Исследование емкостно-диодной измерительной схемы

МИНИСТЕРСТВО  НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ  РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственное образовательное учреждение высшего  профессионального образования

УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДРАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра «Измерительно-вычислительные комплексы» 
 
 

Курсовая  работа

     по  дисциплине  «Технология измерительного эксперимента»

на тему: «Исследование емкостно-диодной измерительной схемы» 
 
 
 
 

Выполнил  студент группы МПд – 51

Саушкин А.И.

Проверил  преподаватель

Шивринский В.Н. 
 
 

Ульяновск 2010

Оглавление.

 
 
 

Введение

    Современная информационно-измерительная техника  располагает средствами измерения  различных физических величин –  электрических, магнитных, тепловых, акустических, механических и т. д.

    Подавляющее большинство этих величин в процессе измерения преобразуется в величины электрические, как наиболее удобные  для передачи, усиления, математической обработки и точного измерения. Поэтому в современной измерительной технике находят широкое применение преобразователи разного рода физических величин в электрические величины.

    Измерительное преобразование представляет собой  отражение размера одной физической величины размером другой физической величины, функционально с ней  связанной. Применение измерительных  преобразований является единственным методом практического построения любых измерительных устройств. Измерительный преобразователь – это техническое  устройство, построенное на определенном физическом принципе действия, выполняющее одно частное преобразование.

    В данной курсовой работе рассматривается  и исследуется емкостно – диодная  измерительная схема преобразователей перемещения и уровня. Подробно описан принцип работы и область применения. Даны амплитудно – частотные характеристики схемы.  
 
 
 
 
 
 
 
 

    Постановка  задачи

    Обзор существующих емкостно-диодных  схем и преобразователей.

    Электростатический  преобразователь (ЭС) представляет собой  два или несколько тел, между которыми действует электрическое поле.

    Простейший  ЭС содержит два электрода площадью S , параллельно расположенных на расстоянии d в среде с диэлектрической проницаемостью e .

    С электрической стороны преобразователь  характеризуется напряжением U между пластинами, током

    i = dq/dt                                                                   (1)

зарядом

    q = CU                                                                    (2)

где С – емкость, равная при плоскопараллельном расположении пластин

    C = eS/d                                                                    (3)

энергией  электрического поля

    W_э = qU/2 = CU ²/2                                                      (4)

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

    v = dx/dt                                                             (5),

    электростатической  силой притяжения

    f_эс = dW_э/dx                                                            (6)

    В качестве ЭС преобразователей используются также запертые p – n - переходы: p -и n - области играют роль пластин, разделенных обедненным слоем, ширина d которого возрастает при увеличении запирающего напряжения.

    Взаимосвязь механической и электрической сторон преобразователя отражается уравнениями:

    dF = wx + E₀C₀ u                                                    (7);

    dq = E₀C₀ x + C₀ u                                                   (8).

    Эти уравнения даны в предположении, что u и x малы по сравнению с начальными напряжением и зазором и, следовательно, емкость C₀ и напряженность поля E₀ постоянны. Из приведенных уравнений видно, что любое воздействие с механической стороны меняет электрическое состояние преобразователя и, наоборот, изменение электрического поля приводит к изменению механических характеристик. Коэффициент электромеханической связи k_эм = E₀C₀   (9). Эта взаимосвязь должна учитываться при применениях ЭС преобразователей.

    Таким образом, изменение емкости посредством  механических воздействий можно  производить путем изменения  зазора d , площади S , материала диэлектрика (e), а также изменения e за счет механических деформаций диэлектрика.

    Выходной  величиной электростатического преобразователя может быть:

    а) изменение емкости C

    б) сила f_эс

    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 e под действием изменения температуры или состава диэлектрика.

    Эквивалентная схема ЭС преобразователя, схематическая конструкция которого показана на рис. 1, а, приведена на рис. 1, б. В эквивалентной схеме учитываются емкость C₀ между электродами 1 и 2, сопротивление R_ут изоляции между электродами, сопротивление r и индуктивность L кабеля К, а также паразитная емкость  C_П между электродами и заземленными деталями конструкции и между жилой кабеля К и его заземленным экраном Э.

    Влияние отдельных элементов схемы учитывается  в зависимости от конкретных обстоятельств. Так, при работе на низкой частоте  сопротивление конденсатора велико и влияние индуктивности и  сопротивления ввода не сказывается. При работе на высоких частотах сопротивление конденсатора падает, и большую роль начинают играть индуктивность и сопротивление ввода, в то время как  шунтирующее действие сопротивления утечки перестает сказываться. В этом случае удобнее последовательная эквивалентная схема преобразователя (рис. 1, в), где

    r_экв =  r         и         С_экв = С₀ + С_П                                       (10)

    Влияние сопротивления утечки может выть учтено соответствующей добавкой в сопротивлении

    r_экв = r + 1/ (w² C ²_эквR_ут)                                              (11)

    Эффективная емкость С_w на высокой частоте оказывается за счет индуктивности L больше емкости С_экв ибо

    С_w = C_экв /(1 – w²LC_экв)                                                (12)

    Действие  индуктивности токоподводов начинает сказываться обычно на частотах свыше 10 МГц.

    В эквивалентной схеме ЭС преобразователя с диэлектриком должны быть учтены потери в последнем. Из-за потерь в ЭС преобразователе сдвиг фаз между напряжением и током оказывается меньше p/2 на угол потерь d.

    Последовательная  и параллельная схемы, учитывающие  потери в диэлектрике, представлены на рис. 1, г. Эквивалентные сопротивления для этих схем выражают часто через приводимый в справочных данных тангенс угла потерь d как

    R_1экв = tg d / (wC_1экв)     или    R_2экв = 1/( w_2экв tg d ).                    (12)

Емкости С_1экв и С_2экв связаны между собой зависимостью

    С_2экв = С_1экв /(1+ tg d ),                                                    (13)

и, так  как обычно tg<<1, можно считать приблизительно равными:

    С_1экв= C_2экв = С_экв .

    В образцовых воздушных конденсаторах  tg d не превышает 5*10 ^–5, так как определяется только потерями в изоляции и в материале электродов.

    В конденсаторах с диэлектриком угол потерь значительно больше и, кроме  того, может зависеть от напряжения на конденсаторе, частоты, температуры и 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 приводит к остаточным напряжениям, достигающим нескольких процентов от значения приложенного напряжения. Влияние абсорбции в эквивалентной схеме конденсатора в первом приближении можно учесть включением параллельно емкости С₀ цепочки, состоящей из емкости С_а и сопротивления R _а . Поэтому полная эквивалентная схема ЭС преобразователя может быть представлена в виде рис. 1, д .