電容應變計
電容
電容(或稱電容量)是表征電容器容納電荷本領的物理量。我們把電容器的兩極板間的電勢差增加1伏所需的電量,叫做電容器的電容。電容器從物理學上講,它是一種靜態電荷存儲介質(就像一隻水桶一樣,你可以把電荷充存進去,在沒有放電迴路的情況下,刨除介質漏電自放電效應/電解電容比較明顯,可能電荷會永久存在,這是它的特徵),它的用途較廣,它是電子、電力領域中不可缺少的電子元件。主要用於電源濾波、信號濾波、信號耦合、諧振、隔直流等電路中。
電容的符號是C C=εS/d=εS/4πkd(真空)=Q/U
在國際單位制里,電容的單位是法拉,簡稱法,符號是F,常用的電容單位有毫法(mF)、微法(μF)、納法(nF)和皮法(pF)(皮法又稱微微法)等,換算關係是:
1法拉(F)=1000毫法(mF)=1000000微法(μF)
1微法(μF)=1000納法(nF)=1000000皮法(pF)。
電容與電池容量的關係:
1伏安時=25法拉=3600焦耳
1法拉=144焦耳
一個電容器,如果帶1庫的電量時兩級間的電勢差是1伏,這個電容器的電容就是1
電容應變計
一種能將構件的尺寸變化轉換成電容變化的變換器。常用的電容應變計有:弓形電容應變計、平板式電容應變計、桿式電容應變計三種。它的主要元件電容極片,可製成平板形或圓柱形。
以簡單的平板電容器(圖1)為例。當不考慮邊緣電場的影響時,有:
,
式中C為電容;χ為電容極片間介質的介電常數;A為極片的面積;s為極片間的距離。 將電容應變計安裝在構件表面上,電容應變計的電容相對變化ΔC/C與引起此變化的構件表面在應變計軸線方向的尺寸相對變化ΔC/C(即應變數ε)之比,稱為電容應變計的靈敏係數(K):,
它表示電容應變計輸出信號和輸入信號之間數量上的關係。電容應變計的優點是靈敏係數大(從十至一百),頻率回響高,能在惡劣環境(如高溫、低溫、核輻射環境)工作,重複性好,穩定性高。但是,它的輸出的阻抗高和信號小,故測量線路比較複雜;易受電纜的寄生電容所影響,故應有良好的禁止和較高的絕緣電阻。電容應變計還可以採取多路同時測量的方式,已研製出一百路同時工作的電容應變計測量系統。
電容應變計多用於發電廠的管道、設備或核能設備的長期高溫應變測量,監視裂紋的形成和發展,以及對航空構件材料進行高溫性能測試。
弓形電容應變計 在兩條曲率不同的鎳基合金弓形條之間,安裝一對電容極片,用點焊法將弓形條的兩端固定在試件上(圖2)。它的工作溫度範圍為-269~+650℃,以空氣為介質,介電常數不隨溫度變化,故工作穩定,零點漂移極小。 平板式電容應變計 在一個鎳鉻合金的菱形框架上開出墪形槽,中部的槽中裝入四片不鏽鋼電容極片,各極片之間以及極片與框架之間用雲母片隔開。框架的兩對角處裝有安裝耳片(圖3)。可用點焊或用高溫粘結劑將安裝耳片固定於試件表面,或在安裝耳片上衝出小孔,用火焰噴塗陶瓷材料進行固定。當試件產生應力時,通過菱形框架使電容極片間的距離變動,電容就相應變動。當應變計受熱時,雲母的介電常數變動,也會使電容發生變化,但可利用菱形框架和試件的膨脹係數的差異,使此效應互相抵消。這種應變計的工作溫度可達954℃。 桿式電容應變計 在一個安裝板的圓桿上裝一對圓筒形的內電容極片,用陶瓷體使它和圓桿絕緣;在另一安裝板上裝一個環形外電容極片,套在內電容極片上,內外電容極片應保持同心,以空氣絕緣(圖4)。圓桿和試件的材料必須相同,以達到溫度補償的效果。此內外電容極片構成差動電容器,試件上的應變使得內外電容極片交疊的面積變動而引起電容變化。電容的相對變化和應變有線性關係。這種應變計還可以反映應變的方向(壓縮或拉伸)。它的最高工作溫度可達816℃。