Конденсаторный датчик для тягоизмерительного стенда.

Идея самого датчика принадлежит не мне. Я ее позаимствовал у termostat'a. Его идея состояла в том что-бы мерять емкость конденсатора у которого зазор между пластинами заполнен упругим герметиком. Сначала я от идеи отмахнулся, но потом она неожиданно пересеклась с другой моей давней задумкой. Вечная проблема всех ракетчиков это "как регистрировать данные экспериментов и пусков". Я рассудил, что единственное массовое устройство это магнитофон и именно на него надо записывать все данные. Необходимо получать данные в виде модулированного сигнала и писать их на кассету прямо в поле. А дома цифровать их с помощью звуковой карты и расшифровывать данные. Модуляция лучше подходит частотная. В качестве генератора решил использовать чип КР1006ВИ1 (NE555). Целью стало получить частоту генерации в диапазоне 1 - 2.5 кГц как наиболее подходящую для входного тракта магнитофона.

Конечно, имеются опасения что герметик будет иметь непостоянные механические характеристики сильно зависящие от температуры. В таком случае можно использовать датчик предложеный Serge77. Датчик работает за счет собственной жесткости пластин - обкладок. Под действием нагружающей силы F прогиб пластин w уменьшает зазор h и увеличивает емкость конденсатора. Данный датчик имеет нелинейную характеристику, но в области малых значений прогиба пластин характеристика может быть хорошо аппроксимирована кривой второго порядка снимаемой за 3 калибровочных измерения. В качестве обкладок могут быть использованы полированные стальные пластины. Размешение пластин размерами 100 х 100 мм на расстоянии 1 мм с расчетным прогибом до 0.7 мм поволяет получить датчик с емкостью порядка 90 пФ с увеличением емкости на 30 % при максимальной деформации. Толщина пластин в данном случае расчитывается исходя из рабочего диапазона усилий.

Имеется еще один многообещающий вариант датчика перемещений (не тяги) основанный на принципе измерения емкости. В данном варианте измеряется емкость между 2-мя гребенко-подобными электродами выполнеными путем травления из фольгированного текстолита. Использование изолирующей лавсановой пленки позволяет вполне получить зазор между пластинами порядка 0.1 мм что дает возможность сконструировать компактный датчик (35 х 25 мм) с максимальной собственной емкостью не менее 100 пФ. И измеряемым диапазоном перемещений от 0.5 мм и выше. Основной недостаток данного датчика - сложность изготовления. Сложность изготовления рисунка гребенки с выдержаным постоянным шагом и механизма обеспечивающего прижим пластин и их строгую параллельность.

Один из перспективных вариантов исполнения гребенчатого датчика представлен на рисунке. Две пластины зажаты "намертво" одним концом, на другом конце находятся гребенчатый конденсатор. При пригибе пластин (серого цвета) происходит взаимное смещение гребенчатых обкладок (оттенки синего) друг относительно друга. При этом уменьшается степень их взаимного перекрытия и соответственно снижается емкость. Зазор между обкладками обеспечивается лавсановой пленкой (зеленая) скользящей между обкладок. Характерная толщина такой пленки порядка 0.1 мм, что позволяет создавать достаточно компактные датчики.

Датчики состоящие из многих пластин могут быть представлены как последовательно или параллельно соединенные конденсаторы. Например, емкость датчика состоящего из 3-х пластин площадью 100 кв. см. с зазором 3 мм заполненым герметиком (εr примерно равно 2) емкость составит порядка 120 пФ. Изменение емкости такого датчика обратно пропорционально изменению величины зазора.

В качестве генератора мной выбран интегральный таймер ВИ1 (NE555), за его высокую стабильность и неприхотливость. Желающие могут скачать его даташит (Engl, PDF, 113kb) . Частота генерации таймера полностью определяется параметрами частотозающей цепи из конденсатора С и 2-х резисторов R1, R2. Для нормальной записи на магнитофон мы должны использовать полосу частот от 800 Гц до 3.2 кГц. Длительность положительного полупериода равна: t1 = 0.693 * (R1 + R2) * C, отрицательного: t2 = 0.693 * (R2) * C. Соответственно частота генерации равна: f = 1 / (t1 + t2) = 1 / [1.44 * (R1 + 2* R2) * C] .

Включение ВИ1 по генераторной схеме дает неравные интервалы двух полупериодов, но выбирая R1 << R2. Можно получить почти одинаковую длительность t1 и t2. Сразу замечу что нельзя совсем убрать резистор R1 - он ограничивает ток внутреннего транзисторного ключа. Я так один чип спалил. Я выбрал R1 = 5.6 кОм. Исходя из желаемой длительности t2 = 0.25 - 0.3 мс расчитываем сопротивление R2 = 3.6 МОм. Полученное значение близко к предельно допустимому. Справочник ограничивает значение R1 + R2 < 3 Мом, при питании 5 В и R1 + R2 < 10 Мом, при питании 15 В. По этому надо стремиться к возможно большему значению емкости датчика. Если ток утечки такого конденсатора окажется слишком велик то генератор может вообще не завестись. Тогда придется уменьшать величину резистора и увеличивать частоту генерации, а после выхода чипа ставить делитель (например четырехразрядный двоичный счетчик).