Kapasitive sensorer

En kapasitiv sensor kalles en transduser av parametrisk type hvor en endring i målt verdi konverteres til en endring i kapasitans.

Kapasitive sensorapplikasjoner

De mulige bruksområdene for kapasitive sensorer er ekstremt forskjellige. De brukes i industriell prosessregulering og kontrollsystemer i nesten alle bransjer. Kapasitive sensorer brukes til å kontrollere fylling av tanker med væske, pulver eller granulære stoffer, som grensebrytere på automatiserte linjer, transportører, roboter, maskineringssentre, metallskjæremaskiner, i signalsystemer, for posisjonering av ulike mekanismer, etc.

For tiden er de mest utbredte nærhetssensorer (tilstedeværelse), som i tillegg til deres pålitelighet også har et bredt spekter av fordeler. Med en relativt lav kostnad dekker nærhetssensorer et bredt spekter av retningsbestemt bruk i alle bransjer. Typiske bruksområder for kapasitive sensorer av denne typen er:

• signalering for fylling av plast- eller glassbeholdere;

• kontroll av fyllingsnivået til gjennomsiktige pakker;

• spiral brudd alarm;

• justering av beltespenning;

• delkonto av noe slag osv.

Kapasitive lineære og vinkelkodere er de vanligste enhetene, mye brukt innen ingeniør- og transport, konstruksjon og energi, i ulike målekomplekser.

Relativt nye enheter som har kommet i utbredt industriell bruk de siste årene har blitt små kapasitive inklinometre med et elektrisk utgangssignal proporsjonalt med helningsvinkelen til sensoren... Følgende bruksområder for inklinometre kan betraktes som de viktigste: bruk i plattformnivelleringssystemer, bestemmelse av avvik og deformasjoner av ulike typer støtter og bjelker, kontroll av helningsvinkler på veier og jernbaner under konstruksjon, reparasjon og drift, bestemme rullen til biler, skip og undervannsroboter, taljer og kraner, gravemaskiner, landbruksmaskiner, bestemme vinkelforskyvningen av ulike typer roterende objekter - aksler, hjul, girkassemekanismer på både stasjonære og bevegelige objekter .

Kapasitive nivåsensorer brukes i kontrollsystemer, regulering og styring av produksjonsprosesser i næringsmiddel-, farmasøytisk, kjemisk, oljeraffineringsindustri. De er effektive når du arbeider med væsker, bulkmaterialer, suspensjoner, viskøse stoffer (ledende og ikke-ledende), så vel som under forhold med kondens, støv.

Kapasitive sensorer brukes også i ulike bransjer for å måle absolutt og måletrykk, tykkelse på dielektriske materialer, luftfuktighet, tøyning, vinkel- og lineære akselerasjoner, etc.

Fordeler med kapasitive sensorer fremfor andre typer sensorer

Kapasitive sensorer gir en rekke fordeler i forhold til andre sensortyper. Deres fordeler inkluderer:

• enkel produksjon, bruk av billige materialer for produksjon; — liten størrelse og vekt; — lavt energiforbruk; - høy følsomhet;

• mangel på kontakter (i noen tilfeller - en strømsamler);

• lang levetid;

• behovet for svært små krefter for å bevege den bevegelige delen av den kapasitive sensoren;

• enkelt å tilpasse formen på sensoren til forskjellige oppgaver og design;

Ulemper med kapasitive sensorer

Ulemper med kapasitive sensorer inkluderer:

• relativt liten overføringskoeffisient (konvertering);

• høye krav til skjermingsdeler;

• behovet for å jobbe med en høyere (sammenlignet med 50 Hz) frekvens;

I de fleste tilfeller kan man imidlertid oppnå tilstrekkelig skjerming på grunn av sensordesignet, og praksis viser at kapasitive sensorer gir gode resultater ved den mye brukte frekvensen på 400 Hz. Iboende kondensatorer kanteffekten blir signifikant bare når avstanden mellom platene er sammenlignbar med de lineære dimensjonene til overflatene som vurderes. Denne effekten kan elimineres til en viss grad ved hjelp av en beskyttelsesring, som gjør det mulig å flytte dens innflytelse utover grensene for overflaten til platene som faktisk brukes til målinger.

Kapasitive sensorer er bemerkelsesverdige for sin enkelhet, som gir en robust og pålitelig design. Parametrene til kondensatoren avhenger bare av de geometriske egenskapene og avhenger ikke av egenskapene til materialene som brukes, hvis disse materialene er riktig valgt. Derfor kan effekten av temperatur på overflateendringer og plateavstand være ubetydelig liten ved å velge passende metallkvalitet for platene og isolasjonen for deres feste. Det gjenstår bare å beskytte sensoren mot de miljøfaktorene som kan forringe isolasjonen mellom platene - fra støv, korrosjon, fuktighet, ioniserende stråling.

De verdifulle egenskapene til kapasitive sensorer - en liten mengde mekanisk kraft som kreves for å bevege den bevegelige delen, evnen til å justere utgangen til sporingssystemet og høy operasjonsnøyaktighet - gjør kapasitive sensorer uunnværlige i enheter der feil på bare hundredeler og til og med tusendeler prosent er tillatt.

Typer kapasitive omformere og deres designfunksjoner

Vanligvis er en kapasitiv sensor en flat eller sylindrisk kondensator, hvor en av platene gjennomgår kontrollert bevegelse, noe som forårsaker en endring i kapasitansen. Når man ser bort fra slutteffekter, kan kapasitansen for en flat kondensator uttrykkes som følger:

hvor ε Den relative dielektriske konstanten til mediet som er innelukket mellom platene, C og e - arealet til de betraktede platene og følgelig avstanden mellom dem.

Kapasitive transdusere kan brukes til å måle ulike mengder i tre retninger, avhengig av funksjonsforholdet til den målte ikke-elektriske mengden med følgende parametere:

• variabel dielektrisk konstant for mediet ε;

• overlappende område av platene C;

• forskjellig avstand mellom platene e.

I det første tilfellet kan kapasitive transdusere brukes til å analysere sammensetningen av stoffet, siden den dielektriske konstanten er en funksjon av egenskapene til stoffet. I dette tilfellet vil den naturlige inngangsverdien til omformeren være sammensetningen av stoffet som fyller rommet mellom platene. Kapasitive transdusere av denne typen er spesielt mye brukt til å måle fuktighetsinnholdet i faste stoffer og væsker, væskenivået, samt for å bestemme de geometriske dimensjonene til små gjenstander. I de fleste tilfeller av praktisk bruk av kapasitive transdusere er deres naturlige inngangsverdi den geometriske forskyvningen av elektrodene i forhold til hverandre Basert på dette prinsippet kan lineære og vinkelforskyvningssensorer, enheter for måling av krefter, vibrasjoner, hastighet og akselerasjon, sensorer for nærhets-, trykk- og tøyningssensorer (ekstensometre).

Klassifisering av kapasitiv sensor

Når det gjelder implementering, kan alle kapasitive måletransdusere deles inn i enkeltkapasitive og dobbeltkapasitive sensorer. Sistnevnte er differensielle og semi-differensielle.

En enkelt kapasitanssensor er enkel i design og er en enkelt variabel kondensator. Dens ulemper inkluderer betydelig påvirkning av eksterne faktorer som fuktighet og temperatur.For å kompensere for disse feilene, bruk differensialdesign... Ulempen med slike sensorer sammenlignet med enkeltkapasitans er behovet for minst tre (i stedet for to) skjermede tilkoblingsledninger mellom sensoren og måleenheten for å undertrykke kalt parasittiske kapasitanser. Imidlertid betales denne ulempen med en betydelig økning i nøyaktighet, stabilitet og utvidelse av bruksområdet for slike enheter.

I noen tilfeller er en differensial kapasitiv sensor vanskelig å lage på grunn av designårsaker (dette gjelder spesielt for differensialsensorer med variabel gap). Men hvis samtidig en eksemplarisk kondensator er plassert i samme hus med en fungerende og de er så identiske som mulig i design, dimensjoner og materialer, vil en mye lavere følsomhet for hele enheten for ytre destabiliserende påvirkninger være sikret. I slike tilfeller kan vi snakke om en semi-differensial kapasitiv sensor, som, i likhet med den differensielle, refererer til en bi-kapasitiv.

Spesifisiteten til utgangsparameteren til tovolumssensorer, som er representert som et dimensjonsløst forhold mellom todimensjonale fysiske mengder (i vårt tilfelle, kapasitanser), gir grunn til å kalle dem forholdssensorer. Ved bruk av doble kapasitanssensorer kan det hende at måleapparatet ikke inneholder noen standard kapasitansmål i det hele tatt, noe som bidrar til å øke målenøyaktigheten.

Lineære forskyvningsgivere

De ikke-elektriske størrelsene som skal måles og kontrolleres er mange og varierte. En betydelig del av dem er lineære og vinkelforskyvninger. Basert på en kondensator som elektrisk felt to hovedtyper kapasitive forskyvningssensorer kan lages jevnt i arbeidsgapet:

• med variabelt elektrodeområde;

• med et variabelt gap mellom elektrodene.

Det er ganske åpenbart at førstnevnte er mer praktiske for å måle store forskyvninger (enheter, titalls og hundrevis av millimeter), og sistnevnte for å måle små og ultrasmå forskyvninger (deler av en millimeter, mikrometer og mindre).

Vinkelkodere

Kapasitive transdusere med vinkelforskyvning ligner i prinsippet på kapasitive transdusere med lineær forskyvning, og sensorer med variabelt areal er også mer egnet ved ikke for små måleområder (starter fra enheter av grader), og kapasitive sensorer med variabel vinkelgap. kan med hell brukes til å måle små og ultrasmå vinkelforskyvninger. Vanligvis brukes flerseksjonstransdusere med variabelt kondensatorplateareal for vinkelforskyvninger.

I slike sensorer er en av kondensatorelektrodene festet til akselen til objektet, og under rotasjon forskyves den i forhold til den stasjonære, og endrer overlappingsområdet til kondensatorplatene. Dette forårsaker igjen en endring i kapasitansen som fanges opp av målekretsen.

Inklinometre

Inklinometeret (tiltsensor) er en differensial kapasitiv tilt-transduser som inkluderer et kapselformet føleelement.

Kapasitivt inklinometer

Kapselen består av et substrat med to flate elektroder 1, dekket med et isolerende lag, og et legeme 2, hermetisk festet til substratet. Det indre hulrommet i legemet er delvis fylt med en ledende væske 3, som er den vanlige elektroden for et følsomt element.Felleselektroden danner en differensialkondensator med de flate elektrodene. Utgangssignalet til sensoren er proporsjonalt med verdien av kapasitansen til differensialkondensatoren, som er lineært avhengig av posisjonen til huset i vertikalplanet.

Inklinometeret er designet for å ha en lineær avhengighet av utgangssignalet av helningsvinkelen i det ene såkalte arbeidsplanet og endrer praktisk talt ikke avlesningene i det andre (ikke-fungerende) planet, mens signalet er svakt avhengig av temperaturen Endringer. For å bestemme posisjonen til flyet i rommet, brukes to inklinometre, plassert i en vinkel på 90 ° til hverandre.

Små inklinometre med et elektrisk utgangssignal proporsjonalt med helningsvinkelen til sensoren er relativt nye enheter. Deres høye nøyaktighet, miniatyrstørrelse, mangel på bevegelige mekaniske enheter, enkle installasjon på stedet og lave kostnader gjør det tilrådelig å bruke dem ikke bare som rullesensorer, men også å erstatte vinkelsensorer med dem, ikke bare stasjonære, men også for å bevege seg. gjenstander.

Kapasitive væskenivåsensorer

En kapasitiv sender for å måle nivået til en ikke-ledende væske består av to kondensatorer koblet parallelt

Trykksensorer

En av de grunnleggende designene til en kapasitiv trykktransduser er en enkelt stator, som brukes til å måle absolutt trykk (elektriske trykksensorer).

En slik sensor består av en metallcelle delt i to deler av en tett strukket flat metallmembran, på den ene siden av hvilken det er en fast elektrode isolert fra kroppen.Membranelektroden danner en variabel kapasitans, som inngår i målekretsen. Når trykket er likt på begge sider av membranen, er transduseren balansert. En endring i trykket i et av kamrene deformerer membranen og endrer kapasitansen, som er fiksert av målekretsen.

I en to-stasjons (differensial) utforming beveger membranen seg mellom to faste plater og et referansetrykk tilføres et av de to kamrene, som gir en direkte måling av differensialtrykket (over- eller differensialtrykket) med den minste feilen.