Kapacitive sensorer

En kapacitiv sensor kaldes en transducer af parametrisk type, hvor en ændring i målt værdi konverteres til en ændring i kapacitans.

Kapacitive sensorapplikationer

De mulige anvendelser for kapacitive sensorer er ekstremt forskellige. De bruges i industriel procesregulering og kontrolsystemer i næsten alle industrier. Kapacitive sensorer bruges til at styre fyldningen af ​​tanke med væsker, pulvere eller granulerede stoffer, såsom grænseafbrydere på automatiserede linjer, transportører, robotter, bearbejdningscentre, metalskæremaskiner, i signalsystemer, til positionering af forskellige mekanismer mv.

I øjeblikket er de mest udbredte nærhedssensorer (tilstedeværelses)sensorer, som ud over deres pålidelighed også har en lang række fordele. Med en relativt lav pris dækker nærhedssensorer en bred vifte af retningsbestemt anvendelse i alle brancher. Typiske anvendelsesområder for kapacitive sensorer af denne type er:

• signalering til påfyldning af plast- eller glasbeholdere;

• kontrol af fyldningsniveauet af gennemsigtige pakker;

• spole brud alarm;

• justering af bæltespændingen;

• delregnskab af enhver art mv.

Kapacitive lineære og vinkelkodere er de mest almindelige enheder, der er meget udbredt inden for teknik og transport, konstruktion og energi, i forskellige målekomplekser.

Relativt nye enheder, der er kommet i udbredt industriel brug i de senere år, er blevet til små kapacitive inklinometre med et elektrisk udgangssignal, der er proportionalt med sensorens hældningsvinkel... Følgende anvendelsesområder for hældningsmålere kan betragtes som de vigtigste: anvendelse i platformsnivelleringssystemer, bestemmelse af afvigelser og deformationer af forskellige typer understøtninger og bjælker, kontrol af hældningsvinkler på veje og jernbaner under deres konstruktion, reparation og drift, at bestemme rullen af ​​biler, skibe og undervandsrobotter, hejseværker og kraner, gravemaskiner, landbrugsmaskiner, bestemme vinkelforskydningen af ​​forskellige typer roterende objekter - aksler, hjul, gearkassemekanismer på både stationære og bevægelige objekter .

Kapacitive niveausensorer bruges i kontrolsystemer, regulering og styring af produktionsprocesser i fødevare-, farmaceutiske, kemiske, olieraffineringsindustrien. De er effektive, når de arbejder med væsker, bulkmaterialer, suspensioner, tyktflydende stoffer (ledende og ikke-ledende), såvel som under forhold med kondens, støv.

Kapacitive sensorer bruges også i forskellige industrier til at måle absolut og måletryk, tykkelse af dielektriske materialer, luftfugtighed, belastning, vinkel- og lineære accelerationer osv.

Fordele ved kapacitive sensorer frem for andre typer sensorer

Kapacitive sensorer giver en række fordele i forhold til andre sensortyper. Deres fordele omfatter:

• let produktion, brug af billige materialer til produktion; — lille størrelse og vægt; — lavt energiforbrug; — høj følsomhed;

• mangel på kontakter (i nogle tilfælde — en strømaftager);

• lang levetid;

• behovet for meget små kræfter til at flytte den bevægelige del af den kapacitive sensor;

• let at tilpasse sensorens form til forskellige opgaver og designs;

Ulemper ved kapacitive sensorer

Ulemper ved kapacitive sensorer inkluderer:

• relativt lille overførsel (konvertering) koefficient;

• høje krav til afskærmningsdele;

• behovet for at arbejde ved en højere (sammenlignet med 50 Hz) frekvens;

I de fleste tilfælde kan der dog opnås tilstrækkelig afskærmning på grund af sensordesignet, og praksis viser, at kapacitive sensorer giver gode resultater ved den meget anvendte frekvens på 400 Hz. Iboende kondensatorer kanteffekten bliver kun signifikant, når afstanden mellem pladerne er sammenlignelig med de lineære dimensioner af de pågældende overflader. Denne effekt kan til en vis grad elimineres ved hjælp af en beskyttelsesring, som gør det muligt at flytte dens indflydelse ud over grænserne for overfladen af ​​pladerne, der faktisk bruges til målinger.

Kapacitive sensorer er bemærkelsesværdige for deres enkelhed, hvilket giver mulighed for et robust og pålideligt design. Kondensatorens parametre afhænger kun af de geometriske egenskaber og afhænger ikke af egenskaberne af de anvendte materialer, hvis disse materialer er valgt korrekt. Derfor kan effekten af ​​temperatur på overfladeændringer og pladeafstand være ubetydelig lille ved at vælge den passende metalkvalitet til pladerne og isoleringen til deres fastgørelse. Det er kun tilbage at beskytte sensoren mod de miljøfaktorer, der kan forringe isoleringen mellem pladerne - mod støv, korrosion, fugt, ioniserende stråling.

Kapacitive sensorers værdifulde kvaliteter - en lille mængde mekanisk kraft, der kræves for at flytte dens bevægelige del, evnen til at justere outputtet fra sporingssystemet og høj driftnøjagtighed - gør kapacitive sensorer uundværlige i enheder, hvor fejl på kun hundrededele og endda tusindedele procent er tilladt.

Typer af kapacitive omformere og deres designfunktioner

Typisk er en kapacitiv sensor en flad eller cylindrisk kondensator, hvis plader undergår kontrolleret bevægelse, hvilket forårsager en ændring i kapacitansen. Når man ser bort fra sluteffekter, kan kapacitansen for en flad kondensator udtrykkes som følger:

hvor ε Den relative dielektriske konstant for mediet, der er indesluttet mellem pladerne, C og e - arealet af de betragtede plader og følgelig afstanden mellem dem.

Kapacitive transducere kan bruges til at måle forskellige størrelser i tre retninger, afhængigt af det funktionelle forhold mellem den målte ikke-elektriske størrelse med følgende parametre:

• variabel dielektrisk konstant for mediet e;

• overlappende område af plader C;

• forskellig afstand mellem pladerne e.

I det første tilfælde kan kapacitive transducere bruges til at analysere stoffets sammensætning, da dielektricitetskonstanten er en funktion af stoffets egenskaber. I dette tilfælde vil konverterens naturlige inputværdi være sammensætningen af ​​stoffet, der fylder rummet mellem pladerne. Kapacitive transducere af denne type er særligt udbredt til måling af fugtindholdet i faste stoffer og væsker, væskeniveauet samt til bestemmelse af de geometriske dimensioner af små genstande. I de fleste tilfælde af praktisk brug af kapacitive transducere er deres naturlige inputværdi den geometriske forskydning af elektroderne i forhold til hinanden Baseret på dette princip kan lineære og vinkelforskydningssensorer, enheder til måling af kræfter, vibrationer, hastighed og acceleration, sensorer for nærheds-, tryk- og belastningssensorer (ekstensometre).

Klassificering af kapacitiv sensor

Med hensyn til implementering kan alle kapacitive måletransducere opdeles i enkeltkapacitive og dobbeltkapacitive sensorer. Sidstnævnte er differentielle og semidifferentielle.

En enkelt kapacitanssensor er enkel i designet og er en enkelt variabel kondensator. Dens ulemper omfatter betydelig indflydelse af eksterne faktorer såsom fugtighed og temperatur.For at kompensere for disse fejl skal du anvende differentielle designs... Ulempen ved sådanne sensorer sammenlignet med enkeltkapacitanser er behovet for mindst tre (i stedet for to) skærmede forbindelsesledninger mellem sensoren og måleanordningen for at undertrykke den so- kaldet parasitære kapacitanser. Denne ulempe betales imidlertid af med en betydelig stigning i nøjagtighed, stabilitet og udvidelse af anvendelsesområdet for sådanne enheder.

I nogle tilfælde er en differentiel kapacitiv sensor vanskelig at skabe på grund af designmæssige årsager (dette gælder især for variable-gap differentialsensorer). Men hvis en eksemplarisk kondensator på samme tid er placeret i det samme hus med en fungerende, og de er så identiske som muligt i design, dimensioner og anvendte materialer, så vil en meget lavere følsomhed af hele enheden over for eksterne destabiliserende påvirkninger være sikret. I sådanne tilfælde kan vi tale om en semi-differentiel kapacitiv sensor, der ligesom den differentielle refererer til en bi-kapacitiv.

Specificiteten af ​​outputparameteren for to-volumen sensorer, som er repræsenteret som et dimensionsløst forhold mellem todimensionelle fysiske mængder (i vores tilfælde, kapacitanser), giver grund til at kalde dem forholdssensorer. Ved brug af sensorer med dobbelt kapacitans, må måleapparatet slet ikke indeholde nogen standard kapacitansmål, hvilket bidrager til at øge målenøjagtigheden.

Lineære forskydningskodere

De ikke-elektriske størrelser, der skal måles og kontrolleres, er mange og forskellige. En væsentlig del af dem er lineære og vinkelforskydninger. Baseret på en kondensator, der elektrisk felt to hovedtyper af kapacitive forskydningssensorer kan skabes ensartet i arbejdsgabet:

• med variabelt elektrodeområde;

• med et variabelt mellemrum mellem elektroderne.

Det er helt indlysende, at førstnævnte er mere bekvemme til at måle store forskydninger (enheder, tiere og hundreder af millimeter), og sidstnævnte til at måle små og ultrasmå forskydninger (dele af en millimeter, mikrometer og mindre).

Vinkelkodere

Vinkelforskydningskapacitive transducere minder i princippet om lineære forskydningskapacitive transducere, og sensorer med variabelt areal er også mere velegnede i tilfælde af ikke for små måleområder (startende fra graderenheder) og kapacitive sensorer med variabel vinkelafstand. kan med succes bruges til at måle små og ultrasmå vinkelforskydninger. Typisk bruges flersektionstransducere med variabelt kondensatorpladeareal til vinkelforskydninger.

I sådanne sensorer er en af ​​kondensatorelektroderne fastgjort til objektets aksel, og under rotation forskydes den i forhold til den stationære, hvilket ændrer overlapningsområdet for kondensatorpladerne. Dette forårsager igen en ændring i kapacitansen, der fanges af målekredsløbet.

Hældningsmålere

Hældningssensoren (hældningssensoren) er en differentiel kapacitiv hældningstransducer, der inkluderer et kapselformet føleelement.

Kapacitivt hældningsmåler

Kapslen består af et substrat med to flade elektroder 1, dækket med et isolerende lag, og et legeme 2, hermetisk fastgjort til substratet.Kroppens indre hulrum er delvist fyldt med en ledende væske 3, som er den fælles elektrode for et følsomt element.Den fælles elektrode danner en differentialkondensator med de flade elektroder. Sensorens udgangssignal er proportional med værdien af ​​differentialkondensatorens kapacitans, som er lineært afhængig af husets position i det lodrette plan.

Inklinometeret er designet til at have en lineær afhængighed af udgangssignalet af hældningsvinklen i det ene såkaldte arbejdsplan og ændrer praktisk talt ikke aflæsningerne i det andet (ikke-fungerende) plan, mens dets signal er svagt afhængig af temperaturen ændringer. For at bestemme planets position i rummet bruges to inklinometre, placeret i en vinkel på 90 ° til hinanden.

Små inklinometre med et elektrisk udgangssignal proportionalt med sensorens hældningsvinkel er relativt nye enheder. Deres høje nøjagtighed, miniaturestørrelse, mangel på bevægelige mekaniske enheder, lette installation på stedet og lave omkostninger gør det tilrådeligt at bruge dem ikke kun som rullesensorer, men også at udskifte vinkelsensorer med dem, ikke kun stationære, men også i bevægelse. genstande.

Kapacitive væskeniveausensorer

En kapacitiv transmitter til måling af niveauet af en ikke-ledende væske består af to kondensatorer forbundet parallelt

Tryksensorer

Et af de grundlæggende designs af en kapacitiv tryktransducer er en enkelt stator, som bruges til at måle absolut tryk (elektriske tryksensorer).

En sådan sensor består af en metalcelle opdelt i to dele af en stramt strakt flad metalmembran, på den ene side af hvilken der er en fast elektrode isoleret fra kroppen.Membranelektroden danner en variabel kapacitans, som indgår i målekredsløbet. Når trykket er ens på begge sider af membranen, er transduceren afbalanceret. En trykændring i et af kamrene deformerer membranen og ændrer kapacitansen, som er fastsat af målekredsløbet.

I et to-stations (differential) design bevæger membranen sig mellem to faste plader, og der tilføres et referencetryk til et af de to kamre, som giver en direkte måling af differenstrykket (over- eller differenstryk) med den mindste fejl.