Основные типы емкостных измерительных преобразователей
электростатического притяжения между пластинами.
А) Изменение перекрытия пластин
Данное регулирование происходит за счет смещения пластин друг относительно друга.
, где 
- площадь перекрытия, 
- ширина пластины, 
- длина перекрытия пластин
Без учета краев эффектов
Чувствительность
Отсюда следует, что при уменьшении 
увеличивается чувствительность изменения состояния
Рисунок 2
Б) Изменение расстояния между электродами
Изменять емкость конденсатора можно также регулированием расстояния между электродами.
Чувствительность
Рисунок 3
Для увеличения чувствительности необходимо уменьшить 
,так как зависимости между параметрами квадратичная. Единственным ограничением является возможность пробоя диэлектрика.
Такая схема может использоваться для измерения перемещения
В) Изменение относительной диэлектрической проницаемости
Данный вид регулирования позволяет выполнять очень широкий спектр измерений, так как основан на изменении состава веществ между обкладками, в ниже рассмотренном пункте происходит перемещение диэлектрика с другой диэлектрической проницаемости между электродами.
Рисунок 4
Чувствительность
Рисунок 5
Также возможно регулирование за счет нагрева диэлектрической среды, при этому необходимо следить, чтобы расстояние между обкладками не увеличивалось.
|
|
|
TKE – температурный коэффициент емкости
Для керамических диэлектриков TKE может достигать ±2000 1/°c.
Схемы включения емкостных измерительных пробразователей
Емкости большинства преобразователей составляют 10 – 100 пФ, и поэтому даже при относительно высоких частотах напряжения питания (105–107) их сопротивления велики и равны Ом. Выходные мощности емкостных преобразователей малы, и в измерительных цепях необходимо применение усилителей. Допустимые значения напряжения питания емкостных преобразователей достаточно велики, и напряжения питания, как правило, ограничивается не возможностями преобразователя, а условиями реализации измерительной цепи.
Для работы с емкостными преобразователями применяют измерительные цепи, в основу которых положены различные структуры – делители напряжения, измерительные мосты, емкостно-диодные цепи, резонансные контуры.
А) Дифференциальные схемы
Рисунок 6
Представлена емкостно-диодная измерительная цепь дифференциального датчика с заземленной пластиной. Емкости датчика С1и С2подсоединены к источнику переменного напряжения с помощью четырех диодов и двух дополнительных конденсаторов С3 .
|
|
|
При неравенстве емкостей С1и С2токи через конденсаторы С3, текущие в положительном и отрицательном направлениях, будут не равны между собой. Вследствие этого на конденсаторах С3появится постоянное напряжение, которое и является выходным.
Рисунок 7
На основе дифференциального емкостного преобразователя строится емкостные фазовращатели.
Рисунок 8
Двухфазный емкостный фазовращетель позволяет получить сдвиг фазы выходного сигнала ±45°.
Аналигичным образом строятся трех и более фазные фазовращатели.
Б) Недифференциальные схемы с использованием резонансной цепи
Приведены измерительные цепи с резонансными контурами. Цепи питаются от источников со стабильной частотой w0. При изменении емкостиС преобразователя (рис.6, а) сопротивление контура изменяется по резонансной кривой (рис.6, б) и при достигает максимума.
На склонах резонансной кривой может быть выбран участок, более или менее приближающийся к линейному.
Рисунок 9
Рисунок 10
Рисунок 11
|
|
|
Применение
Precision positioning
One of the more common applications of capacitive sensors is for precision positioning. Capacitive displacement sensors can be used to measure the position of objects down to the nanometer level. This type of precise positioning is used in the semiconductor industry where silicon wafers need to be positioned for exposure. Capacitive sensors are also used to pre-focus the electron microscopes used in testing and examining the wafers.
Disc drive industry
In the disc drive industry, capacitive displacement sensors are used to measure the runout (a measure of how much the axis of rotation deviates from an ideal fixed line) of disc drive spindles. By knowing the exact runout of these spindles, disc drive manufacturers are able to determine the maximum amount of data that can be placed onto the drives. Capacitive sensors are also used to ensure that disc drive platters are orthogonal to the spindle before data is written to them.
Precision thickness measurements
Capacitive displacement sensors can be used to make very precise thickness measurements. Capacitive displacement sensors operate by measuring changes in position. If the position of a reference part of known thickness is measured, other parts can be subsequently measured and the differences in position can be used to determine the thickness of these parts.[5] In order for this to be effective using a single probe, the parts must be completely flat and measured on a perfectly flat surface. If the part to be measured has any curvature or deformity, or simply does not rest firmly against the flat surface, the distance between the part to be measured and the surface it is placed upon will be erroneously included in the thickness measurement. This error can be eliminated by using two capacitive sensors to measure a single part. Capacitive sensors are placed on either side of the part to be measured. By measuring the parts from both sides, curvature and deformities are taken into account in the measurement and their effects are not included in the thickness readings.
The thickness of plastic materials can be measured with the material placed between two electrodes a set distance apart. These form a type of capacitor. The plastic when placed between the electrodes acts as a dielectric and displaces air (which has dielectric constant of 1, different from the plastic). Consequently the capacitance between the electrodes changes. The capacitance changes can then be measured and correlated with the material's thickness.[6]
|
|
|
Capacitive sensors circuits can be constructed that are able to detect changes in capacitance on the order of a 10−5 picofarads (10 attofarads).
Non-conductive targets
While capacitive displacement sensors are most often used to sense changes in position of conductive targets, they can also be used to sense the thickness and/or density of non-conductive targets as well.[4] A non-conductive object placed in between the probe and conductive target will have a different dielectric constant than the air in the gap and will therefore change the Capacitance between probe and target. (See the first equation above) By analyzing this change in capacitance, the thickness and density of the non-conductor can be determined.
Machine tool metrology
Capacitive displacement sensors are often used in metrology applications. In many cases, sensors are used “to measure shape errors in the part being produced. But they also can measure the errors arising in the equipment used to manufacture the part, a practice known as machine tool metrology”.[7] In many cases, the sensors are used to analyze and optimize the rotation of spindles in various machine tools, examples include surface grinders, lathes, milling machines, and air bearing spindles.[8] By measuring errors in the machines themselves, rather than simply measuring errors in the final products, problems can be dealt with and fixed earlier in the manufacturing process.
Assembly line testing
Capacitive displacement sensors are often used in assembly line testing. Sometimes they are used to test assembled parts for uniformity, thickness or other design features. At other times, they are used to simply look for the presence or absence of a certain component, such as glue.[9] Using capacitive sensors to test assembly line parts can help to prevent quality concerns further along in the production process.
склонах резонансной кривой может быть выбран участок, более или менее приближающийся к линейному
Dynamic Motion
vibration sensingMeasuring the dynamics of a continuously moving target, such as a rotating spindle or vibrating element, requires some form of noncontact measurement. Capacitive sensors are ideal when the environment is clean and the motions are small, requiring high-resolution measurements. Lion Precision capacitive sensors also have high frequency response (15 kHz) to accommodate high-speed motion.
Преобразователи с использованием зависимости С = f1 (e) применяются для измерения уровня жидкостей, влажности веществ, толщины изделий из диэлектриков и т.д. Для примера дано устройство преобразователя емкостного уровнемера. Емкость между электродами, опущенными в контролируемый сосуд, зависит от уровня жидкости, так как изменение уровня ведет к изменению диэлектрической проницаемости среды между электродами. Изменением конфигурации пластин можно получить желаемый характер зависимости показаний прибора от объема (массы) жидкости.
Производители
На рынке широко представлен американский производитель преобразователей Lion Precision.
High-performance capacitive sensors generally consist of an electronics module and probe which is connected to the module by a cable. These systems are available in different configurations and price points.
The Elite Series capacitive sensors feature a modular design in which single or multiple channels of electronics modules are enclosed in a modular rack.
The CPL230 Multi-Channel Driver contains from one to six capacitive sensor channels in a small box with no user controls.
TheCPA100 is a lower cost capacitive sensor.
Еще стоило бы отметить американского производители MTI Instruments, Inc., Mouser Electronics, BARKSDALE , индийского производителя MICRO-EPSILON, японский производитель OMRON.
Заключение
Емкостный измерительный преобразователь является весьма простым и многофункциональным прибором, что является весомым преимуществом. Так можно было заметить его широкое применение, начиная от производства полупроводников и заканчивая производством жестких дисков. По сравнению с индуктивными измерительными приборами весьма требователен к частоте среды применения, но при этом обладает большей точностью. Среди производителей стоит отметить большое количество американских производителей и отсутствие отечественных. Таким образом, малая масса и размеры в совокупности с простотой получения заданной функции преобразователя делают его весьма эффективным, хотя стоит не забывать, что возникают большие трудности с паразитными емкостями и высоким требованиям к среде применения.
Дата добавления: 2018-11-24; просмотров: 256; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!