Системы автоматического контроля

    Однако использование источников ядерного излучения всегда связано с необходимостью защиты обслуживающего персонала от воздействий излучения. Меры защиты от излучения источников установлены  специальными правилами. Поэтому радиоактивные датчики необходимо применять только тогда, когда другие датчики не могут решить поставленных задач, либо когда применение их дает существенные преимущества в надежности и точности измерений. 

    2.7. Емкостные датчики

    Принцип действия емкостной измерительной  системы основан на том, что с изменением размера контролируемой детали меняется емкость конденсатора датчика. Измеряя тем или иным способом эту емкость, можно судить о размере изделия.

    Механическое  перемещение преобразовывается  в изменение емкости чаще всего двумя способами: 1) изменением расстояния между пластинами и 2) изменением площади S пластин, составляющих конденсатор.

    Рассмотрим  принципиальную схему емкостного датчика (рис.27).

    

Рис. 27. Схема емкостного датчика с изменением расстояния между плоскими пластинами 

     Электрод 1   неподвижен,   а другой электрод 2 подвижен и связан с измерительным наконечником 3, контактирующим с измеряемой деталью 4. Емкость конденсатора

    

;

где S —площадь пластин конденсатора; — диэлектрическая проницаемость среды между электродами конденсатора. Средой между электродами конденсатора в большинстве случаев служит воздух.

     Рассмотрим  еще один тип емкостных датчиков – датчик с изменением площади  перекрытия пластин конденсатора (рис. 28).

     Емкость этого  датчика зависит от угла перекрытия пластин  . 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рис. 28. Емкостной датчик с изменением площади поворотных пластин 

    Недостатком емкостных датчиков является относительно большое выходное сопротивление, что требует тщательной экранировки подводящих кабелей и усложняет схему измерения.

    Достоинства емкостных датчиков:

1. могут использоваться для измерения чрезвычайно малых перемещений (менее 1 мкм), и в тоже время, для измерения больших расстояний (до нескольких метров);
2. для перемещения пластин требуется очень малая сила по сравнению с другими датчиками перемещения.

 
 
 
 

    Итак, ознакомившись с принципом работы различных датчиков, а также с  их преимуществами и недостатками, выбираем конкретный тип датчика, который будет установлен на измерительной позиции.

    Проанализировав возможность использования того или иного типа датчика, принимаем  решение о выборе емкостного датчика, поскольку его наиболее рационально использовать для измерения малых перемещений или величин, преобразуемых в перемещения что, и требуется в данной работе.

    Немаловажными факторами, определившими выбор  данного типа датчика, являются: его высокая чувствительность (до 500 В в 1 мм), линейность, малые погрешности и одновременно простота конструкции. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. Электроемкостные  датчики. Расчет электоемкостных датчиков 

     3.1. Типы, измерительные  схемы и конструкции емкостных датчиков

     Типы  емкостных датчиков.

     Рассмотрим  более подробно тип датчика с  изменением расстояния между пластинами (рис.29)

     

 

     Рис.29. Емкостной датчик с изменением расстояния между пластинами

     Дифференциальный  емкостный датчик состоит из трех пластин: две из них Р₁ и Р₂ закреплены неподвижно, а между ними помещается подвижная пластина М. Все три пластины вместе образуют два конденсатора С₁ и С₂. Когда пластина М расположена точно между пластинами Р₁ и Р₂, емкости конденсаторов С₁ и С₂ равны. Если средняя пластина под воздействием приложенной силы переместится на величину ∆, то величины емкостей С₁ и С₂ будут

     

     Измерительный прибор измеряет разницу емкостей С₁ и С₂. 
Обычно напряжение питания U прикладывается между пластинами 
Р₁ и Р₂, а разность напряжений измеряется на конденсаторах С₁ и С₂. Эти напряжения составят

     

     или

     

     Поэтому разность напряжений

     

     Зависимость между выходным сигналом и перемещением средней пластины ∆ линейна и не зависит от площади пластин конденсатора или диэлектрической постоянной. Следовательно, величина напряжений U₁ и U₂ изменяется линейно в зависимости от перемещения ∆ средней пластины.

     Характерным представителем датчиков с переменной площадью пластин является датчик с поворотными пластинами (рис.28). емкость конденсатора в данном случае будет

     

.

       Здесь можно видоизменить характеристику датчика подбором соответствующей формы одной или обеих пластин.

     Следует иметь в виду, что вообще чувствительность емкостного датчика любого типа может быть повышена увеличением числа пластин.

     На  рис. 30 показан еще один тип емкостного датчика с выдвижными цилиндрами.

     

 

     Рис. 30. Емкостной датчик с изменением площади выдвижных цилиндров 

     Формула емкости для данного типа датчика следующая

     

     Емкостные датчики могут использоваться для измерения чрезвычайно малых перемещений (менее 0,1 ), т. е. расстояний, равных диаметру атома водорода. В то же время емкостные датчики могут применяться и для измерения больших расстояний (до нескольких м). Для перемещения пластин требуется очень малая сила по сравнению с другими датчиками перемещений. Сила притяжения между пластинами конденсатора

     

где U — разность потенциалов между двумя пластинами.

Если  емкостный датчик состоит из двух пластин площадью 2 см², которые удалены на 1 мм и подключены к источнику питания напряжением 100 в, то сила притяжения между пластинами, т. е. сила, требующаяся для перемещения пластин на бесконечно малую величину, приблизительно равна 0,1 Г.

     Зависимость емкости конденсатора от расстояния между пластинами имеет гиперболический  характер (рис. 31).

 
 
 
 
 

     Рис. 31.  Характеристика емкостного преобразователя

     Измерительные схемы емкостных  датчиков.

     При включении дифференциального емкостного датчика в мостовую схему, подобную представленной на рис. 32, а для двух частей конденсатора, включенных в два верхних плеча моста, получаем

       

     а их реактивные сопротивления соответственно

     

     где -  частота питающего напряжения.

     При перемещении средней обкладки на величину ∆ эти сопротивления  будут

     

     так как нулевая точка принята  при среднем положении обкладки, и сопротивления в нижних плечах равны R.

     Подставляя  значения и в уравнения для напряжения по диагонали моста, находим

     

,

     где U – напряжение питания. Отсюда

     

     После преобразования получаем

     

 

     где через A,B,D для сокращения обозначены не зависящие от ∆ величины

     

     Пренебрегая членом как малой величиной, имеем

     

     Так как                              

     то  принимая                      

     получим D = 0, что даст практически совершенную прямолинейность

     

     

     

     Рис. 32. Измерительные схемы емкостных датчиков: а, б – мостовая; в – резонансная; г – компенсационная 

     Практически мостовая схема для емкостного датчика  обычно имеет вид, представленный на рис. 32, б. Схема через трансформатор питается от генератора высокой частоты. При среднем положении подвижной пластины дифференциального емкостного датчика С_х потенциалы на сетках ламп Л₁ и Л₂, создаваемые падением напряжения на сопротивлениях, одинаковы, т. е. внутренние сопротивления обеих ламп тоже одинаковы. При этом мост уравновешен и гальванометр Г покажет отсутствие тока в измерительной диагонали. Реохорд служит для регулирования начального равновесия моста при неидентичных характеристиках электронных ламп. Постоянным напряжением смещения U_co устанавливается необходимое начальное положение (на линейной части характеристики) рабочих точек одновременно обеих ламп. При смещении средней пластины от начального положения потенциал на сетке одной лампы увеличивается, а на сетке другой уменьшается. Мост разбалансируется, и гальванометр даст отклонение, пропорциональное перемещению подвижной пластины емкостного датчика. Применение электронных ламп повышает чувствительность схемы.

     Может применяться и резонансная схема (рис. 32, в). Генератор 1 высокой частоты питает индуктивно связанный с ним контур, состоящий из катушки самоиндукции, переменного конденсатора настройки С и емкостного датчика С_х. Напряжение U, снимаемое с контура, усиливается усилителем 2 и измеряется гальванометром 3. С помощью конденсатора настройки контур при среднем положении подвижной пластины емкостного датчика настраивается на частоту, близкую к резонансной с частотой генератора ток, чтобы напряжение, снимаемое с контура, равнялось примерно половине напряжения при резонансе U_р. При этом рабочая точка N характеристики схемы, показанной на рис. 32, в, находится на линейной части половины резонансной кривой. Этим обеспечивается линейная зависимость и однозначность показаний гальванометра в функции от изменения емкости ∆С_х датчика при перемещении его подвижной пластины и, кроме того, достигается устойчивость работы схемы. По этим соображениям положение рабочей точки в точке N  выгоднее, чем в точке М, хотя напряжение на выходе схемы и будет вдвое меньше.

     Работой на резонансном участке характеристики достигается высокая чувствительность схемы. Небольшое изменение положения подвижной пластины датчика вызывает резкое изменение выходного напряжения, снимаемого со схемы.

     Параметры контура L — С, С_х при известной емкости С_х датчика и при пренебрежении величиной активного сопротивления катушки индуктивности могут быть легко выбраны из условия резонанса

     

     где - частота резонанса контура, равная частоте генератора, питающего схему.

     Применяется также компенсационная схема, представленная на рис. 32, г. Датчик D питается напряжением частотой 500 гц от вспомогательного генератора. Вторичная обмотка трансформатора Тр одним концом включена в сетку первой лампы усилителя Л, другим в движок реохорда. Если якорь датчика отклонится от нейтрали, то на вторичной обмотке трансформатора появится напряжение, которое после усиления заставит двигатель М перемещать движок реохорда до тех пор, пока напряжение на нем относительно нулевой точки не будет равно напряжению на вторичной обмотке. Точность измерителя равна ± 1 мкм.  

      В настоящей работе применяем дифференциальный емкостный датчик с двумя неподвижными пластинами, включенными в мостовую схему, показанный на рис. 33.