Предавател за диференциален капацитивен сензорен елемент с
Разработен е измервателен преобразувател с пропорционален изходен сигнал за диференциален капацитивен чувствителен елемент, т.е.изходното напрежение е пропорционално на съотношението на разликата в капацитетите на чувствителния елемент към тяхната сума. Преобразувателят се състои от генератор на синусоидален сигнал, интегратор, диференциатор и инвертор, а единият кондензатор на сензорния елемент е част от интегратора, а вторият е диференциатор. Изследването на прототипа показа, че относителната грешка в измерването не надвишава 1,5%.
Текст на научната работа на тема „Измервателен преобразувател за диференциален капацитивен чувствителен елемент с рациометричен изходен сигнал“
ЕЛЕКТРИКА И ЕНЕРГИЯ
ИЗМЕРВАЩ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛ ЗА ДИФЕРЕНЦИАЛЕН КАПАЦИТИВЕН СЕНЗОРЕН ЕЛЕМЕНТ С РАТИОМЕТРИЧЕН ИЗХОДЕН СИГНАЛ
В. А. КАРПОВ, В. А. ХАНАНОВ
Образователна институция "Гомелски държавен технически университет на името на П.О. Сухой",
Поради простотата на дизайна, ниската цена и яснотата на принципа на действие, капацитивните сензорни елементи се използват широко при преобразуване на такива физически величини като налягане, ускорение, ъглови и линейни измествания, ниво, дебит, влага и др. През последните години, с появата на технологията MEMB [1], капацитивните чувствителни елементи на приложението са нараснали многократно. В този случай сензорните елементи се изпълняват в диференциална връзка.
Диференциален сензорен елемент
Електрическата схема на диференциално чувствителния елемент (DCHE) [1] е показана на фиг. 1, а. В този случай стойностите на капацитетите C1 и C2 се променят, както следва:
Като информативен параметър X DCHE се търси сигнал, пропорционален на съотношението на разликата в капацитетите на сензора към неговата сума:
C - C2 = AC C + C C
Такова представяне на информативния параметър се нарича рациометричен, т.е. изходният сигнал на измервателния преобразувател за DCHE трябва да има рациометричен изход (фиг. 1, б).
Фигура: 1. Електрическа верига на DCHE: а - общ изглед; b - измервателен преобразувател за DCHE
Този подход за формиране на изходния сигнал може значително да намали температурните грешки, да увеличи линейността и динамичния диапазон на преобразуване. В допълнение, това дава възможност да се гарантира линейността на преобразуването, независимо от това кой параметър на чувствителния елемент се влияе от физическото количество. Всъщност нека С0 има формата:
Тогава промяната в електрическия капацитет на променлив ток под въздействието на физическа величина може да бъде представена по следния начин:
AC = -C AO + ^ C ° m + ^ C ° Av до да dv
AC = BB ° AO + Av - 88? Айо.
Относителната промяна AC/C0 или пропорционалният параметър има формата:
Откъдето може да се види, че информативният параметър X е пропорционален на относителната промяна в трите параметъра на DFE, която може да бъде повлияна от преобразуваното количество (Oo, s, d0).
Преглед на съществуващите предаватели
Известни измервателни преобразуватели (MT) за DCHE с изходно съотношениеметричен сигнал [2], [3], направени под формата на мост с електронно съотношение на рамената E, -E (фиг. 2, а), DCHE и напрежение последовател, базиран на операционен усилвател (OU). Този IP обаче има допълнителни
конструктивни трудности. Факт е, че капацитивните SE имат значителни паразитни капацитети от 10-20 pF, при работни честоти /> 50 kHz тяхното съпротивление е на ниво 1-100 MΩ, тоест това са високоустойчиви елементи, подложени на смущения. За да се предотврати този ефект, веригите, свързващи електродите 1, 2, 3 DCHE и IP, се поставят в заземен електростатичен екран. Въпреки това, електрод 2 (фиг. 2, а) е натоварен на входа за високо съпротивление на уреда, така че простото екраниране не помага. Използва се допълнителен щит, за да се осигури приемлива устойчивост на шум. Външният екран е заземен, докато вътрешният екран с помощта на ретранслатор е в потенциала на средния електрод 2 DCHE. По този начин паразитният капацитет не влияе на изходния сигнал, тъй като в него няма спад на напрежението. Отбелязаното обстоятелство обяснява добре известната конструктивна сложност на тази МТ, особено със значително разстояние от РМЕ от МТ.