Физические основы и область применения электростатических преобразователей

Исследование электростатического эффекта

На примере емкостного

Чувствительного элемента

Методическое указание к лабораторной работе по дисциплине

«Физические основы получения информации»

Казань 2010

Министерство образования и науки Российской Федерации

Казанский национальный исследовательский Университет

им. А.Н. Туполева – КАИ

Кафедра приборов и информационно-измерительных систем

Исследование электростатического эффекта на примере емкостного

Чувствительного элемента

Методическое указание к лабораторной работе по дисциплине

«Физические основы получения информации»

Авторы составители: А. А. Порунов

В.В. Солдаткин

Казань 2010

лабораторная работа №2

Исследование электростатического эффекта на примере емкостного чувствительного элемента

Цель работы – изучение электростатического эффекта на примере емкостного чувствительного элемента, основных электрических и конструкционных свойств, принципов преобразования входной величины в изменение емкости, характеристики параметров емкостных чувствительных элементов; экспериментальное и теоретическое исследование емкостного чувствительного элемента с двумя плоскими электродами.

СОДЕРЖАНИЕ работы

1. Краткие сведения из материала лабораторной работы.

2. вывод по теоретической части лабораторной работы.

3. Экспериментальное исследование емкостного чувствительного элемента, согласно программы экспериментальных исследований.

4. Анализ полученных результатов и выводы.

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА, принципы преобразования

Входной величины в изменение емкости,

Характеристики и параметры

Физические основы и область применения электростатических преобразователей

Простейший электростатический (ЭС) преобразователь содержит два электрода площадью S, параллельно расположенных на расстоянии d в среде с диэлектрической проницаемостью и определяется без учета краевого эффекта его емкостью С

С = , (2.1)

током и энергией электрического поля , где = 8,854167818·10^-12 А·с/В·м – диэлектрическая постоян­ная; – относительная (безразмерная) диэлектрическая проница­емость среды между обкладками конденсатора (для воздуха ≈ 1); Q – площадь перекрытия пластин; d – расстояние между пласти­нами. Практически для расчета емкости С используют только 2…4 значащие цифры значения , площадь перекрытия Q и расстоя­ние d удобно оценивать в миллиметрах, а емкость С – в пикофарадах (1 пФ = 10^-12 Ф), тогда выражение (2.1) принимает вид

С = 8,85·10^-3 Q/d. (2.2)

С электрической стороны преобразователь характеризуется напряжением между пластинами, зарядом , где С – емкость, равная при плоскопараллельном расположении пластин

Очевидно, изменения параметров конденсатора , Q и d приводят к изменениям его емкости. В зависимости от того, какой из параметров , Q и d является функционально переменным, принципы преобразования входной неэлектрической величины в изме­нение емкости существенно различны [1-6]. Через изменения па­раметров Q и d преобразуют линейные и угловые перемещения.

При вводе в конструкцию емкостного чувствительного элемента (ЧЭ) пружинящего эффекта стано­вятся возможными преобразования усилий, ускорений, амплитуда и частоты вибраций. Через изменения параметра преобразуются перемещения твердого диэлектрика или уровень жидкости между электродами, а также свойства материала или вещества между электродами.

Если одна из пластин (или диэлектрик между ними) имеет возможность перемещаться, то с механической стороны преобразователь характеризуется жесткостью подвеса подвижной пластины, перемещением ее х, скоростью перемещения и электростатической силой притяжения

Выходной величиной электростатического преобразователя может быть:

а) изменение емкости С;

б) сила ;

в) ЭДС, генерируемая при взаимном перемещении электродов, находящихся в электрическом поле.

Для ЭС преобразователей, в которых изменяется емкость, входными величинами могут быть механическое перемещение, изменяющее зазор или площадь, или изменение диэлектрической проницаемости ε под действием изменения температуры или состава диэлектрика.

ЭС преобразователи с изменяющейся емкостью (называемые в этом случае емкостными) используются в различных датчиках прямого преобразования, а также как преобразователи неравновесия в датчиках уравновешивания. Емкостные преобразователи работают на переменном токе несущей частоты , которая должна значительно превышать наибольшую частоту изменения емкости под действием измеряемой величины. В качестве емкостных преобразователей используются также запертые р-п-переходы: р и п-области играют роль пластин, разделенных обедненным слоем, ширина которого d, а соответственно и емкость р-п-перехода изменяются под действием приложенного напряжения. Эти полупроводниковые элементы называются варикапами.

Для ЭС преобразователей с выходной величиной в виде силы входной величиной является напряжение. Эти преобразователи используются в электростатических вольтметрах, а также в датчиках уравновешивания в качестве обратных преобразователей давления.

Если емкость изменяется по известному закону, например (где – частота изменения емкости), то ЭС преобразователь используется в емкостных модуляторах и измерителях поверхностных зарядов (генераторный режим). ЭС преобразователь емкостного модулятора в зависимости от постоянной времени RC-цепи (рис.2.1) может работать в режиме заданного заряда при и заданного напряжения при .

Рис.2.1

Эквивалентная схема ЭС преобразователя показанного на рис.2.2,а, приведена на рис.2.2,б. В эквивалентной схеме учитываются емкость С₀ между электродами 1 и 2, сопротивление изоляция между электродами, сопротивление и индуктивность кабеля K, а также паразитная емкость С_П между электродами и заземленными деталями конструкции и между жилой кабеля K и его заземленным экраном Э.

а) б) в)

Рис.2.2

В эквивалентной схеме ЭС преобразователя с диэлектриком должны быть учтены потери, из-за которых в ЭС преобразователе сдвиг фаз между напряжением и током оказывается меньше на угол потерь .

В конденсаторах с диэлектриком угол потерь значительно больше и может зависеть от напряжения на конденсаторе, частоты, температуры и влажности. Следовательно, на этом принципе строятся измерителя влажности.

В некоторых случаях при наличии диэлектрика между электродами преобразователя приходится считаться с тем, что после поляризации диэлектрики еще в течение какого-то времени (0,1…2 с) сохраняют заряд (абсорбция), что приводят к остаточным напряжениям, достигающим нескольких процентов от значения приложенного напряжения, которое также необходимо учитывать. Поэтому полная эквивалентная схема ЭС преобразователя может быть представлена в виде рис.2.2,в.

При работе ЭС преобразователей на постоянном токе нужно учитывать существующую между электродами контактную разность потенциалов, включаемую в эквивалентной схеме последовательно с емкостью, которая зависит от природы материалов, свойств и чистоты.

допустимое напряжение на конденсаторе определяется значением напряженности, при которой наступает пробой воздушного промежутка. Для воздуха при нормальном давлении и зазорах между пластинами 0,1…10 мм эта напряженность составляет 2…3 кВ/мм. При зазорах, меньших 0,1 мм, можно не снижать напряжения, так как при напряжениях, меньших 350В, воздушный промежуток вообще не пробивается независимо от длины зазора.

Зависимость емкости определяется диэлектрической проницаемостью, изменением зазора и площади перекрытия пластин. Поэтому при конструировании ЭС преобразователей должны быть тщательно продуманы вопросы крепления электродов и защиты от внешних условий.

Одной из основных причин изменения зазор является изменение геометрических размеров, вызываемых линейным расширением материалов под действием температуры.

Конструкционные материалы и исполнения емкостных ЧЭ весьма разнообразны в зависимости от назначения, условий эксплуатации и принципа преобразования. Естественно, пластины-электроды – элект­ропроводящие и между ними находится диэлектрик. Для электродов используют различные сплавы меди, алюминия и других металлов. В качестве изоляционных материалов применяют стекло и керамику. Особо высокие требования к материалам, технологии и условиям производства возникают при изготовлении емкостных ЧЭ с изменяе­мым малым до 10 мкм зазором d. Во избежание большой темпера­турной погрешности все материалы такого ЧЭ должны иметь малые и близкие по значению температурные коэффициенты линейного расши­рения. Методические и инструментальные погрешности из-за темпе­ратурных изменений свойств исследуемых материалов и самого ем­костного ЧЭ составляют несколько десятых долей процента или да­же несколько процентов.

Общими для емкостных ЧЭ всех принципов преобразования дос­тоинствами являются:

- широкий частотный диапазон 0…10⁵ Гц;

- вы­сокая надежность работы в сложных условиях эксплуатации;

- устой­чивость к высоким температурам;

бесконтактность (отсутствие электромеханических контактов с износом от трения).

Общие недо­статки емкостных ЧЭ:

- выходная величина в виде малого изменения емкости, что требует коротких соединительных проводов между ЧЭ и вторичным преобразователем и изменения специальных вторичных преобразователей емкости ЧЭ в более практикуемые электрические измерительные сигналы в виде напряжения, тока или частоты;

- не­линейности при первичных и вторичных преобразованиях;

- большое внутреннее сопротивление реактивного характера. Для уменьшения емкостного сопротивления ЧЭ частоту питающего напряжения выби­рают не менее 500... 1000 Гц и чаще 10⁵...10⁷ Гц.