где g — ускорение силы тяжести.<span Arial",«sans-serif»">Кемкостным преобразователям близки по своим характеристикам полупроводниковые диоды, в которыхиспользуется зависимость так называемойбарьерной емкости от обратного напряжения. Такие преобразователи применяются в качестве элементов с электрическиуправляемой емкостью и называются варикапами.
<span Arial",«sans-serif»">Другаягруппа ЭС преобразователей основана наиспользовании сегнетоэлектриков,т. е. кристаллических диэлектриков,которые при определенных температурныхусловиях (при температуре ниже точки Кюри) обладают самопроизвольнойполяризацией при отсутствии внешних электрических полей.
<span Arial",«sans-serif»">Состояниекристаллических диэлектриков характеризуется электрической индукцией D (или зарядом q), деформацией
c<span Arial",«sans-serif»"> и энтропией Э. Этивеличины зависят от напряженности электрического поля Е (илинапряжения <span Arial",«sans-serif»; mso-ansi-language:EN-US">U<span Arial",«sans-serif»">), механического напряжения<span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language:EN-US"> s<span Arial",«sans-serif»"> (или силы F) и температуры Т. На рис. 4 схематическипоказаны связи между указаннымивеличинами.<span Arial",«sans-serif»"><span Arial",«sans-serif»; position:relative;top:5.0pt;mso-text-raise:-5.0pt"><img src="/cache/referats/513/image012.gif" v:shapes="_x0000_i1036">
<span Arial",«sans-serif»"><span Arial",«sans-serif»"><img src="/cache/referats/513/image014.jpg" v:shapes="_x0000_i1037"><span Arial",«sans-serif»"><span Arial",«sans-serif»">Рис. 4 Схемасвязей между параметрами диэлектрика
<span Arial",«sans-serif»">Жирнымистрелками показаны связи Е
®<span Arial",«sans-serif»;color:black; mso-ansi-language:EN-US">D<span Arial",«sans-serif»;color:black">, s®c<span Arial",«sans-serif»;color:black">, <span Arial",«sans-serif»;color:black; mso-ansi-language:EN-US">T®<span Arial",«sans-serif»;color:black">Э, а <span Arial",«sans-serif»">тонкими стрелкамиизображены физические эффекты,свойственные сегнетоэлектрикам:<span Times New Roman"">1 —
<span Arial",«sans-serif»">прямой пьезоэлектрический эффект s®<span Arial",«sans-serif»;color:black">D <span Arial",«sans-serif»">(илиq), проявляющийся в изменении поляризации кристалла действием механическихнапряжений;<span Times New Roman"">2 —
<span Arial",«sans-serif»">обратный пьезоэлектрический эффект Е(или <span Arial",«sans-serif»; mso-ansi-language:EN-US">U<span Arial",«sans-serif»">)®c<span Arial",«sans-serif»">, характеризующийся деформацией кристалла подднем электрического поля;<span Times New Roman";color:black">3 —
<span Arial",«sans-serif»">пироэлектрический эффект T®<span Arial",«sans-serif»;color:black">D <span Arial",«sans-serif»">(или <span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language: EN-US">q<span Arial",«sans-serif»">),сводящийся к изменениюзаряда на поверхности кристалла при изменении температуры;<span Times New Roman"">4 —
<span Arial",«sans-serif»">пьезокалорическийэффект s®<span Arial",«sans-serif»;color:black">Э, <span Arial",«sans-serif»">проявляющийся в изменении энтропии при изменении механическихнапряжений.<span Arial",«sans-serif»">Помимоуказанных эффектов при изменении Е,
s<span Arial",«sans-serif»;color:black">, <span Arial",«sans-serif»">Т в кристаллах возникают побочные явления, например, изменяются диэлектрическая проницаемость, проводимость,оптические свойства и т.д.<span Arial",«sans-serif»">Изуказанных эффектов рассмотрим прямой и обратный пьезоэффекты, а также эффект изменения емкостной проводимости приизменении напряжения
<span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language:EN-US">U<span Arial",«sans-serif»">. Преобразователи, вкоторых используются прямой или обратныйпьезоэффекты, называются пьезоэлектрическими преобразователями.<span Arial",«sans-serif»">Использованиеэффекта изменения емкостной проводимости вкристаллических полупроводниках обусловлено нелинейной зависимостью заряда qот приложенного напряжения
<span Arial",«sans-serif»;color:black;mso-ansi-language:EN-US">U<span Arial",«sans-serif»">. Если зависимость q(U) линейна,то в выражении D<span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language: EN-US">q=(¶<span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language: EN-US">q/¶<span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language: EN-US">U) <span Arial",«sans-serif»">величина<span Arial",«sans-serif»; mso-ansi-language:EN-US">C<span Arial",«sans-serif»;color:black">=¶<span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language: EN-US">q/¶<span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language: EN-US">U<span Arial",«sans-serif»; color:black"> <span Arial",«sans-serif»">постояннаи представляет собой емкость. В случае нелинейной зависимостиq(<span Arial",«sans-serif»;color:black;mso-ansi-language:EN-US">U<span Arial",«sans-serif»;color:black">) <span Arial",«sans-serif»">величина <span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language: EN-US">C<span Arial",«sans-serif»; color:black">=¶<span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language: EN-US">q/¶<span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language: EN-US">U<span Arial",«sans-serif»; color:black"> <span Arial",«sans-serif»">такжеявляется емкостью, но не постоянной, азависящей от напряжения U, т. е. <span Arial",«sans-serif»;color:black;mso-ansi-language:EN-US">C(U)<span Arial",«sans-serif»">. Преобразователи,основанные на использовании нелинейной зависимости емкости от напряжения в сегнетоэлектриках, называются варикондами.<span Arial",«sans-serif»">Емкостныедатчики можно разделить на две основные группы — датчики параметрические (недифференциальные) идатчики дифференциальные.
<span Arial",«sans-serif»">Всхемах 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.
<span Arial",«sans-serif»">Всхемах с дифференциальными датчиками,включенными в следящие системы, с датчика снимается лишь сигнал рассогласования, который становится равным нулю вустановившемся состоянииследящей системы.
<span Arial",«sans-serif»">Примеромпараметрического емкостного датчика можетслужить переменная емкость, включенная в контурлампового генератора (рис. 5) .Здесь приизменении угла поворота оси ротора изменяется емкость датчика и меняетсячастота генератора, являющаяся выходной величиной.
<span Arial",«sans-serif»"><span Arial",«sans-serif»"><img src="/cache/referats/513/image016.jpg" v:shapes="_x0000_i1038">
<span Arial",«sans-serif»"> <span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language:EN-US"><span Arial",«sans-serif»">Рис. 5 Емкостной датчик, включенный вконтур с генератором
<span Arial",«sans-serif»; mso-ansi-language:EN-US"><span Arial",«sans-serif»"><img src="/cache/referats/513/image018.jpg" v:shapes="_x0000_i1039">
<span Arial",«sans-serif»"><span Arial",«sans-serif»">Рис 6.Емкостной датчик, включенный в цепь переменного тока
<span Arial",«sans-serif»">Нарис. 6 приведен другой пример использования параметрического датчика. В этом случаес изменением значения емкости С меняется токчерез нее, а следовательно, и напряжение на выходе системы, падающее насопротивлении нагрузки R
<span Arial",«sans-serif»; position:relative;top:6.0pt;mso-text-raise:-6.0pt"><img src="/cache/referats/513/image020.gif" v:shapes="_x0000_i1040"><span Arial",«sans-serif»">, которое и являетсявыходной величиной.<span Arial",«sans-serif»">Подобныесистемы являются разомкнутыми системами регулирования. Основным недостаткомэтих схем является зависимость значения выходной величины от параметров источникапитания датчика, усилителя и других элементов схемы, а также от внешнихусловий. В самом Деле, стоит измениться напряжению или частоте генератора, питающегодатчик (рис. 6), как напряжение, частота и фаза, являющиеся выходнымивеличинами и снимаемые с сопротивления R
<span Arial",«sans-serif»;position:relative;top:6.0pt;mso-text-raise: -6.0pt"><img src="/cache/referats/513/image020.gif" v:shapes="_x0000_i1041"><span Arial",«sans-serif»">, также изменятся.<span Arial",«sans-serif»">Отэтих недостатков свободны схемы с дифференциальными емкостными датчиками,включенными в замкнутую систему автоматического регулирования. В этих схемахвыходной величиной является угол поворота оси отрабатывающего двигателя илидругой оси, связанной с нею через редуктор. Одной из основных характеристиктакой 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 счувствительностью.
<span Arial",«sans-serif»">Этозначит, что схемы с емкостными дифференциальными датчиками, так же как и любые мостовые нулевые схемыс линейными относительно частоты и напряжения сопротивлениями в плечах,предъявляют значительно меньшиетребования к стабильности источника питания.
<span Arial",«sans-serif»"><span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language: EN-US"><span Arial",«sans-serif»; mso-ansi-language:EN-US"><img src="/cache/referats/513/image022.jpg" v:shapes="_x0000_i1042">
<span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language:EN-US"><span Arial",«sans-serif»">Рис. 7 Мостовая схема с емкостнымдифференциальным датчиком
<span Arial",«sans-serif»">Впростейшем случае дифференциальный емкостный датчик представляет собой две последовательно включенные емкости, построенные конструктивно таким образом, что приувеличении однойиз них другая уменьшается. Эти две емкости могутбыть включеныв мостовую схему(рис.7), где два других плеча — реостатные. Еслипри этом напряжение,снимаемое с диагонали моста, использовать в качестве сигнала для следящей системы, перемещающей щеткупотенциометра R в сторону уменьшениярассогласования, то всегда в установившемся состоянии следящей системы это напряжение
<span Arial",«sans-serif»;color:black;position:relative;top:2.0pt; mso-text-raise:-2.0pt"><img src="/cache/referats/513/image024.gif" v:shapes="_x0000_i1043"><span Arial",«sans-serif»;color:black"><span Arial",«sans-serif»;color:black;mso-ansi-language:EN-US">u<span Arial",«sans-serif»;color:black">=<span Arial",«sans-serif»;color:black; mso-ansi-language:EN-US">0<span Arial",«sans-serif»;color:black"> <span Arial",«sans-serif»">вэтомслучае справедливо соотношение<span Arial",«sans-serif»;color:black; position:relative;top:19.0pt;mso-text-raise:-19.0pt"><img src="/cache/referats/513/image026.gif" v:shapes="_x0000_i1044">
<span Arial",«sans-serif»;color:black"> (4)<span Arial",«sans-serif»">Отсюдаследует, что в схемах с дифференциальными емкостными датчиками с воздушным диэлектриком показания отрабатывающего органа(например, положение стрелки Указателя) не зависятни от состава газа, ни от наличия в нем влаги (не выпадающей в виде капель),так как для обеих емкостей, составляющих дифференциальный датчик,
<span Arial",«sans-serif»;position:relative; top:3.0pt;mso-text-raise:-3.0pt"><img src="/cache/referats/513/image028.gif" v:shapes="_x0000_i1045"><span Arial",«sans-serif»"> меняется одинаково. Для недифференциальных же схемтакое влияние может наблюдаться, хотя и в небольшихпределах, так как для воздуха с влажностью 0% <span Arial",«sans-serif»;position:relative;top:3.0pt;mso-text-raise: -3.0pt"><img src="/cache/referats/513/image028.gif" v:shapes="_x0000_i1046"><span Arial",«sans-serif»">=l.0006, а для воздуха свлажностью 100% при t=+20°С <span Arial",«sans-serif»;position:relative; top:3.0pt;mso-text-raise:-3.0pt"><img src="/cache/referats/513/image028.gif" v:shapes="_x0000_i1047"><span Arial",«sans-serif»">=l.0008. В этих схемах этавеличина составит соответственно погрешность примерно 0,02%, в то время как отнекоторых систем с емкостными дифференциальными датчиками удалось добитьсяболее высокой точности.<span Arial",«sans-serif»">Вемкостных преобразователях емкость С может меняться или за счет изменения параметров конденсатора
<span Arial",«sans-serif»;color:black; position:relative;top:5.0pt;mso-text-raise:-5.0pt"><img src="/cache/referats/513/image012.gif" v:shapes="_x0000_i1048"><span Arial",«sans-serif»;color:black">Dd<span Arial",«sans-serif»;color:black; mso-ansi-language:EN-US">, D<span Arial",«sans-serif»">s<span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language: EN-US">,<span Arial",«sans-serif»; color:black"> De<span Arial",«sans-serif»;color:black">.<span Arial",«sans-serif»;color:black;mso-ansi-language:EN-US"> <span Arial",«sans-serif»">При этом выполняютсяфункции преобразования неэлектрических величин в изменение емкости илипроизводится модуляция емкости, что имеет место в емкостных модуляторах, ЭС генераторах и др.<span Arial",«sans-serif»">Приработе преобразователя последовательно с его емкостью С включаетсясопротивление
<span Arial",«sans-serif»; mso-ansi-language:EN-US">R<span Arial",«sans-serif»;color:black"> <span Arial",«sans-serif»">(см. рис. <span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language: EN-US">3<span Arial",«sans-serif»">),специально предусмотренное илипредставляющее собой сопротивление подводящих проводов. В зависимости отсоотношения сопротивлений R и <span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language: EN-US">1/jW<span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language: EN-US">C <span Arial",«sans-serif»">преобразовательбудет работать в разных режимах. Если R <span Arial",«sans-serif»;color:black; mso-ansi-language:EN-US">>> <span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language:EN-US">1/W<span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language: EN-US">C<span Arial",«sans-serif»; color:black"> <span Arial",«sans-serif»">илиRW<span Arial",«sans-serif»; color:black">C ><span Arial",«sans-serif»;color:black;mso-ansi-language:EN-US">><span Arial",«sans-serif»;color:black"><span Arial",«sans-serif»">1, то U<span Arial",«sans-serif»;color:black;position:relative;top:1.0pt;mso-text-raise: -1.0pt"><img src="/cache/referats/513/image030.gif" v:shapes="_x0000_i1049"><span Arial",«sans-serif»;color:black"><span Arial",«sans-serif»">изаряд конденсатора q<span Arial",«sans-serif»;color:black; position:relative;top:1.0pt;mso-text-raise:-1.0pt"><img src="/cache/referats/513/image030.gif" v:shapes="_x0000_i1050"><span Arial",«sans-serif»;color:black"><span Arial",«sans-serif»">c<span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language: EN-US">o<span Arial",«sans-serif»">nst,т. е. преобразователь работает в режимезаданного заряда. В этом случае U<span Arial",«sans-serif»;color:black;position:relative;top:5.0pt;mso-text-raise: -5.0pt"><img src="/cache/referats/513/image032.gif" v:shapes="_x0000_i1051"><span Arial",«sans-serif»;color:black"><span Arial",«sans-serif»;color:black;mso-ansi-language:EN-US">/<span Arial",«sans-serif»;color:black">C=C<span Arial",«sans-serif»;color:black; position:relative;top:5.0pt;mso-text-raise:-5.0pt"><img src="/cache/referats/513/image034.gif" v:shapes="_x0000_i1052"><span Arial",«sans-serif»;color:black"><span Arial",«sans-serif»;color:black;mso-ansi-language:EN-US">U/<span Arial",«sans-serif»;color:black">(C<span Arial",«sans-serif»;color:black; position:relative;top:5.0pt;mso-text-raise:-5.0pt"><img src="/cache/referats/513/image034.gif" v:shapes="_x0000_i1053"><span Arial",«sans-serif»;color:black"><span Arial",«sans-serif»; color:black;position:relative;top:2.0pt;mso-text-raise:-2.0pt"><img src="/cache/referats/513/image036.gif" v:shapes="_x0000_i1054"><span Arial",«sans-serif»;color:black"><span Arial",«sans-serif»;color:black;mso-ansi-language:EN-US">i<span Arial",«sans-serif»;color:black">n<span Arial",«sans-serif»;color:black; position:relative;top:2.0pt;mso-text-raise:-2.0pt"><img src="/cache/referats/513/image038.gif" v:shapes="_x0000_i1055"><span Arial",«sans-serif»;color:black"><span Arial",«sans-serif»; color:black;position:relative;top:1.0pt;mso-text-raise:-1.0pt"><img src="/cache/referats/513/image030.gif" v:shapes="_x0000_i1056"><span Arial",«sans-serif»;color:black"><span Arial",«sans-serif»;color:black;mso-ansi-language:EN-US">[<span Arial",«sans-serif»;color:black">l-(<span Arial",«sans-serif»;color:black; position:relative;top:2.0pt;mso-text-raise:-2.0pt"><img src="/cache/referats/513/image036.gif" v:shapes="_x0000_i1057"><span Arial",«sans-serif»;color:black"><span Arial",«sans-serif»; color:black;position:relative;top:5.0pt;mso-text-raise:-5.0pt"><img src="/cache/referats/513/image034.gif" v:shapes="_x0000_i1058"><span Arial",«sans-serif»;color:black"><span Arial",«sans-serif»;color:black;mso-ansi-language:EN-US">i<span Arial",«sans-serif»;color:black">n<span Arial",«sans-serif»;color:black; position:relative;top:2.0pt;mso-text-raise:-2.0pt"><img src="/cache/referats/513/image038.gif" v:shapes="_x0000_i1059"><span Arial",«sans-serif»;color:black"><span Arial",«sans-serif»;color:black;mso-ansi-language:EN-US">t] <span Arial",«sans-serif»">и выходным параметромпреобразователя является переменная составляющая напряжения U<span Arial",«sans-serif»;color:black;position:relative;top:5.0pt;mso-text-raise: -5.0pt"><img src="/cache/referats/513/image032.gif" v:shapes="_x0000_i1060"><span Arial",«sans-serif»;color:black"><span Arial",«sans-serif»">Этотрежим реализуется, в частности, на высоких частотах. Если <span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language: EN-US">R <<<span Arial",«sans-serif»;color:black"> <span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language:EN-US">1/W<span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language: EN-US">C<span Arial",«sans-serif»; color:black"> <span Arial",«sans-serif»">илиRW<span Arial",«sans-serif»; color:black">C <span Arial",«sans-serif»;color:black;mso-ansi-language:EN-US"><<<span Arial",«sans-serif»;color:black"><span Arial",«sans-serif»">1, топадение напряжения будет и <span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language:EN-US">U<span Arial",«sans-serif»;position: relative;top:5.0pt;mso-text-raise:-5.0pt;mso-ansi-language:EN-US"><img src="/cache/referats/513/image032.gif" v:shapes="_x0000_i1061"><span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language: EN-US"><span Arial",«sans-serif»;position:relative;top:2.0pt;mso-text-raise:-2.0pt; mso-ansi-language:EN-US"><img src="/cache/referats/513/image040.gif" v:shapes="_x0000_i1062"><span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language: EN-US"><span Arial",«sans-serif»; color:black">U<span Arial",«sans-serif»; color:black;position:relative;top:2.0pt;mso-text-raise:-2.0pt"><img src="/cache/referats/513/image040.gif" v:shapes="_x0000_i1063"><span Arial",«sans-serif»;color:black"><span Arial",«sans-serif»">c<span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language: EN-US">o<span Arial",«sans-serif»">nst,т. е. преобразователь работает в режиме заданногонапряжения. Для такого режима q=U(C<span Arial",«sans-serif»;color:black; position:relative;top:5.0pt;mso-text-raise:-5.0pt"><img src="/cache/referats/513/image034.gif" v:shapes="_x0000_i1064"><span Arial",«sans-serif»;color:black"><span Arial",«sans-serif»; color:black;position:relative;top:2.0pt;mso-text-raise:-2.0pt"><img src="/cache/referats/513/image036.gif" v:shapes="_x0000_i1065"><span Arial",«sans-serif»;color:black">W<span Arial",«sans-serif»; color:black">t)<span Arial",«sans-serif»;color:black;mso-ansi-language:EN-US">;<span Arial",«sans-serif»;color:black"><span Arial",«sans-serif»; color:black;mso-ansi-language:EN-US">I<span Arial",«sans-serif»;color:black">=dq<span Arial",«sans-serif»;color:black; mso-ansi-language:EN-US">/<span Arial",«sans-serif»;color:black">dt<span Arial",«sans-serif»;color:black;mso-ansi-language:EN-US">=<span Arial",«sans-serif»;color:black">U<span Arial",«sans-serif»;color:black; position:relative;top:2.0pt;mso-text-raise:-2.0pt"><img src="/cache/referats/513/image036.gif" v:shapes="_x0000_i1066"><span Arial",«sans-serif»;color:black">W<span Arial",«sans-serif»;color:black">cosW<span Arial",«sans-serif»;color:black">t <span Arial",«sans-serif»">и выходной величиной является ток. Такой режимимеет место на малых частотах.<span Arial",«sans-serif»">Припитании емкостных преобразователей переменным напряжением
<span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language:EN-US">U<span Arial",«sans-serif»;color:black">=U<span Arial",«sans-serif»;color:black; position:relative;top:5.0pt;mso-text-raise:-5.0pt"><img src="/cache/referats/513/image043.gif" v:shapes="_x0000_i1067"><span Arial",«sans-serif»;color:black"><span Arial",«sans-serif»;color:black;mso-ansi-language:EN-US">i<span Arial",«sans-serif»;color:black">n<span Arial",«sans-serif»;color:black; position:relative;top:3.0pt;mso-text-raise:-3.0pt"><img src="/cache/referats/513/image045.gif" v:shapes="_x0000_i1068"><span Arial",«sans-serif»;color:black"><span Arial",«sans-serif»">междунесущей частотой <span Arial",«sans-serif»; color:black;position:relative;top:3.0pt;mso-text-raise:-3.0pt"><img src="/cache/referats/513/image045.gif" v:shapes="_x0000_i1069"><span Arial",«sans-serif»;color:black"> <span Arial",«sans-serif»">и наибольшей частотой W<span Arial",«sans-serif»;color:black"> <span Arial",«sans-serif»">измеряемого сигналадолжно сохраняться определенное соотношение. Если изменение емкостипреобразователя, обусловленноеизмерительным сигналом, меняется по закону C=C<span Arial",«sans-serif»;color:black; position:relative;top:5.0pt;mso-text-raise:-5.0pt"><img src="/cache/referats/513/image034.gif" v:shapes="_x0000_i1070"><span Arial",«sans-serif»;color:black"><span Arial",«sans-serif»; color:black;position:relative;top:2.0pt;mso-text-raise:-2.0pt"><img src="/cache/referats/513/image036.gif" v:shapes="_x0000_i1071"><span Arial",«sans-serif»;color:black"><span Arial",«sans-serif»;color:black;mso-ansi-language:EN-US">s<span Arial",«sans-serif»;color:black">inW<span Arial",«sans-serif»;color:black">t<span Arial",«sans-serif»;color:black; mso-ansi-language:EN-US">, <span Arial",«sans-serif»;color:black">то<span Arial",«sans-serif»;color:black;mso-ansi-language:EN-US">I=d(CU)/dt<span Arial",«sans-serif»; color:black"> +<span Arial",«sans-serif»;color:black;mso-ansi-language:EN-US">UdC/dt <span Arial",«sans-serif»;color:black">или<span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language: EN-US">I =
<span Arial",«sans-serif»; position:relative;top:3.0pt;mso-text-raise:-3.0pt;mso-ansi-language:EN-US"><img src="/cache/referats/513/image047.gif" v:shapes="_x0000_i1072"><span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language: EN-US"><span Arial",«sans-serif»;position:relative;top:2.0pt;mso-text-raise:-2.0pt; mso-ansi-language:EN-US"><img src="/cache/referats/513/image049.gif" v:shapes="_x0000_i1073"><span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language: EN-US"><span Arial",«sans-serif»;position:relative;top:2.0pt;mso-text-raise:-2.0pt; mso-ansi-language:EN-US"><img src="/cache/referats/513/image051.gif" v:shapes="_x0000_i1074"><span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language: EN-US"><span Arial",«sans-serif»;position:relative;top:3.0pt;mso-text-raise: -3.0pt;mso-ansi-language:EN-US"><img src="/cache/referats/513/image047.gif" v:shapes="_x0000_i1075"><span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language: EN-US"><span Arial",«sans-serif»;position:relative;top:2.0pt;mso-text-raise: -2.0pt;mso-ansi-language:EN-US"><img src="/cache/referats/513/image053.gif" v:shapes="_x0000_i1076"><span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language: EN-US"><span Arial",«sans-serif»;position:relative;top:2.0pt;mso-text-raise: -2.0pt;mso-ansi-language:EN-US"><img src="/cache/referats/513/image049.gif" v:shapes="_x0000_i1077"><span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language: EN-US"><span Arial",«sans-serif»;position:relative;top:3.0pt;mso-text-raise: -3.0pt;mso-ansi-language:EN-US"><img src="/cache/referats/513/image047.gif" v:shapes="_x0000_i1078"><span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language: EN-US"><span Arial",«sans-serif»;position:relative;top:2.0pt;mso-text-raise: -2.0pt;mso-ansi-language:EN-US"><img src="/cache/referats/513/image055.gif" v:shapes="_x0000_i1079"><span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language: EN-US"><span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language: EN-US">+ (
<span Arial",«sans-serif»; position:relative;top:2.0pt;mso-text-raise:-2.0pt;mso-ansi-language:EN-US"><img src="/cache/referats/513/image055.gif" v:shapes="_x0000_i1080"><span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language: EN-US"><span Arial",«sans-serif»;position:relative;top:3.0pt;mso-text-raise:-3.0pt; mso-ansi-language:EN-US"><img src="/cache/referats/513/image047.gif" v:shapes="_x0000_i1081"><span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language: EN-US"><span Arial",«sans-serif»;position:relative;top:2.0pt;mso-text-raise: -2.0pt;mso-ansi-language:EN-US"><img src="/cache/referats/513/image053.gif" v:shapes="_x0000_i1082"><span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language: EN-US"><span Arial",«sans-serif»;position:relative;top:2.0pt;mso-text-raise: -2.0pt;mso-ansi-language:EN-US"><img src="/cache/referats/513/image049.gif" v:shapes="_x0000_i1083"><span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language: EN-US"><span Arial",«sans-serif»;position:relative;top:3.0pt;mso-text-raise: -3.0pt;mso-ansi-language:EN-US"><img src="/cache/referats/513/image047.gif" v:shapes="_x0000_i1084"><span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language: EN-US"><span Arial",«sans-serif»;position:relative;top:2.0pt;mso-text-raise: -2.0pt;mso-ansi-language:EN-US"><img src="/cache/referats/513/image055.gif" v:shapes="_x0000_i1085"><span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language: EN-US"> <span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language:EN-US">(<span Arial",«sans-serif»">5<span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language:EN-US">)<span Arial",«sans-serif»"><span Arial",«sans-serif»">Вэтом выражении первый член в скобках характеризует несущее колебание, второй член пропорционаленполезному измерительному сигналу, атретий член является помехой. Для сведения помехи к допускаемому значениюнеобходимо удовлетворить условию
<span Arial",«sans-serif»;position:relative; top:2.0pt;mso-text-raise:-2.0pt"><img src="/cache/referats/513/image057.gif" v:shapes="_x0000_i1086"><span Arial",«sans-serif»"><span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language:EN-US">/<span Arial",«sans-serif»;position:relative; top:3.0pt;mso-text-raise:-3.0pt;mso-ansi-language:EN-US"><img src="/cache/referats/513/image059.gif" v:shapes="_x0000_i1087"><span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language: EN-US"> << <span Arial",«sans-serif»;color:black">l.<span Arial",«sans-serif»">Посколькуемкости преобразователей малы и редко превышают 50-100 пФ,то необходимо учитывать сопротивление утечки изоляции
<span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language: EN-US">R<span Arial",«sans-serif»; position:relative;top:2.0pt;mso-text-raise:-2.0pt;mso-ansi-language:EN-US"><img src="/cache/referats/513/image061.gif" v:shapes="_x0000_i1088"><span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language: EN-US"><span Arial",«sans-serif»">,паразитную емкость С<span Arial",«sans-serif»; position:relative;top:5.0pt;mso-text-raise:-5.0pt"><img src="/cache/referats/513/image063.gif" v:shapes="_x0000_i1089"><span Arial",«sans-serif»"> между электродамии заземленными элементами, а такжесопротивление Д и индуктивность L проводящих кабелей. На Рис.8 дана эквивалентнаясхема емкостного преобразователя. Необходимость учета всех указанных фактороввозникает на достаточно высоких частотах (обычно свыше 10 МГц). Применяемые вемкостных преобразователях диэлектрики неидеальны, и им свойственныпотери.При идеальныхдиэлектриках сдвиг фазмежду током инапряжением равен <span Arial",«sans-serif»; position:relative;top:3.0pt;mso-text-raise:-3.0pt"><img src="/cache/referats/513/image065.gif" v:shapes="_x0000_i1090"><span Arial",«sans-serif»">/2, а если имеются потери, то этот сдвиг уменьшается наугол <span Arial",«sans-serif»; position:relative;top:3.0pt;mso-text-raise:-3.0pt"><img src="/cache/referats/513/image067.gif" v:shapes="_x0000