Емкостные датчики положения и перемещения

Емкостные датчики используются для определения положения и перемещения положения, а также входят в состав других датчиков, в которых перемещение вызывается воздействием различных сил (давления, температуры). Получили широкое применение возможностью измерять перемещение объектов изготовленных из различных материалов.

А-площадь пластин конденсатора;

Х- расстояние между пластинами.

Из выражения следует что плоскость обратно пропорциональна между пластинами.

Принцип действия основан на изменении расстояния между пластинами, либо на изменении емкости за счет размещения между пластинами различных материалов электропроводных или диэлектрических. Изменение емкости преобразуется в переменный электрический сигнал.

Виды емкостных датчиков:

- однополярные датчики (один конденсатор);

- дифференциальные датчики (два конденсатора);

- мостовые датчики (4 конденсатора).

В дифференциальных или мостовых датчиках один или два конденсатора (постоянными или переменными) включены на встречу друг другу.

На рисунке рассматриваются три пластины одинаковой площади (рис. а), эти пластины формируют два конденсатора С₁ и С₂. На две крайние пластины подаются одинаковые синусоидальные сигналы но с разностью фаз равной 180°. Оба конденсаторы одинаковы, а токи проходящие через них взаимно уничтожают друг друга и потенциал центральной пластины равен 0. Когда центр пластины сместится вниз на расстояние Δх то приведет к изменению емкости конденсатора.

При этом амплитуда на центре пластин будет пропорциональна величине перемещения Δх, а фаза – направлению движения.

а) уравновешенное состояние;

б) неуравновешенное состояние.

Рисунок – Принцип действия емкостных датчиков с плоскими пластинами

Амплитуду выходного сигнала тока можно найти из выражения:

Выходное напряжение практически линейно зависит от перемещения. ΔС/С соответствует исходному рассогласованию двух конденсаторов и является основной причиной возникновения напряжения смещения выходного сигнала.

На практике при измерении электропроводного сигнала часто играет роль пластина конденсатора.

Рисунок – Емкостной датчик с экранирующим кольцом

На рисунке показана схема однополярного емкостного датчика, в котором одна из пластин конденсатора соединена с центральным проводником коаксиального кабеля, а другой пластиной является поверхность объекта. Пластина датчика окружается заземленным экраном, что улучшает линейность и уменьшает помехи. Типовой емкостной датчик работает на частоте 3 МГц и может обнаруживать перемещение быстродействующих обьектов.

Емкостной датчик хорошо работает с непроводящими объектами, но при этом точность ухудшается.