Емкостные датчики. Виды и устройство. Работа и применение

Емкостные датчики – преобразователи параметров. Их работа заключается в изменении емкостного сопротивления путем изменения измеряемого параметра. Емкостный датчик преобразовывает такие величины, как влажность, давление, сила механического воздействия, уровень жидкости в изменение электрической емкости.

Классификация

По исполнению емкостные датчики делятся на:

• Одноемкостные.
• Двухъемкостные.

Одноемкостнй датчик имеет простое устройство и выполнена в виде конденсатора с изменяемой емкостью. Его недостатком является большое влияние внешних воздействий. К ним относятся температура и влажность. Чтобы компенсировать такие неточности, применяют дифференциальные двухъемкостные модели.

В отличие от одноемкостных датчиков, минусом дифференциальных моделей является то, что требуется минимум три соединительных экранированных проводника между измерительным устройством и датчиком, для погашения паразитных емкостей. Однако это компенсируется стабильностью, значительным увеличением точности и расширением сферы использования таких датчиков.

Иногда трудно спроектировать дифференциальный датчик емкостного типа из соображений его устройства. Особенно, если это датчик с изменяемым зазором. Но при расположении образцового конденсатора вместе с рабочим, и выполнении их конструкции одинаковыми, включая все материалы, то будет создана намного меньшая чувствительность устройства к наружному воздействию различных факторов. В этих случаях идет речь о полудифференциальной модели, относящейся к 2-х емкостным приборам.

Специфическая особенность параметра выхода двухъемкостных датчиков, представленная в виде безразмерного соотношения 2-х емкостей, позволяет назвать такие устройства датчиками отношения.

Линейные датчики

Неэлектрические параметры, которые требуется измерять на практике, очень разнообразны и многочисленны. На базе конденсатора, у которого равномерно распределено электрическое поле в рабочем промежутке, создаются устройства емкостных датчиков перемещения следующих видов:

• С изменяемой площадью электродов.
• С изменяемым промежутком между обкладками.

Датчики с переменной площадью удобнее для контроля значительных перемещений, а датчики с изменяемым промежутком удобнее для контроля незначительных перемещений.

Датчики угловых перемещений имеют принцип работы, аналогичный линейным датчикам. При этом эти датчики также рекомендуются для малых интервалов перемещений угла. Для таких целей часто используют в эксплуатации многосекционные модели с изменяемой площадью пластин.

Подобные датчики имеют крепление одного электрода на валу контролируемого объекта. При угловом смещении вала изменяется площадь пластин конденсатора, что приводит к изменению емкости. Это изменение обрабатывается электронной схемой.

Инклинометры

Другими словами такое устройство называют датчиком крена. Они получили название инклинометров, выполнены в виде дифференциального емкостного датчика наклона. Эта конструкция имеет чувствительный компонент в виде капсулы.

Чувствительная капсула включает в себя подложку с планарными электродами (1), которые покрыты диэлектрическим слоем, а также корпус (2), герметично зафиксированный на подложке. Частично внутренняя часть корпуса заполнена токопроводящей жидкостью (3). Она является общим выводом чувствительного компонента.

Общий электрод создает с электродами своеобразный дифференциальный конденсатор. Сигнал выхода датчика прямо зависит от размера емкости, которая зависит от расположения корпуса.

Инклинометр сконструирован с линейной зависимостью сигнала выхода от угла наклона в рабочей плоскости и не меняет значения в нерабочей плоскости. В этом случае сигнал имеет незначительную зависимость от изменения температуры. Чтобы определить расположение плоскости применяется два инклинометра, находящихся между собой под прямым углом.

Инклинометры небольшого размера с сигналом, зависящим от угла наклона датчика, нашли применение совсем недавно. Они имеют высокую точность, малые габариты, у них нет движущихся деталей. Стоимость их также невысока. Все эти достоинства позволяют рекомендовать их для применения датчиками наклона, а также для замены угловых датчиков, в том числе и на движущихся объектах.

Датчики уровня токонепроводящих веществ, находящихся в жидком состоянии, представляют собой схему из двух соединенных параллельно емкостей. Они стали популярными в различных отраслях, системах проверки, при работе с сыпучими и вязкими материалами, в условиях конденсата.

Датчики давления

Конструкция таких датчиков отличается устройством преобразователя. Он выполнен в виде воздушного конденсатора. Одна его пластина является неподвижной, а вторая передвигается под воздействием упругого преобразователя.

Устройство и работа

1 — Корпус датчика обеспечивает возможность установки выключателя, защиту от внешних воздействий различных факторов. Материалом корпуса обычно является полиамид или латунь. В комплект входят крепежные изделия.
2 — Компаунд, состоящей из специальной смолы, создает защиту элементов датчика от попадания влаги и других посторонних веществ.
3 — Триггер создает необходимую крутизну сигнала коммутации и величину гистерезиса.
4 — Подстроечный элемент.
5 — Светодиод обеспечивает оперативность настройки, показывает положение выключателя.
6 — Усилитель повышает сигнал выхода до требуемой величины.
7 — Демодулятор модифицирует изменение колебаний высокой частоты в изменение напряжения.
8 — Генератор создает электрическое поле для воздействия на объект.
9 — Электроды.

Рабочая поверхность датчика выполнена в виде двух металлических электродов. Они играют роль обкладок конденсатора, которые подключены в цепь обратной связи автогенератора высокой частоты. Генератор настроен на приближение объекта к активной поверхности.

При приближении контрольного объекта он меняет емкость, вследствие чего генератор вступает в работу и образует колебания с увеличивающейся амплитудой по приближению к объекту. Повышение амплитуды обрабатывается электронной схемой, которая создает сигнал выхода.

Емкостные датчики приводятся в действие от электропроводных объектов и диэлектриков. При приближении токопроводящих объектов расстояние срабатывания Sr значительно больше, чем при воздействии диэлектриков. Расстояние срабатывания снижается, и зависит от диэлектрической проницаемости диэлектрика Er.

Особенности конструкции

Чаще всего емкостные датчики выполняются в виде цилиндрического или плоского конденсатора. Подвергаемое контролю перемещение испытывает одна обкладка. При этом она создает изменение емкости, которая выражается:

где ε является диэлектрической проницаемостью материала, d – зазор, S – площадь пластин.

Емкостные датчики способны работать при замере разных параметров по трем направлениям, зависящим от связи контролируемой величины с параметрами:

• Переменным расстоянием между пластинами.
• Площадью перекрытия пластин.
• Изменяемой диэлектрической проницаемости материала.

В случае с диэлектрической проницаемостью входным параметром будет состав, который заполняет объем между обкладками. Такие емкостные датчики стали популярными при контроле размеров малых объектов, влажности тел.

Достоинства

Емкостные датчики имеют множество преимуществ в отличие от других видов. К ним можно отнести:

• Форма датчика легко совмещается с разными конструкциями и поставленными задачами.
• Не требуется больших усилий для передвижения чувствительного компонента.
• Длительная эксплуатация.
• Отсутствие подвижных контактов.
• Повышенная чувствительность.
• Малый расход электроэнергии.
• Небольшие габаритные размеры и масса.
• Технологичность при изготовлении, применение дешевых материалов и веществ.

Емкостные датчики славятся своей простой конструкцией, что дает возможность создания надежных и прочных устройств. Свойства конденсатора зависят всего лишь от геометрических параметров, и не имеют зависимости от свойств применяемых материалов, при условии их правильного подбора. Поэтому при проектировании пренебрегают влиянием температуры на площадь поверхности и размера между пластинами, при правильном выборе изоляции и металла.

Недостатки

• Работа на высокой частоте.
• Повышенные требования к экранированию элементов.
• Малый коэффициент преобразования.

При использовании емкостных датчиков необходимо обеспечивать защиту от ложных сработок. Они возникают из-за случайного касания работника, атмосферными осадками, различными жидкостями.

Применение

Емкостные датчики используются в разных сферах производства и деятельности человека. Они применяются в управлении технологическими процессами и системах регулировки во всех промышленных производствах. Сегодня наиболее популярными датчиками стали датчики присутствия, которые являются надежными конструкциями. Они имеют невысокую цену, и широкий спектр направлений по использованию.

Основными областями применения датчиков стали:

• Подсчет штучного товара.
• Регулировка натяжения конвейера.
• Сигнализация обрыва проводника при намотке.
• Контроль наполнения упаковки.
• Сигнализация при заполнении стеклянных и пластиковых сосудов.

Похожие темы:

Емкостные бесконтактные датчики — Глосарій — База знань

Принцип работы емкостных датчиков

Чувствительная поверхность емкостного датчика образуется двумя концентрически расположенными металлическими электродами. Их поверхности А и В расположены в цепи обратной связи высокочастотного генератора, который настроен таким образом, что он не генерирует при отсутствии объекта детектирования. Если объект приближается к чувствительной поверхности датчика, то он попадает в электрическое поле перед поверхностями электродов и способствует повышению емкости связи между пластинами А и В. При этом амплитуда генератора начинает возрастать. Амплитуда колебаний регистрируется оценочной схемой и преобразуется в команду включения.

Емкостные датчики обнаруживают как металлические, так и диэлектрические объекты. Металлы из-за их очень высокой проводимости наиболее сильно воздействуют на емкостные датчики. Редукционные факторы для различных металлов можно не учитывать.

Если между пластинами конденсатора расположить изолятор, то емкость конденсатора повышается в зависимости от его диэлектрической постоянной. Объекты из неметаллов действуют на чувствительную поверхность таким же образом, как и металлические, при этом емкость связи повышается. При обнаружении органических материалов (древесина, зерно и т.д.) нужно обращать внимание на то, что содержание в них воды очень сильно влияет на расстояние срабатывания (

ε_воды=80).

Диэлектрические постоянные некоторых материалов даны в таблице

Материал	εr	Материал	εr	Материал	εr	Материал	εr
Бумага	2,3	Мрамор	8	Полистирол	3	Стекло кварц.	3,7
Бумага промасл.	4	Нефть	2,2	Полиэтилен	2,3	Стекло огранич.	3,2
Вода	80	Парафин	2,2	Резина	2,5	Тальк	1,6
Воздух, вакуум	1	Песок	3,7	Резина селикон.	2,8	Тефлон	2
Гетинакс	4,5	Песок кварц.	4,5	Слюда	6	Фарфор	4,4
Дерево	2…7	Полиамид	5	Смолы	3,6	Целлулоид	3
Керосин	2,2	Поливинилхлорид	2,9	Спирт этиловый	25,8	Эбонит	4
Компаунд	2,5	Полипропилен	2,3	Стекло	5	Электрокартон	4

Для определения рабочего зазора используются следующие поправочные коэффициенты: металл — 1,0; вода — 1,0; стекло — 0,5; дерево — 0,2…0,7; масло — 0,1.

Емкостные датчики работают в температурном диапазоне от -250 до +750С.

Если металлический объект связан с потенциалом земли, то происходит незначительное увеличение расстояния срабатывания. (⩽0,25

ном).

Это воздействие при необходимости можно скомпенсировать с помощью потенциометра.

Основная настройка, указания по регулировке

Ограничения в размещении емкостных датчиков

Большинство емкостных датчиков имеют встроенный потенциометр для регулировки чувствительности. Для работы производится основная настройка на зазор 0,7…0,85_ном. Регулировку производят, используя квадратную металлическую пластину со сторонами 35_ном.

В сомнительных случаях рекомендуется сделать контрольный замер с помощью заземленного стандартного элемента воздействия. Настройки на зазор до 1,55

ном являются некритичными для работы датчика.

Примечание: При настройке S_r⩾S_ном может значительно возрасти гистерезис датчика.

Схема подключения емкостных датчиков

Полезные ссылки

Емкостные датчики приближения — подбор по характеристикам

Емкостные датчики приближения широко распространены в промышленности и применяются практически во всех отраслях. Емкостные датчики приближения сравнительно недороги, но надежны.

Выбрать и купить емкостный датчик положения вы можете в интернет-магазине …

Области применения емкостных датчиков приближения

Емкостные датчики приближения имеют широкий спектр применения в САР и САУ всех отраслей промышленности. Например:

• Сортировочные машины и счетное оборудование
• Пищевая промышленность
• Типография
• Станкостроение
• Нефтехимический комплекс
• Складская деятельность
• Транспортировочное оборудование (регистрация объектов на конвейерах и т.п.)
• Автомобильная индустрия
• Машиностроение
• Системы безопасности/охраны
• Сфера защиты окружающей среды
• Робототехника
• ЖКХ (включение освещения при приближение человека и т.п.)

Назначение емкостных датчиков приближения

• Обнаружение и распознавание предметов, объектов на производстве:
  • Металлических (проводящие)
  • Неметаллических (пластмассы, бумага, дерево, жидкости, картон и т.п.)
• Регистрация объектов, распознавание и контроль листовых материалов и проводов на обрыв, регулирование натяжения (пленки, фольга и т.п.)
• Сортировка объектов по физическим свойствам
• Контроль:
  • Уровня наполнения тары/упаковки (сигнализация)
  • Позиционного отклонения
  • Перемещения объекта
  • Поперечного и продольного смещения
  • Статического/динамического смещения
  • Положения в пространстве
  • Концентричности
  • Точности посадки
  • Отдельных элементов (подсчет)
• Манипулирование
• Измерение вибрации

Преимущества

Достоинства емкостных датчиков приближения:

• Способность обнаружения объектов сквозь «непрозрачные преграды» (например, жидкостей через стекло или пластик)
• Обнаружение всех материалов, в том числе агрессивных химических
• Простой, надежный конструктив
• Бесконтактный принцип работы
• Сравнительно невысокая цена

Недостатки

Недостатками могут быть:

1. Возможные требования к экранированию. В частности, нужно соблюдать правила размещения датчиков в непосредственной близости друг от друга.
2. Влияние окружающей среды на функционирование датчиков.
3. Влияние материала и габаритов объекта регистрации на параметры приборов

Принцип работы емкостных датчиков приближения

Принцип работы емкостных датчиков приближения заключается в использовании емкостных связей, где сам датчик выполняет роль обкладки конденсатора, а диэлектриком обычно является воздух. Вторая обкладка – земля.

Датчики имеют в своем составе чувствительный электрод, который испускает электрическое поле и формирует емкость. При этом у прибора формируется определенная рабочая зона чувствительности. Если в эту зону попадает объект (с более высокой диэлектрической проницаемостью), то емкость начинает увеличиваться. При превышении заданного в настройках уровня, датчик фиксирует наличие объекта и переключает выходное реле.

На рисунке ниже показан пример с жидкостью. Наличие жидкости вызывает переключение выхода датчика.

Выбрать и купить емкостной датчик положения вы можете в интернет-магазине РусАвтоматизация …

бесконтактные датчики, Устройство и принцип работы емкостного датчика

В основе принципа работы емкостного датчика лежит изменение емкости конденсатора при внесении в его электрическое поле какого-либо материала.

Устройство емкостного датчика общего применения показано на рисунке ниже:

Электроды конденсатора, являющегося частью генератора, создают электрическое поле для взаимодействия с объектом.

Генератор обеспечивает переменное электрическое поле перед электродами конденсатора.

Демодулятор преобразует изменение высокочастотных колебаний генератора в изменение постоянного напряжения.

Триггер обеспечивает необходимый порог срабатывания, гистерезис, крутизну фронтов сигнала управления.

Усилитель увеличивает амплитуду и рабочий ток выходного сигнала до необходимых значений.

Подстроечный элемент служит для регулировки чувствительности датчика и отстройки от помех (росы, инея и пр.)

Индикатор — обычно светодиодный обеспечивает визуальный контроль срабатывания датчика, увеличивая удобство эксплуатации, уменьшая время настройки.

Компаунд обеспечивает необходимую степень защиты от вредного воздействия твердых частиц и влаги.

Корпус. В цилиндрических датчиках чаще всего выполняется из латуни и нержавеющей стали. В прямоугольных и других исполнениях применяются ударопрочные пластики. Корпус служит для обеспечения монтажа датчика и защиты от механических и прочих внешних воздействий.

Принцип работы

При подаче напряжения питания, перед поверхностью электродов как бы «развернутого» конденсатора возникает электрическое поле. Данное поле так же считается зоной чувствительности емкостного датчика. Параметры генератора выбраны таким образом, что при отсутствии каких либо материалов в зоне чувствительности датчика, кроме воздуха, имеющего диэлектрическую проницаемость близкую к единице, электрических колебаний в генераторе не возникает.

 

 

 

 

При попадании какого-либо материала в поле конденсатора с большей диэлектрической проницаемостью, увеличивается емкость конденсатора. В генераторе возникают колебания с амплитудой, зависящей от расстояния до материала, размеров его, а также от его диэлектрической проницаемости. Амплитуда колебаний преобразуется демодулятором в изменение уровня постоянного напряжения, что вызывает срабатывание триггера и изменение состояния выхода датчика.

 

 

 

 

Разнообразие объектов воздействия, вызывающих срабатывание емкостных выключателей, обуславливает широкий спектр областей, в которых они применяются.

Наибольший эффект достигается при использовании в системах: — контроля уровня наполнения резервуаров, емкостей, контейне- ров сыпучими и жидкими материалами; — контроля уровня содержимого в упаковке, в таре; — сигнализации разрыва лент; — счета и позиционирования объектов любого рода.

Возможно применение емкостных выключателей в пищевой и в химической отраслях промышленности. При этом для исключения непосредственного контакта активной поверхности выключателя с пищевыми продуктами или с химически агрессивными средами, можно рекомендовать использовать защитную диэлектрическую перегородку, изготовленную из соответствующих материалов.

При необходимости обнаружения веществ и материалов, находящихся за металлической стенкой, в ней следует выполнить окно, закрытое диэлектрической перегородкой, перед которой устанавливают емкостный выключатель. Толщина перегородки должна быть значительно меньше расстояния воздействия выключателя, а диэлектрик должен иметь малую диэлектрическую проницаемость Er.

Емкостной датчик: принцип работы, разновидности, схема

Емкостной датчик, как его определяет Большая Советская Энциклопедия, — измерительный преобразователь, позволяющий неэлектрические величины перевести в значения электрической емкости. Например, такие как давление, уровень жидкости, механическое усилие, влажность, и прочие. Изменения  емкости оказываются пропорциональны колебаниям измеряемой величины, и это соответствие позволяет отследить ее поведение.

Как работает такой измеритель

По сути дела, подобный сенсор представляет собой конденсатор. На определении его характеристики базируется работа измерителя и контроль параметров. Поэтому вполне к месту будет вспомнить о том, что такое конденсатор.

Про конденсатор, его характеристики

Как известно, емкость конденсатора определяется формулой

С=Ɛ×Ɛ0×S/d

Где:

• Ɛ0 — диэлектрическая постоянная;
• Ɛ — относительная диэлектрическая проницаемость среды между пластинами;
• d — зазор между обкладками;
• S — площадь обкладок.

В этой формуле три переменные величины — диэлектрическая проницаемость Ɛ, площадь S обкладок конденсатора и зазор между обкладками d. Изменение любой из них приведет к изменению емкости, а отслеживание колебаний позволит контролировать характеристики среды или другого параметра.

Принцип работы емкостного измерителя

Самое простое техническое решение — включить измерительный сенсор во времязадающую цепь генератора. Не вдаваясь в тонкости схемотехники, можно сказать, что принцип работы любого емкостного датчика тем или иным образом связан с изменением параметров генератора. Это происходит из-за колебаний емкости конденсатора, что приводит к генерации им колебаний другой частоты.

Таким образом, отслеживая ее значение на выходе измерителя, можно оценивать  изменения контролируемого параметра. Конечно, в каждом конкретном случае схемотехническое решение может быть разным. Во многом оно будет зависеть от параметра конденсатора, на который оказывается воздействие со стороны внешней среды.

Это может быть изменение зазора между обкладками конденсатора из-за их сближения или удаления. Или при заполнении резервуара другой средой, например водой, изменится значение диэлектрической проницаемости. Или обкладки конденсатора после внешних воздействий будут располагаться друг относительно друга по-разному.

Любое подобное воздействие вызовет изменение значения емкости конденсатора, а значит, повлияет на работу схемы. Например, емкостные датчики уровня контролируют степень заполнения резервуара или бункера. Зная зависимость между уровнем жидкости и емкостью конденсатора, можно определить, насколько заполнен бак.

Хотя надо отметить, что могут применяться и другие способы обработки сигналов датчика. Их достаточно много, выбор того или иного зависит от конкретных условий. Современный уровень развития электроники позволяет получать обработанный сигнал в виде цифрового кода.

Еще один метод измерения емкости — использование аналого-цифровых преобразователей. Микроконтроллеры вполне могут справиться подобной задачей. В этом случае значительно упрощается измерительная часть приборов на их основе.

Какие бывают датчики

Все измерители на основе ёмкостного сенсора можно разделить на:

• одноемкостные;
• двухемкостные.

Необходимо отметить, что конструктивно емкостные датчики могут быть:

• плоскими;
• цилиндрическими;
• поворотными.

Сфера применения любых из них достаточно обширна. Как пример, по функциональному назначению их можно использовать в роли:

• измерителей уровня;
• приборов контроля углового перемещения;
• датчиков перемещения;
• инклинометров;
• датчиков давления.

Этими примерами далеко не исчерпываются варианты применения емкостных измерителей. Ниже будут рассмотрены и другие возможности, предоставляемые этими приборами.

Одноемкостные датчики

Это самые простые сенсоры. По сути, они являются обычными конденсаторами переменной емкости, изменения которой отслеживаются специальной схемой. Ёмкостные измерители подобного типа подвержены сильному влиянию со стороны внешней среды. Лучше всего на их основе реализовывать различные бесконтактные варианты контроля, например приближения посторонних лиц к охраняемой зоне или движения в ней.

Как выглядят на практике подобные конденсаторы, можно понять из приведенных ниже рисунков.

Двухемкостные датчики

Позволяют уменьшить влияние внешней среды. Ёмкостный сенсор подобного типа отличается большей точностью измерения из-за того, что один конденсатор служит в качестве эталонного. Это позволяет компенсировать стороннее влияние. Двухемкостные датчики бывают дифференциальными и полудифференциальными. Схематически примеры построения подобных приборов показаны ниже.

Другой способ повысить чувствительность емкостного измерителя — использовать мостовую схему включения.

Датчики уровня

Емкостные датчики уровня — устройства, позволяющие контролировать уровень жидкого или сыпучего вещества в баке или бункере. Конечно, конструктивное исполнение вариантов измерителей для различных веществ будет разным, но принцип останется неизменным.

Фактически емкостные датчики уровня подобного типа являются двумя конденсаторами, соединенными между собой параллельно. Только у одного диэлектриком служит воздух, а у другого — жидкость или иное вещество. Таким образом, емкость каждого из них будет разная, она будет меняться и зависеть от степени заполнения бункера (бака).

Приведенный рисунок или схема емкостного датчика отличается простотой построения и универсальностью. Однако, чтобы повысить точность измерения, лучше всего, как минимум, дополнительно контролировать температуру жидкости, от нее зависит значение диэлектрической проницаемости. И в зависимости от температуры в расчетах необходимо будет использовать поправочный коэффициент.

Датчики линейного перемещения

Подобные устройства могут использоваться в самых разных целях, например для:

• контроля начала-окончания рабочего хода исполнительного устройства в автоматических станках;
• позиционирования различных объектов;
• фиксации появления стороннего объекта в системе охраной сигнализации;
• как концевой выключатель.

Датчики подобного типа могут работать на различных принципах. Ниже рассмотрим два варианта их реализации.

• На основе изменения зазора между пластинами конденсатора. В таком варианте воздействие приходится на одну из обкладок, она под приложенным усилием может смещаться, что вызывает изменение емкости конденсатора, пропорциональное воздействию.
• В представленном ниже варианте работа датчика основана на изменении диэлектрической проницаемости диэлектрика между обкладками.

Датчики углового перемещения

По своей сути подобные сенсоры похожи на датчики линейного перемещения, и чаще всего для этих целей используют приборы с изменяемой площадью. Одна из обкладок конденсатора прикреплена к валу объекта, а другая остается неподвижной. Изменение степени перекрытия пластин вызывает колебания емкости.

Для повышения точности измерения чаше всего используют многосекционные преобразователи.

Инклинометр

Принцип работы такого устройства схож с тем, как работает емкостный датчик уровня. В специальной капсуле крепится подложка, на которой располагаются два изолированных участка, которые являются одним из выводов конденсатора. Внутри капсула заполнена токопроводящей жидкостью. Она является  другим электродом конденсатора. Его емкость определяется положением прибора по вертикали и не зависит от угла наклона в других направлениях.

Датчик давления

В подобном измерителе давление вызывает изменение расстояния между обкладками конденсатора. Достигается это тем, что между его пластинами располагается эластичная мембрана, на которую и оказывается воздействие. Перегородка в зависимости от давления движется в ту или иную сторону, что приводит к изменению емкости.

Емкостные датчики прикосновения

Рассматривая разнообразные типы сенсоров на основе электрической емкости, нельзя обойти вниманием такое их использования  как датчики прикосновения. Самым наглядным примером подобных приборов служат смартфоны. Реализация датчиков прикосновения может быть достаточно сложной, но она базируется на некоторых простых основополагающих принципах. Работа таких устройств основана:

• на использовании собственной емкости;
• на использовании взаимной емкости.

Далее будет рассмотрен принцип работы датчиков прикосновения на основе собственной емкости.

Датчик на основе собственной емкости

Конденсатор существует  не только в виде отдельного объемного элемента с выводами. Емкостью также обладают два обычных проводника, расположенные параллельно. Исходя из этого, можно получить конденсатор, основываясь на электропроводных слоях, разделенных каким-либо диэлектриком. Такой конденсатор может быть получен на основе печатной платы.

Он представлен на рисунке ниже (в двух проекциях — сверху и сбоку). Мы видим обособленный участок (сенсорная кнопка), отделенный от общего слоя меди. А так как остальные участки соединены с землей, то сенсорная площадка может быть представлена как конденсатор между ней и землей.

Емкость такого конденсатора будет мала, порядка 10 пФ. Но для различных устройств ее значение не принципиально. При контроле зачастую важна не емкость, а ее изменение. Именно на это рассчитаны те схемы, которые обрабатывают состояние сенсорной кнопки.

Как изменить состояние кнопки

Самое простое, что можно сделать, — прикоснуться пальцем. Надо сразу отметить, что никакой опасности для человека такое касание не представляет. Обычно все платы покрываются лаком, так что прямого контакта с токопроводящими элементами не произойдет. Тем не менее, изменения состояния конденсатора будут. Это возможно по двум причинам:

• из-за диэлектрической проницаемости человеческого тела;
• из-за собственной проводимости

Тело обладает собственной диэлектрической проницаемостью

Вследствие того, что диэлектрическая проницаемость тела отличается от диэлектрической проницаемости воздуха, который служит изолятором в первоначальный момент, то емкость конденсатора изменится. Здесь расчет простой — диэлектрическая проницаемость воздуха 1, а воды — 80 (человеческое тело по большей части состоит из воды). Значит, емкость сенсорной кнопки увеличится.

Для этого изменения даже не надо ее касаться. Как показали исследования ученых, порой достаточно просто поднести палец к контакту.

Тело обладает собственной проводимостью

Это давно установленный факт.

И хотя выше говорилось, что касание не несет опасности для человека, тем не менее, оно вносит свою лепту в изменение состояния сенсорной кнопки. Упрощенно можно считать, что емкость пальца подключена параллельно емкости сенсорной кнопки. Поэтому общая емкость системы, как и в предыдущем случае, увеличится. А значит, оба рассмотренных механизма (изменение диэлектрической проницаемости и собственная проводимость человеческого тела) приводят к увеличению емкости.

Использование емкостных датчиков прикосновения

Подобные сенсоры нашли широкое применение не так давно, хотя в повседневной жизни они встречаются повсеместно. Можно ожидать, что благодаря им использование механических переключателей и кнопок будет минимизировано. Самое главное — такая технология позволяет определить момент касания, а уж современная  электроника его обработает без каких либо проблем.

Датчики присутствия

Другим, не менее важным и востребованным вариантом применения датчиков на основе емкости является их использование для обнаружения кого- или чего-либо в зоне контроля. Самый простой пример — включение освещения на лестничной площадке. Хотя этим далеко не исчерпываются возможности таких измерителей. Не менее востребовано применение таких сенсоров в системах охранной сигнализации. Или подсчета количества штучной продукции.

Как это работает

Выше уже отмечалось, что человеческое тело обладает определенной диэлектрической проницаемостью и проводимостью.

На рисунке представлено схематическое изображение такой системы. Имеются два электрода, подключенные к измерителю. Каждый из них обладает своей емкостью, обозначенной С1. В результате есть определенная  результирующая емкость у всей системы.

При появлении в контролируемой зоне какого-то нового объекта, например человека, у системы образуются две дополнительные емкости:  Са — между электродом  и телом человека, и Сb — между человеком и землей. Результирующая емкость всей системы изменится, и это изменение может быть отслежено схемой контроля.

Еще один способ обнаружения присутствия

В этом случае также используется эффект увеличения емкости при появлении постороннего предмета в зоне контроля. Только в данном случае применяется механизм активного воздействия на контролируемый участок. Для этого используется схема датчика с активным излучателем.

В состав такого измерителя входят генератор сигналов, компаратор и усилитель-преобразователь. При включении схемы в пространстве перед измерителем возникает электрическое поле. Генератор настроен таким образом, чтобы при отсутствии посторонних предметов он не запускался. Достигается это тем, что свободное пространство считается развернутым конденсатором с диэлектрической проницаемостью равной 1. Значение емкости получается недостаточным для запуска генератора.

При появлении каких-либо материалов, объектов, людей перед измерителем диэлектрическая проницаемость среды изменяется (увеличивается), также растет емкость конденсатора. Это приводит к запуску генератора. Амплитуда колебаний будет зависеть от расстояния до предмета, его материала и диэлектрической проницаемости.

При достижении амплитуды колебаний определенной величины, срабатывает компаратор и выдает сигнал на усилитель. Посторонний предмет обнаружен.

Данная схема может применяться не только в системах охранной сигнализации для фиксации вторжения в закрытую зону, но и для других целей. На этом принципе может работать система подсчета количества штучного товара, например, упаковок молока, консервных банок или любых других аналогичных предметов.

Возможные сферы применения датчиков

Рассмотренные емкостные датчики уровня, давления, положения и другие типы подобных изделий, а также особенности конструкции, позволяют сделать вывод об их универсальности. А значит, они могут быть использованы в разных областях промышленности, схемах регулирования и контроля.  В качестве примера можно назвать следующие области народного хозяйства, где могут применяться подобные измерители:

• нефтегазовая промышленность;
• добыча и переработка металлов;
• горнодобывающая промышленность;
• сельское хозяйство, в том числе животноводство и растениеводство;
• деревообрабатывающая промышленность;
• производство напитков и продуктов питания;
• станкостроение и роботизированные комплексы;
• целлюлозно-бумажная промышленность;
• химическая промышленность и другие.

Использование емкостных преобразователей позволяет решить самые различные задачи. Перечислить их все просто нереально, но опять же в качестве примеров можно перечислить такие варианты их использования:

• указание положения жидкости, сыпучих веществ, в том числе продуктов, в трубе или хранилище, контроль их заполнения;
• сигнализация обрыва провода, ленты, иных подобных предметов при намотке;
• подсчет количества штучных изделий;
• контроль натяжения ленты;
• использование в охранных системах для обнаружения несанкционированного вторжения.

Преимущества емкостных датчиков

Среди несомненных достоинств таких сенсоров, где бы они ни применялись, хоть в Москве, хоть в Антарктиде, стоит отметить:

• малый вес, габариты, незначительное потребление электроэнергии;
• отсутствие контактов;
• длительный срок эксплуатации;
• возможность адаптировать датчики к использованию для решения различных задач;
• незначительные усилия для перемещения подвижных частей.
• простоту изготовления, а также применение для этих целей доступных, недорогих материалов;

Недостатки датчиков

Однако для таких измерителей характерны и некоторые недостатки:

• ошибки и погрешности, порой значительные, в процессе измерений;
• необходимость использования преобразователей и измерителей, работающих на высоких частотах;
• экранирование измерительных и высокочастотных цепей;

Где купить

Различные сенсорные устройства можно купить в специализированном магазине. Но существует другой вариант, который недавно получил ещё и значительные улучшения. Долго ждать посылку из Китая больше не требуется: в интернет-магазине АлиЭкспресс появилась возможность отгрузки с перевалочных складов, расположенных в различных странах. Например, при заказе вы можете указать опцию «Доставка из Российской Федерации».

Переходите по ссылкам и выбирайте:

Заключение

Различные измерители, построенные на емкостных датчиках, широко используются в самых разных отраслях промышленности, отличаются простотой в изготовлении и применении. Имеют длительный срок службы и высокую надежность.

Видео по теме

Емкостной сенсорный датчик, электрическая схема, печатная плата

Емкостной датчик – это один из типов бесконтактных датчиков, принцип работы которого основан на изменении диэлектрической проницаемости среды между двух обкладок конденсатора. Одной обкладкой служит сенсорный датчик схемы в виде металлической пластины или провода, а второй – электропроводящее вещество, например, металл, вода или тело человека.

При разработке системы автоматического включения подачи воды в унитаз для биде возникла необходимость применения емкостного датчика присутствия и выключателя, обладающих высокой надежностью, устойчивостью к изменению внешней температуры, влажности, пыли и питающему напряжению. Хотелось также исключить необходимость прикосновения человека с органами управления системы. Предъявляемые требования могли обеспечить только схемы сенсорных датчиков, работающих на принципе изменения емкости. Готовой схемы удовлетворяющей необходимым требованиям не нашел, пришлось разработать самостоятельно.

Получился универсальный емкостной сенсорный датчик, который не требует настройки и реагирует на приближающиеся электропроводящие предметы, в том числе и человека, на расстояние до 5 см. Область применения предлагаемого сенсорного датчика не ограничена. Его можно применять, например, для включения освещения, систем охранной сигнализации, определения уровня воды и в многих других случаях.

Электрические принципиальные схемы

Для управления подачей воды в биде унитаза понадобилось два емкостных сенсорных датчика. Один датчик нужно было установить непосредственно на унитазе, он должен был выдавать сигнал логического нуля при присутствии человека, а при отсутствии сигнал логической единицы. Второй должен был служить включателем воды и находиться в одном из двух логических состояний.

При поднесении к сенсору руки датчик должен был менять логическое состояние на выходе – из исходного единичного состояния переходить в состояние логического нуля, при повторном прикосновении руки из нулевого состояния переходить в состояние логической единицы. И так до бесконечности, пока на сенсорный включатель поступает разрешающий сигнал логического нуля с датчика присутствия.

Схема емкостного сенсорного датчика

Основой схемы емкостного сенсорного датчика присутствия является задающий генератор прямоугольных импульсов, выполненный по классической схеме на двух логических элементах микросхемы D1.1 и D1.2. Частота генератора определяется номиналами элементов R1 и C1 и выбрана около 50 кГц. Значение частоты на работу емкостного датчика практически не влияет. Я менял частоту от 20 до 200 кГц и влияния на работу устройства визуально не заметил.

С 4 вывода микросхемы D1.2 сигнал прямоугольной формы через резистор R2 поступает на входы 8, 9 микросхемы D1.3 и через переменный резистор R3 на входы 12,13 D1.4. На вход микросхемы D1.3 сигнал поступает с небольшим изменением наклона фронта импульсов из-за установленного датчика, представляющего собой кусок провода или металлическую пластину. На входе D1.4, из за конденсатора С2, фронт изменяется на время, необходимое для его перезаряда. Благодаря наличию подстроечного резистора R3, есть возможность фронты импульса на входе D1.4, выставить равным фронту импульса на входе D1.3.

Если приблизить к антенне (сенсорному датчику) руку или металлический предмет, то емкость на входе микросхемы DD1.3 увеличится и фронт поступающего импульса задержатся во времени, относительно фронта импульса, поступающего на вход DD1.4. чтобы «уловить» эту задержку про инвертированные импульсы подаются на микросхему DD2.1, представляющую собой D триггер, работающий следующим образом. По положительному фронту импульса, поступающего на вход микросхемы C, на выход триггера передается сигнал, который в тот момент был на входе D. Следовательно, если сигнал на входе D не изменяется, поступающие импульсы на счетный вход C не оказывают влияния на уровень выходного сигнала. Это свойство D триггера и позволило сделать простой емкостной сенсорный датчик.

Когда емкость антенны, из за приближения к ней тела человека, на входе DD1.3 увеличивается, импульс задерживается и это фиксирует D триггер, изменяя свое выходное состояние. Светодиод HL1 служит для индикации наличия питающего напряжения, а HL2 для индикации приближения к сенсорному датчику.

Схема сенсорного включателя

Схему емкостного сенсорного датчика можно использовать и для работы сенсорного включателя, но с небольшой доработкой, так как ему необходимо не только реагировать на приближение тела человека, но и оставаться в установившемся состоянии после удаления руки. Для решения этой задачи пришлось к выходу сенсорного датчика добавить еще один D триггер, DD2.2, включенный по схеме делителя на два.

Схема емкостного датчика была немного доработана. Для исключения ложных срабатываний, так как человек может подносить и удалять руку медленно, из-за наличия помех датчик может выдавать на счетный вход D триггера несколько импульсов, нарушая необходимый алгоритм работы включателя. Поэтому была добавлена RC цепочка из элементов R4 и C5, которая на небольшое время блокировала возможность переключение D триггера.

Триггер DD2.2 работает так же, как и DD2.1, но сигнал на вход D подается не с других элементов, а с инверсного выхода DD2.2. В результате по положительному фронту импульса, приходящего на вход С сигнал на входе D изменяется на противоположный. Например, если в исходном состоянии на выводе 13 был логический ноль, то поднеся руку к сенсору один раз, триггер переключится и на выводе 13 установится логическая единица. При следующем воздействии на сенсор, на выводе 13 опять установится логический ноль.

Для блокировки включателя при отсутствии человека на унитазе, с сенсора на вход R (установка нуля на выходе триггера вне зависимости от сигналов на всех остальных его входах) микросхемы DD2.2 подается логическая единица. На выходе емкостного выключателя устанавливается логический ноль, который по жгуту подается на базу ключевого транзистора включения электромагнитного клапана в Блоке питания и коммутации.

Резистор R6, при отсутствии блокирующего сигнала с емкостного датчика в случае его отказа или обрыва управляющего провода, блокирует триггер по входу R, тем самым исключает возможность самопроизвольной подачи воды в биде. Конденсатор С6 защищает вход R от помех. Светодиод HL3 служит для индикации подачи воды в биде.

Конструкция и детали емкостных сенсорных датчиков

Когда я начал разрабатывать сенсорную систему подачи воды в биде, то наиболее трудной задачей мне казалась разработка емкостного датчика присутствия. Обусловлено это было рядом ограничений по установке и эксплуатации. Не хотелось, чтобы датчик был механически связан с крышкой унитаза, так как ее периодически надо снимать для мойки, и не мешал при санитарной обработке самого унитаза. Поэтому и выбрал в качестве реагирующего элемента емкость.

Конструкция сенсорного датчика присутствия

По выше опубликованной схеме сделал опытный образец. Детали емкостного датчика собраны на печатной плате, плата размещена в пластмассовой коробке и закрывается крышкой. Для подключения антенны в корпусе установлен одноштырьковый разъем, для подачи питающего напряжения и сигнала установлен четырех контактный разъем РШ2Н. Соединена печатная плата с разъемами пайкой медными проводниками в фторопластовой изоляции.

Сенсорный емкостной датчик собран на двух микросхемах КР561 серии, ЛЕ5 и ТМ2. Вместо микросхемы КР561ЛЕ5 можно применить КР561ЛА7. Подойдут и микросхемы 176 серии, импортные аналоги. Резисторы, конденсаторы и светодиоды подойдут любого типа. Конденсатор С2, для стабильной работы емкостного датчика при эксплуатации в условиях больших колебаниях температуры окружающей среды нужно брать с малым ТКЕ.

Установлен датчик под площадкой унитаза, на которой установлен сливной бачок в месте, куда в случае протечки из бачка вода попасть не сможет. К унитазу корпус датчика приклеен с помощью двустороннего скотча.

Антенный датчик емкостного сенсора представляет собой отрезок медного многожильного провода длинной 35 см в изоляции из фторопласта, приклеенного с помощью прозрачного скотча к внешней стенке чаши унитаза на сантиметр ниже плоскости очка. На фотографии сенсор хорошо виден.

Для настройки чувствительности сенсорного датчика необходимо после его установки на унитаз, изменяя сопротивление подстроечного резистора R3 добиться, чтобы светодиод HL2 погас. Далее положить руку на крышку унитаза над местом нахождения сенсора, светодиод HL2 должен загораться, если руку убрать, потухнуть. Так как бедро человека по массе больше руки, то при эксплуатации сенсорный датчик, после такой настройки, будет работать гарантировано.

Конструкция и детали емкостного сенсорного включателя

Схема емкостного сенсорного включателя имеет больше деталей и для их размещения понадобился корпус большего размера, да и по эстетическим соображениям, внешний вид корпуса, в котором был размещен сенсорный датчик присутствия не очень подходил для установки на видном месте. Внимание на себя обратила настенная розетка rj-11 для подключения телефона. По размерам она подходила и имела хороший внешний вид. Удалив из розетки все лишнее, разместил в ней печатную плату емкостного сенсорного выключателя.

Для закрепления печатной платы в основании корпуса была установлена короткая стойка и к ней с помощью винта прикручена печатная плата с деталями сенсорного выключателя.

Датчик емкостного сенсора сделал, приклеив ко дну крышки розетки клеем «Момент» лист латуни, предварительно вырезав в них окошко для светодиодов. При закрывании крышки, пружина (взята от кремниевой зажигалки) соприкасается с латунным листом и таким образом обеспечивается электрический контакт между схемой и сенсором.

Крепится емкостной сенсорный включатель на стену с помощью одного самореза. Для этого в корпусе предусмотрено отверстие. Далее устанавливается плата, разъем и закрепляется защелками крышка.

Настройка емкостного выключателя практически не отличается от настройки сенсорного датчика присутствия, описанного выше. Для настройки нужно подать питающее напряжение и резистором отрегулировать, чтобы светодиод HL2 загорался, когда к датчику подносится рука, и гас, при ее удалении. Далее нужно активировать сенсорный датчик и поднести и удалить руку к сенсору выключателя. Должен мигнуть светодиод HL2 и загореться красный светодиод HL3. При удалении руки красный светодиод должен продолжать светиться. При повторном поднесении руки или удалении тела от датчика, светодиод HL3 должен погаснуть, то есть выключить подачу воды в биде.

Универсальная печатная плата

Представленные выше емкостные датчики собраны на печатных платах, несколько отличающихся от печатной платы приведенной ниже на фотографии. Это связано с объединением обеих печатных плат в одну универсальную. Если собирать сенсорный включатель, то необходимо только перерезать дорожку под номером 2. Если собирать сенсорный датчик присутствия, то удаляется дорожка номер 1 и не все элементы устанавливаются.

Не устанавливаются элементы, необходимые для работы сенсорного включателя, но мешающие работе датчика присутствия, R4, С5, R6, С6, HL2 и R4. Вместо R4 и С6 запаиваются проволочные перемычки. Цепочку R4, С5 можно оставить. Она не будет влиять на работу.

Ниже приведен рисунок печатной платы для накатки при использовании термического метода нанесения на фольгу дорожек.

Достаточно распечатать рисунок на глянцевой бумаге или кальке и шаблон готов для изготовления печатной платы.

Безотказная работа емкостных датчиков для сенсорной системы управления подачи воды в биде подтверждена на практике в течении трех лет постоянной эксплуатации. Сбоев в работе не зафиксировано.

Однако хочу заметить, что схема чувствительна к мощным импульсным помехам. Мне приходило письмо о помощи в настройке. Оказалось, что во время отладки схемы рядом находился паяльник с тиристорным регулятором температуры. После выключения паяльника схема заработала.

Еще был такой случай. Емкостной датчик был установлен в светильник, который подключался в одну розетку с холодильником. При его включении свет включался и при повторном выключался. Вопрос был решен подключением светильника в другую розетку.

Приходило письмо об успешном применении описанной схемы емкостного датчика для регулировки уровня воды в накопительном баке из пластика. В нижней и верхней части было приклеено силиконом по датчику, которые управляли включением и выключением электрического насоса.

Емкостной датчик уровня топлива SmartSensor II | Оборудование

SmartSensor II – является датчиком уровня топлива нового поколения (производства нашей компании), в отличие от старого SmartSensor, новый исполнен в сверхпрочном, цельном алюминиевом корпусе. При изготовлении использованы новые, более точные компоненты, датчик может измерять наличие воды в баке.

…

Датчик уровня топлива (датчик расхода топлива) от производителя (в Украине).

ООО «Ай Ти — Линкс» занимается предоставлением услуг в сфере GPS мониторинга и контроля расхода топлива с 2007-го года, за это время нашими специалистами был приобретен огромный опыт в разработке и производстве оборудования для данной сферы. Таким образом, датчик уровня топлива (датчик расхода топлива) от нашей компании является самым качественным и доступным на рынке Украины.

Внешний вид:

Датчки уровня топлива SmartSensor II (далее по тексту – датчик) является бесконтактным измерителем уровня горюче-смазочных материалов (далее по тексту – ГСМ): дизельного топлива, бензина, масла.

Принцип действия – емкостной. Трубка измерительного зонда и стержень внутри нее образуют обкладки конденсатора, емкость которого изменяется при изменении уровня ГСМ. При попадании электропроводящей жидкости (например, воды) внутрь обкладок показания датчика соответствуют полному баку – датчик не предназначен для измерения уровня электропроводящих жидкостей. Изменение емкости конденсатора преобразуется электронной схемой в цифровой сигнал, который может быть прочитан, обработан и передан на сервер системы GPS мониторинга, диспетчеризации и удалённого управления мобильными объектами «Инспектор» с помощью устройства GPS мониторинга SmartTrack.

Более детально о контроле расхода топлива для автотранспорта можно ознакомится в описании тарифа «Топливо+» системы GPS мониторинга «Инспектор».

Ознакомится с сертификатами на емкостной датчик уровня топлива SmartSensor II можно перейдя по ссылке.

Гарантия на датчик — 12 месяцев.

Технические характеристики:

Наименование характеристики или параметра	Единица измерения	Значение
Общие:
Предельный диапазон рабочей температуры	°С	от -40 до +75
Степень защиты электронных схем датчика	—	IP68
Время непрерывной работы	—	не ограничено
Измерения:
Диапазон длин измерительного зонда датчика	мм	от 100 до 5000
Основная допустимая погрешность измерения уровня в статическом режиме, не более	%	1
Период усреднения результатов измерений в динамическом режиме	с	8
Разрядность кода представления результатов измерения уровня топлива	бит	16
Разрядность кода представления результатов измерения температуры	бит	16
Питание:
Напряжение питания	В	от 8 до 35
Ток потребления	мА	от 2 до 5
Интерфейс:
Цифровой	—	двухпроводная шина

Работа и оптимизация емкостного датчика

Техническое примечание емкостного датчика LT03-0020

Авторские права © 2012 Lion Precision. www.lionprecision.com

Сводка

В этой технической заметке рассматриваются концепции и теория емкостного измерения, помогающие оптимизировать характеристики емкостного датчика. Он также определяет термины емкостного считывания, используемые в литературе и руководствах Lion Precision.

Емкость и расстояние

Бесконтактные емкостные датчики работают путем измерения изменений электрического свойства, называемого емкостью.Емкость описывает, как два проводящих объекта с промежутком между ними реагируют на приложенную к ним разность напряжений. Когда к проводникам прикладывается напряжение, между ними создается электрическое поле, в результате чего на каждом объекте накапливаются положительные и отрицательные заряды (рис. 1). Если полярность напряжения поменять местами, заряды также поменяются местами.

Емкостные датчики используют переменное напряжение, которое заставляет заряды постоянно менять свое положение. Перемещение зарядов создает переменный электрический ток, который регистрируется датчиком (рис.2). Сумма

протекание тока определяется емкостью, а емкость определяется площадью и близостью проводящих объектов. Более крупные и близкие объекты вызывают больший ток, чем более мелкие и удаленные объекты. На емкость также влияет тип непроводящего материала в зазоре между объектами.

С технической точки зрения, емкость прямо пропорциональна площади поверхности объектов и диэлектрической проницаемости материала между ними и обратно пропорциональна расстоянию между ними (рис.3).

Рис. 1 Приложение напряжения к проводящим объектам вызывает накопление положительных и отрицательных зарядов на каждом объекте. Это создает электрическое поле в пространстве между объектами

Рис. 2 Подача переменного напряжения заставляет заряды перемещаться вперед и назад между объектами, создавая переменный ток, который обнаруживается датчиком.

Рисунок 3 Емкость определяется площадью, расстоянием и диэлектрической проницаемостью (материалом между проводниками).Емкость увеличивается при увеличении площади или диэлектрической проницаемости, а емкость уменьшается при увеличении расстояния.

В типичных емкостных измерениях зонд или датчик является одним из проводящих объектов; целевой объект — другой. (Использование емкостных датчиков для обнаружения пластмасс и других изоляторов обсуждается в разделе непроводящих целей.) Размеры датчика и цели предполагаются постоянными, как и материал между ними.Следовательно, любое изменение емкости является результатом изменения расстояния между зондом и целью. Электроника откалибрована для создания определенных изменений напряжения для соответствующих изменений емкости. Эти напряжения масштабируются для представления конкретных изменений расстояния. Величина изменения напряжения при заданном изменении расстояния называется чувствительностью. Обычная настройка чувствительности составляет 1,0 В / 100 мкм. Это означает, что на каждые 100 мкм изменения расстояния выходное напряжение изменяется ровно на 1.0V. При этой калибровке изменение выходного сигнала на +2 В означает, что цель переместилась на 200 мкм ближе к датчику.

Фокусировка электрического поля

Когда к проводнику прикладывается напряжение, электрическое поле исходит от каждой поверхности. В емкостном датчике чувствительное напряжение прикладывается к чувствительной области зонда (рис. 4, 5).

Для точных измерений электрическое поле из зоны зондирования должно удерживаться в пространстве между зондом и целью.Если электрическому полю разрешено распространяться на другие предметы или другие области на цели, то изменение положения другого предмета будет измеряться как изменение положения цели.

Для предотвращения этого используется техника, называемая «охрана». Чтобы создать защиту, задняя и боковые стороны чувствительной области окружены другим проводником, который поддерживает то же напряжение, что и сама чувствительная область (рис. 4, 6).

Когда напряжение подается на чувствительную область, отдельная цепь прикладывает точно такое же напряжение к ограждению.Поскольку нет разницы в напряжении между чувствительной областью и защитой, между ними нет электрического поля. Любые другие проводники, расположенные рядом с датчиком или за ним, образуют электрическое поле с защитой вместо чувствительной области. Только неохраняемая передняя часть зоны обнаружения может образовывать электрическое поле с целью.

Рисунок 4 Компоненты емкостного датчика

Рис. 5 Вид в разрезе, показывающий электрическое поле незащищенной зоны зондирования

Рис. 6 В разрезе, показывающее защитное поле, формирующее электрическое поле чувствительной области

Влияние размера объекта

Целевой размер является основным фактором при выборе датчика для конкретного приложения.Когда чувствительное электрическое поле фокусируется защитой, оно создает слегка коническое поле, которое является проекцией чувствительной области. Минимальный диаметр мишени для стандартной калибровки составляет 130% диаметра чувствительной области. Чем дальше зонд находится от цели, тем больше минимальный размер цели.

Диапазон измерения

Диапазон, в котором полезен зонд, зависит от размера чувствительной области. Чем больше площадь, тем больше диапазон.Электроника драйвера рассчитана на определенную емкость зонда. Следовательно, зонд меньшего размера должен быть значительно ближе к цели, чтобы достичь желаемой емкости. Электроника регулируется во время калибровки, но диапазон регулировки ограничен.
Как правило, максимальный зазор, при котором может использоваться зонд, составляет примерно 40% диаметра чувствительной области. При стандартной калибровке зазор обычно значительно меньше.

Многоканальное зондирование

Часто цель измеряется одновременно несколькими датчиками.Поскольку система измеряет изменяющееся электрическое поле, напряжение возбуждения для каждого зонда должно быть синхронизировано, иначе зонды будут мешать друг другу. Если бы они не были синхронизированы, один зонд пытался бы увеличить электрическое поле, а другой пытался бы его уменьшить, давая ложные показания.

Электроника драйвера может быть сконфигурирована как ведущая или ведомая. Мастер устанавливает синхронизацию для подчиненных в многоканальных системах.

Влияние материала мишени

Чувствительное электрическое поле ищет проводящую поверхность.При условии, что цель является проводником, на емкостные датчики не влияет конкретный целевой материал. Поскольку электрическое поле измерения останавливается на поверхности проводника, толщина цели не влияет на измерение. .

Измерение непроводников

Рис. 7
Непроводники можно измерить, пропустив через них электрическое поле к неподвижной проводящей цели позади.

Емкостные датчики чаще всего используются для измерения изменения положения проводящей цели.Но емкостные датчики также могут быть эффективными при измерении присутствия, плотности, толщины и местоположения непроводников. Непроводящие материалы, такие как пластик, имеют диэлектрическую проницаемость, отличную от диэлектрической проницаемости воздуха. Диэлектрическая постоянная определяет, как непроводящий материал влияет на емкость между двумя проводниками. Когда между зондом и неподвижной эталонной целью вставляется непроводящий провод, чувствительное поле проходит через материал к заземленной цели (рис. 7). Присутствие непроводящего материала изменяет диэлектрик и, следовательно, изменяет емкость.Емкость будет меняться в зависимости от толщины или плотности материала.

Максимальная точность

Теперь, когда мы обсудили основы того, как работают емкостные датчики, мы можем разработать стратегии для максимизации эффективности и минимизации ошибок при использовании емкостных датчиков. Точность требует, чтобы измерения проводились в тех же условиях, в которых был откалиброван датчик. Независимо от того, откалиброван ли это датчик на заводе или датчик, откалиброванный во время использования, воспроизводимые результаты получаются из повторяемых условий.Если мы хотим, чтобы на измерение влияло только расстояние, тогда все другие переменные должны быть постоянными. В следующих разделах обсуждаются распространенные источники ошибок и способы их минимизации.

Максимальная точность: размер цели

Рисунок 9
Из-за того, что цель занижена, поле восприятия расширяется к сторонам цели, что приводит к ошибке

Если не указано иное, заводские калибровки выполняются с плоской проводящей мишенью, размер которой значительно превышает размер чувствительной области.Откалиброванный таким образом датчик даст точные результаты при измерении плоской цели, размер которой более чем на 30% превышает площадь чувствительности. Если целевая область слишком мала, электрическое поле начнет охватывать стороны цели, что означает, что электрическое поле распространяется дальше, чем это было при калибровке, и будет измерять цель как можно дальше (рис. 9). В этом случае датчик должен быть ближе к цели для той же нулевой точки. Поскольку это расстояние отличается от исходной калибровки, будет внесена ошибка.Ошибка возникает также из-за того, что зонд больше не измеряет плоскую поверхность.

Если расстояние между зондом и целью считается осью Z, то дополнительная проблема малоразмерной цели заключается в том, что датчик становится чувствительным к местоположению зонда по осям X и Y. Без изменения зазора выходной сигнал значительно изменится, если зонд перемещается либо по оси X, либо по оси Y, потому что меньше электрического поля идет к центру цели, а больше — по сторонам.

Повышение точности: форма цели

Рис. 10 Изогнутая цель требует, чтобы зонд был ближе, и это повлияет на чувствительность

Форма также важна. Поскольку датчики откалиброваны для плоской цели, измерение цели с изогнутой поверхностью вызовет ошибки (рис. 10). Поскольку зонд будет измерять среднее расстояние до цели, зазор при нулевом напряжении будет отличаться от того, когда система была откалибрована. Также будут внесены ошибки из-за различного поведения электрического поля с искривленной поверхностью.В случаях, когда необходимо измерить неплоскую цель, система может быть откалибрована на заводе-изготовителе до окончательной формы цели. В качестве альтернативы, когда используются плоские калибровки с изогнутыми поверхностями, могут быть предусмотрены множители для корректировки измеренного значения.

Максимальная точность: чистота поверхности

Если целевая поверхность не идеально гладкая, система будет усреднять по площади, покрытой размером пятна датчика. Значение измерения может изменяться при перемещении зонда по поверхности из-за изменения среднего положения поверхности.Величина этой ошибки зависит от характера и симметрии неровностей поверхности.

Максимальная точность: параллельность

Во время калибровки поверхность датчика параллельна целевой поверхности. Если зонд или цель наклоняются на значительную величину, форма пятна, в котором поле попадает в цель, удлиняется и изменяет взаимодействие поля с целью. Из-за различного поведения электрического поля будут внесены ошибки измерения.При высоких разрешениях даже несколько градусов могут привести к ошибке. При проектировании приспособления для измерения необходимо учитывать параллельность.

Максимальная точность: окружающая среда

Системы емкостных датчиков

Lion Precision имеют компенсацию для минимизации дрейфа из-за температуры от 22 ° C до 35 ° C (72 ° F — 95 ° F). В этом диапазоне температур погрешность составляет менее 0,5% от полной шкалы.

Более неприятная проблема заключается в том, что практически все материалы, используемые в мишенях и приспособлениях, демонстрируют значительное расширение и сжатие в этом диапазоне температур.Когда это происходит, изменения измерения, связанные с температурой, не являются ошибкой датчика. Это реальные изменения зазора между целью и зондом. Тщательная конструкция приспособлений имеет большое значение для минимизации этой ошибки и повышения точности.

На диэлектрическую проницаемость воздуха влияет влажность. С увеличением влажности увеличивается диэлектрическая проницаемость. Влажность также может взаимодействовать с материалами конструкции зонда. Экспериментальные данные показывают, что изменение от 50% до 80% может привести к ошибкам до 0.5% от полной шкалы.

В то время как материалы датчиков Lion Precision выбраны для минимизации этих ошибок, в приложениях, требующих максимальной точности, контроль температуры и влажности является стандартной практикой. Международные стандарты указывают, что измерения должны проводиться при 20 ° C или с поправкой на «истинную длину» при 20 ° C.

Заводская калибровка

Система калибровки емкостного датчика

Lion Precision была разработана в сотрудничестве с Professional Instruments, мировым лидером в разработке шпинделей и ползунов с воздушными подшипниками.Его современный дизайн обеспечивается прецизионной электроникой управления движением с погрешностью менее 0,012 мкм.
Система калибровки регулярно сертифицируется с помощью прослеживаемого лазерного интерферометра NIST. Измерительное оборудование, используемое во время калибровки (цифровые измерители и генераторы сигналов), также калибруется по прослеживаемым стандартам NIST. Информация о калибровке для каждого из этих единиц оборудования хранится в файле для проверки прослеживаемости.

Технические специалисты используют систему калибровки для точного позиционирования объекта калибровки на известном расстоянии от емкостного датчика.Измерения в этих точках собираются, а чувствительность и линейность анализируются системой калибровки. Анализ данных используется для настройки калибруемой системы в соответствии со спецификациями заказа.

После калибровки чувствительности и линейности системы емкостных датчиков помещают в камеру окружающей среды, где калибруется схема температурной компенсации для минимизации дрейфа в диапазоне температур от 22 ° C до 35 ° C. Также проводятся измерения полосы пропускания и выходного шума, которые влияют на разрешение.

По завершении калибровки создается сертификат калибровки. Этот сертификат поставляется с заказанной системой и заархивирован. Сертификаты калибровки соответствуют разделу 4.8 ISO 10012-1.

Чувствительность

Чувствительность — наклон линии — это чувствительность; в данном случае 1 В / 0,05 мм.

Чувствительность показывает, насколько изменяется выходное напряжение в результате изменения зазора между целью и емкостным датчиком.Обычная чувствительность составляет 1 В / 0,1 мм. Это означает, что на каждые 0,1 мм изменения зазора выходное напряжение будет изменяться на 1 В. Когда выходное напряжение отображается в зависимости от размера зазора, наклон линии представляет собой чувствительность.

Ошибка чувствительности

Ошибка чувствительности — крутизна фактических измерений отклоняется от идеальной.

Чувствительность датчика устанавливается при калибровке. Когда чувствительность отклоняется от идеального значения, это называется ошибкой чувствительности, ошибкой усиления или ошибкой масштабирования.Поскольку чувствительность — это наклон линии, ошибка чувствительности обычно выражается в процентах от наклона; сравнение идеального уклона с фактическим уклоном.

Ошибка смещения

Ошибка смещения возникает, когда постоянное значение добавляется к

.

Ошибка смещения — ко всем измерениям добавляется постоянное значение.

выходное напряжение системы. Системы емкостных датчиков обычно «обнуляются» во время настройки, что устраняет любые отклонения смещения от исходной калибровки.Однако, если ошибка смещения изменится после обнуления системы, в измерение будет внесена ошибка. Изменение температуры является основным фактором ошибки смещения. В системах Lion Precision предусмотрена компенсация погрешностей смещения, связанных с температурой, чтобы они не превышали 0,04% от полной шкалы / ° C.

Ошибка линейности

Ошибка линейности — данные измерения не на прямой линии.

Чувствительность может незначительно отличаться между любыми двумя точками данных. Это изменение называется ошибкой линейности.Спецификация линейности — это измерение того, насколько выходной сигнал отличается от прямой линии.

Для расчета погрешности линейности данные калибровки сравниваются с прямой линией, которая наилучшим образом соответствует точкам. Эта прямая опорная линия рассчитывается на основе данных калибровки с использованием метода, называемого подгонкой по методу наименьших квадратов. Величина ошибки в точке калибровочной кривой, наиболее удаленной от этой идеальной линии, является ошибкой линейности. Ошибка линейности обычно выражается в процентах от полной шкалы.Если ошибка в наихудшей точке составляла 0,001 мм, а полный диапазон калибровки составлял 1 мм, ошибка линейности составила бы 0,1%.
Обратите внимание, что ошибка линейности не учитывает ошибки чувствительности. Это только мера прямолинейности линии, а не ее наклон. Система с грубыми ошибками чувствительности может быть очень линейной.

Диапазон ошибок

Диапазон ошибок учитывает комбинацию ошибок линейности и чувствительности. Это измерение абсолютной погрешности наихудшего случая в калиброванном диапазоне.Полоса ошибок рассчитывается путем сравнения выходных напряжений в определенных промежутках с их ожидаемым значением. Наихудшая ошибка из этого сравнения указана как диапазон ошибок системы.

Зазор (мм)	Ожидаемое Значение (В постоянного тока)	Фактическое Значение (В постоянного тока)	Ошибка (мм)
0.50	-10,000	-9,800	-0,010
0,75	-5,000	-4,900	-0,005
1,00	0,000	0,000	0,000
1,25	5.000	5.000	0,000
1,50	10.000	10,100	0,005

Диапазон ошибок — наихудший случай отклонения измеренных значений от ожидаемых значений в калибровочной таблице.В этом случае полоса погрешности составляет -0,010 мм.

Пропускная способность

Полоса пропускания определяется как частота, при которой выходной сигнал падает до -3 дБ. Эта частота также называется частотой среза. Падение уровня сигнала на -3 дБ соответствует примерно 70% падению фактического выходного напряжения. При полосе пропускания 15 кГц изменение ± 1 В на низкой частоте приведет только к изменению ± 0,7 В при 15 кГц. В дополнение к обнаружению высокочастотного движения быстродействующие выходы максимизируют запас по фазе при использовании в системах обратной связи сервоуправления.Некоторые драйверы предоставляют возможность выбора полосы пропускания для максимального увеличения разрешения или времени отклика.

Разрешение

Рисунок 14
Шум от датчика 15 кГц

Разрешение определяется как наименьшее надежное измерение, которое может выполнить система. Разрешение измерительной системы должно быть лучше, чем конечная точность, требуемая для измерения. Если вам нужно знать размер в пределах 0,02 мкм, то разрешение измерительной системы должно быть лучше 0.02 мкм.
Основным определяющим фактором разрешения являются электрические помехи. Электрический шум появляется в выходном напряжении, вызывая небольшие мгновенные ошибки на выходе. Даже когда зазор между зондом и мишенью совершенно постоянен, выходное напряжение драйвера имеет небольшой, но измеримый шум, который, казалось бы, указывает на то, что зазор изменяется. Этот шум присущ электронным компонентам, и его можно только минимизировать, но никогда не устранить.
Если драйвер имеет выходной шум 0.002V с чувствительностью 10 В / 1 мм, тогда он имеет выходной шум 0,000,2 мм (0,2 мкм). Это означает, что в любой момент на выходе может быть ошибка 0,2 мкм.

Рисунок 15
Шум от датчика 100 Гц

Количество шума на выходе напрямую связано с полосой пропускания. Вообще говоря, шум распределяется равномерно в широком диапазоне частот. Если более высокие частоты фильтруются перед выходом, результатом будет меньше шума и лучшее разрешение (рис.14, 15). При изучении спецификаций разрешения очень важно знать, к какой полосе пропускания применяются спецификации. Ознакомьтесь с нашей полной статьей о взаимосвязи между разрешением и пропускной способностью и о том, как быть уверенным, что вы получаете точную информацию из таблиц.

Принцип работы, диапазоны и характеристики

Промышленные датчики, такие как емкостный датчик приближения, используются для измерения положения, смещения или близости объекта. Они обычно используются в различных приложениях для управления производственными установками.Эти датчики могут применяться для проверки и мониторинга продуктов и инструментов, управления системами машин и позиционирования движущихся частей. Датчики приближения, которые измеряют смещение и угловое или линейное движение, также часто используются в качестве датчиков безопасности и для настройки оперативного управления в области формования, упаковки, печати, а также пищевой и химической обработки. Эти устройства способны обнаруживать и отслеживать близость объекта к заданной границе, не касаясь объекта физически.Таким образом, эти устройства называются бесконтактными датчиками. Чтобы узнать больше о других типах датчиков приближения, вы можете ознакомиться с нашим общим руководством по датчикам приближения или, чтобы получить более широкое представление, см. Соответствующее руководство Датчики — полное руководство (типы, приложения и поставщики).

Емкостные датчики приближения по функциям аналогичны индуктивным датчикам, но имеют определенные уникальные конструктивные характеристики и рабочие параметры. Они основаны на принципе емкости для обнаружения мелких объектов и могут работать как с проводящими (металлическими), так и с неметаллическими материалами, включая неподготовленные механические поверхности и предметы, движущиеся по конвейеру.Обычно корпус имеет форму небольшого цилиндра с электродами и проводкой на концах. Выходной сигнал емкостного датчика приближения обычно передается в виде замыкания контакта или импульса, который активируется, когда объект достигает определенного порогового значения расстояния.

Принцип работы емкостных датчиков приближения

Емкостные датчики приближения полагаются на способность объектов удерживать электрический заряд, даже если объект не является проводящим. Емкость — это мера количества заряда, который может храниться при приложении приложенного напряжения.Датчик работает, регистрируя изменение емкости, которое происходит, когда объект (обычно называемый «целью») приближается к датчику.

Типичный конденсатор состоит из двух пластин, разделенных изолятором, также известным как диэлектрик. Изолирующий диэлектрик может быть из различных материалов, включая керамику, бумагу, пластик или даже воздух. Внутри емкостного датчика приближения находится одна пластина конденсатора — мишень служит другой пластиной. Воздушный зазор между датчиком и мишенью выполняет роль диэлектрика.Пластина, которая находится внутри датчика, подключена к цепи генератора, которая используется для создания электростатического поля. При отсутствии цели схема генератора не срабатывает. По мере приближения цели к датчику амплитуда колебаний увеличивается, поскольку датчик обнаруживает цель, это вызывает изменение количества заряда, который может храниться на внутренней пластине, что изменяет это значение емкости. Как только колебания превышают пороговое значение, устанавливается триггер, который генерирует выходной сигнал от датчика, который указывает, что цель приблизилась в пределах установленного диапазона активации.Возможность накапливать заряд зависит от расстояния между этими двумя пластинами, которое можно отрегулировать для установки определенного диапазона активации. В датчике приближения одна пластина служит переключателем, другая — целью обнаружения, а поверхность датчика — изолятором. Уровни тока уменьшаются с увеличением расстояния, что является обратным параметрам индуктивного датчика. Многие датчики имеют винт или регулировку, которые могут устанавливать чувствительность устройства, что может быть полезно, например, для обнаружения полных или пустых контейнеров.

Для получения дополнительной информации о физике конденсаторов посетите страницу конденсаторов Университета штата Джорджия.

Конструкция емкостного датчика приближения

Подобно индукционным датчикам, емкостные датчики приближения обычно состоят из четырех групп компонентов: датчика, схемы генератора, схемы детектора и твердотельной выходной цепи. Хотя эти компоненты могут быть расположены в нескольких различных конфигурациях, цилиндрический формат является наиболее распространенным. Он состоит из двух концентрических электродов, прикрепленных к торцевой поверхности цилиндра, и двух концентрических металлических колец на активной чувствительной поверхности, выход которых выражается в виде напряжения, замыкания контакта или аналоговых сигналов.Когда объект приближается к датчику, связь электродов увеличивается, вызывая срабатывание схемы генератора. Колебания регистрируются детекторной схемой, которая активирует твердотельную схему для выдачи выходного сигнала в соответствии с уровнем амплитуды. Проводящие объекты аналогичного размера обычно обнаруживаются на одном и том же расстоянии, в то время как дальность обнаружения для изолирующих объектов зависит от диэлектрической проницаемости. Диэлектрическая проницаемость определяет, сколько электроэнергии может хранить материал. Более мощный датчик будет использовать материал с высокой диэлектрической проницаемостью для обнаружения целевого объекта, хотя площадь пластин и пространство между электродами также увеличивает его мощность.

Основные характеристики емкостных датчиков

Как для емкостных, так и для индуктивных датчиков приближения гистерезис является важной рабочей характеристикой. Гистерезис определяется разницей между чувствительной поверхностью и расстоянием обнаружения цели, а также чувствительной поверхностью и расстоянием до цели. Эти черты определяют границу между обнаружением и отсутствием обнаружения объекта. Но, несмотря на их сходство с индуктивными датчиками, емкостные датчики имеют ряд отличительных особенностей, в том числе:

• Способность обнаруживать неметаллические предметы.

• Способность обнаруживать небольшие легкие предметы, которые не могут быть захвачены механическими концевыми выключателями.

• Твердотельный выход, сигнал контакта которого не дергается.

• Высокая частота переключения, обеспечивающая быструю реакцию в приложениях для подсчета объектов.

• Способность обнаруживать жидкие цели через определенные преграды.

• Длительный срок службы.

Хотя емкостные датчики приближения полезны для ряда приложений, на них могут отрицательно повлиять повышенные уровни влажности и влажности.Кроме того, их поле восприятия должно быть относительно широким, чтобы обеспечить эффективное обнаружение.

Диапазон емкостной чувствительности

Емкостные датчики приближения обычно имеют большее расстояние срабатывания, чем их индуктивные аналоги, и обычно составляют от 5 до 40 миллиметров. Дальность обнаружения зависит от диаметра пластины, поскольку емкостные датчики измеряют диэлектрические зазоры. Многие емкостные датчики приближения оснащены элементами управления чувствительностью для расстояния срабатывания, что позволяет им компенсировать целевой объект и условия применения.

Основные характеристики

Емкостные датчики приближения обычно указываются на основе основных технических характеристик и параметров, показанных ниже. Спецификации зависят от производителя, и поставщики могут использовать несколько иные спецификации для описания своих продуктов. Информация, представленная ниже, предназначена для общего ознакомления и должна позволить разработчику подготовиться к дальнейшим обсуждениям с поставщиками, сосредоточенным на потребностях приложения.

• Расстояние срабатывания — указывает диапазон, на котором устройство обнаружит цель.

• Тип или стиль монтажа — описывает метод, с помощью которого датчик предназначен для установки в его рабочей среде. Примеры типов монтажа стилей включают монтаж на кронштейне, скрытый монтаж, монтаж на кабеле, монтаж на панели, монтаж на вилке или винт. Типы резьбы включают конфигурации резьбы M5, M8, M12, M18, M20 и M30.

• Конфигурация выхода — указывает варианты выхода датчика. Доступные общие параметры включают нормально закрытый (NC), нормально открытый (NO), I2C, аналоговый ток, аналоговое напряжение, NPN, PNP или SCR (см. Также терминологию и определения ниже).

• Материал корпуса — описывает материал, используемый для формирования корпуса датчика, который может включать полимер, такой как ABS, PVC, PA, PTFE, или металлы, такие как алюминий, латунь, никелированная латунь, нержавеющая сталь или цинковая матрица. -В ролях.

• Напряжение питания — указывает рабочее напряжение устройства, а также переменный или постоянный ток на входе.

• Диапазон рабочих температур — обеспечивает минимальные и максимальные значения температуры, на которые рассчитан датчик.

• Тип корпуса — указывает тип корпуса, в котором размещен датчик. Обычно доступные типы корпусов включают цилиндры с резьбой, шайбы и SMD (устройства для поверхностного монтажа).

• Тип клеммы — указывает тип клеммных соединений на датчике для входной мощности и выходного сигнала. Винтовые клеммы, порт USB, выводы кабеля или кабель с разъемами являются примерами опций.

• Код

  защиты от проникновения (IP) — также известный как международная степень защиты, этот код представляет собой двузначный код, следующий за буквами IP с необязательной буквой.Система кодов предназначена для отражения степени защиты, которую механическая упаковка или электрические корпуса обеспечивают устройству от проникновения твердых веществ и жидкостей в окружающую среду, включая случайный контакт со стороны персонала. Первая цифра означает защиту от твердых тел, а вторая цифра означает защиту от жидкостей. Более высокие цифры в каждом случае означают большую степень защиты. В таблице ниже показан номер IP и описание уровня защиты, связанного с каждым уникальным кодом.

IP-номер	Первая цифра — Защита от твердых частиц	Вторая цифра — Защита от жидкостей
IP00	Не защищен от твердых частиц.	Не защищен от жидкостей.
IP01	Не защищен от твердых частиц.	Защищено от конденсата.
IP02	Не защищен от твердых частиц.	Защищено от водяных брызг под углом менее 15 градусов от вертикали.
IP03	Не защищен от твердых частиц.	Защищено от водяных брызг под углом менее 60 градусов от вертикали.
IP04	Не защищен от твердых частиц.	Защищено от водяных брызг с любого направления.
IP05	Не защищен от твердых частиц.	Защищено от струй воды под низким давлением с любого направления.
IP06	Не защищен от твердых частиц.	Защищено от водяных струй под высоким давлением с любого направления.
IP07	Не защищен от твердых частиц.	Защищено от погружения на глубину от 15 сантиметров до 1 метра.
IP08	Не защищен от твердых частиц.	Защищено от длительного погружения в воду до определенного давления.
IP10	Защищено от прикосновения руками больше 50 миллиметров.	Не защищен от жидкостей.
IP11	Защищено от прикосновения руками больше 50 миллиметров.	Защищено от конденсата.
IP12	Защищено от прикосновения руками больше 50 миллиметров.	Защищено от водяных брызг под углом менее 15 градусов от вертикали.
IP13	Защищено от прикосновения руками больше 50 миллиметров.	Защищено от водяных брызг под углом менее 60 градусов от вертикали.
IP14	Защищено от прикосновения руками больше 50 миллиметров.	Защищено от водяных брызг с любого направления.
IP15	Защищено от прикосновения руками больше 50 миллиметров.	Защищено от струй воды под низким давлением с любого направления.
IP16	Защищено от прикосновения руками больше 50 миллиметров.	Защищено от водяных струй под высоким давлением с любого направления.
IP17	Защищено от прикосновения руками больше 50 миллиметров.	Защищено от погружения на глубину от 15 сантиметров до 1 метра.
IP18	Защищено от прикосновения руками больше 50 миллиметров.	Защищено от длительного погружения в воду до определенного давления.
IP20	Защищено от прикосновения пальцами и предметами размером более 12 миллиметров.	Не защищен от жидкостей.
IP21	Защищено от прикосновения пальцами и предметами размером более 12 миллиметров.	Защищено от конденсата.
IP22	Защищено от прикосновения пальцами и предметами размером более 12 миллиметров.	Защищено от водяных брызг под углом менее 15 градусов от вертикали.
IP23	Защищено от прикосновения пальцами и предметами размером более 12 миллиметров.	Защищено от водяных брызг под углом менее 60 градусов от вертикали.
IP24	Защищено от прикосновения пальцами и предметами размером более 12 миллиметров.	Защищено от водяных брызг с любого направления.
IP25	Защищено от прикосновения пальцами и предметами размером более 12 миллиметров.	Защищено от струй воды под низким давлением с любого направления.
IP26	Защищено от прикосновения пальцами и предметами размером более 12 миллиметров.	Защищено от водяных струй под высоким давлением с любого направления.
IP27	Защищено от прикосновения пальцами и предметами размером более 12 миллиметров.	Защищено от погружения на глубину от 15 сантиметров до 1 метра.
IP28	Защищено от прикосновения пальцами и предметами размером более 12 миллиметров.	Защищено от длительного погружения в воду до определенного давления.
IP30	Защищено от инструментов и проводов диаметром более 2,5 мм.	Не защищен от жидкостей.
IP31	Защищено от инструментов и проводов диаметром более 2,5 мм.	Защищено от конденсата.
IP32	Защищено от инструментов и проводов диаметром более 2,5 мм.	Защищено от водяных брызг под углом менее 15 градусов от вертикали.
IP33	Защищено от инструментов и проводов более 2.5 миллиметров.	Защищено от водяных брызг под углом менее 60 градусов от вертикали.
IP34	Защищено от инструментов и проводов диаметром более 2,5 мм.	Защищено от водяных брызг с любого направления.
IP35	Защищено от инструментов и проводов диаметром более 2,5 мм.	Защищено от струй воды под низким давлением с любого направления.
IP36	Защищено от инструментов и проводов диаметром более 2,5 мм.	Защищено от водяных струй под высоким давлением с любого направления.
IP37	Защищено от инструментов и проводов диаметром более 2,5 мм.	Защищено от погружения на глубину от 15 сантиметров до 1 метра.
IP38	Защищено от инструментов и проводов более 2.5 миллиметров.	Защищено от длительного погружения в воду до определенного давления.
IP40	Защищено от инструментов и проволоки диаметром более 1 миллиметра.	Не защищен от жидкостей.
IP41	Защищено от инструментов и проволоки диаметром более 1 миллиметра.	Защищено от конденсата.
IP42	Защищено от инструментов и проволоки диаметром более 1 миллиметра.	Защищено от водяных брызг под углом менее 15 градусов от вертикали.
IP43	Защищено от инструментов и проволоки диаметром более 1 миллиметра.	Защищено от водяных брызг под углом менее 60 градусов от вертикали.
IP44	Защищено от инструментов и проволоки диаметром более 1 миллиметра.	Защищено от водяных брызг с любого направления.
IP45	Защищено от инструментов и проволоки диаметром более 1 миллиметра.	Защищено от струй воды под низким давлением с любого направления.
IP46	Защищено от инструментов и проволоки диаметром более 1 миллиметра.	Защищено от водяных струй под высоким давлением с любого направления.
IP47	Защищено от инструментов и проволоки диаметром более 1 миллиметра.	Защищено от погружения на глубину от 15 сантиметров до 1 метра.
IP48	Защищено от инструментов и проволоки диаметром более 1 миллиметра.	Защищено от длительного погружения в воду до определенного давления.
IP50	Защищено от ограниченного проникновения пыли.	Не защищен от жидкостей.
IP51	Защищено от ограниченного проникновения пыли.	Защищено от конденсата.
IP52	Защищено от ограниченного проникновения пыли.	Защищено от водяных брызг под углом менее 15 градусов от вертикали.
IP53	Защищено от ограниченного проникновения пыли.	Защищено от водяных брызг под углом менее 60 градусов от вертикали.
IP54	Защищено от ограниченного проникновения пыли.	Защищено от водяных брызг с любого направления.
IP55	Защищено от ограниченного проникновения пыли.	Защищено от струй воды под низким давлением с любого направления.
IP56	Защищено от ограниченного проникновения пыли.	Защищено от водяных струй под высоким давлением с любого направления.
IP57	Защищено от ограниченного проникновения пыли.	Защищено от погружения на глубину от 15 сантиметров до 1 метра.
IP58	Защищено от ограниченного проникновения пыли.	Защищено от длительного погружения в воду до определенного давления.
IP60	Защищено от полного попадания пыли.	Не защищен от жидкостей.
IP61	Защищено от полного попадания пыли.	Защищено от конденсата.
IP62	Защищено от полного попадания пыли.	Защищено от водяных брызг под углом менее 15 градусов от вертикали.
IP63	Защищено от полного попадания пыли.	Защищено от водяных брызг под углом менее 60 градусов от вертикали.
IP64	Защищено от полного попадания пыли.	Защищено от водяных брызг с любого направления.
IP65	Защищено от полного попадания пыли.	Защищено от струй воды под низким давлением с любого направления.
IP66	Защищено от полного попадания пыли.	Защищено от водяных струй под высоким давлением с любого направления.
IP67	Защищено от полного попадания пыли.	Защищено от погружения на глубину от 15 сантиметров до 1 метра.
IP68	Защищено от полного попадания пыли.	Защищено от длительного погружения в воду до определенного давления.
IP69K	Защищено от полного попадания пыли.	Защищено от пароструйной очистки.

Таблица предоставлена: http://www.dsmt.com/resources/ip-rating-chart/

Емкостные датчики vs.Индуктивные датчики

Индуктивные и емкостные датчики обнаруживают объекты аналогичными методами, но в то время как емкостный датчик может обнаруживать любой материал, в том числе через неметаллические объекты, такие как стенка резервуара, индуктивный датчик может обнаруживать только металлы. Недостаток емкостных датчиков заключается в том, что, хотя они обнаруживают все, они менее точны и медленнее; их необходимо размещать осторожно, чтобы избежать ложных срабатываний. Индуктивные датчики, хотя и имеют меньшее расстояние срабатывания, являются лучшим выбором, если в объектах, которые они должны обнаруживать, есть металл, и они обнаруживают объекты быстрее.

В то время как оба типа датчиков обнаруживают объекты посредством колебаний магнитного поля, индуктивный датчик обнаруживает что-то, что нарушает его колебания, в то время как емкостной датчик начинает колебаться, когда объект появляется в его поле. Это связано с тем, что индуктивные датчики генерируют магнитное поле через ферритовый сердечник с катушками, а в емкостных датчиках используются две проводящие пластины, которые действуют как разомкнутый конденсатор, а воздух между ними действует как изолятор. Когда что-то проходит между внешней и внутренней пластинами, это увеличивает емкость.

Терминология и определения

Ниже приводится краткое изложение соответствующей терминологии и определений, связанных с емкостными датчиками приближения.

• Нормально разомкнутый (NO) — датчик, состояние выхода которого — разомкнутая цепь, когда цель отсутствует в диапазоне срабатывания, и который замкнут, когда цель обнаружена.

• Нормально замкнутый (NC) — датчик, выход которого замкнут, позволяя течь току, когда в диапазоне срабатывания нет цели, который переключается в открытое состояние при обнаружении цели.

• Выход

  NPN — также называемый выходом со стоком или с понижением тока, это тот, при котором обнаружение цели запускает переключение общего или отрицательного напряжения на нагрузку, так что ток течет от нагрузки через выход на землю, когда релейный выход включен.

• Выход

  PNP — также известный как источник тока или выход источника, это тот, в котором обнаружение цели приводит к протеканию тока через выход устройства, через нагрузку на землю, когда выход переключателя включен.

• Расстояние срабатывания (рабочее расстояние) Sn — определяется как максимальное расстояние от датчика до квадратного куска железа толщиной 1 мм, стороны которого параллельны лицевой стороне датчика, при котором датчик запускает обнаружение.

• Повторяемость — представляет собой изменчивость наблюдаемых измерений расстояния срабатывания или рабочего расстояния, выполненных в течение 8-часового периода при рабочей температуре от 15 ° C до 30 ° C и отклонении напряжения питания ≤ 5%.

• Гистерезис — мера расстояния между точкой, в которой датчик запускает обнаружение цели при ее приближении, и точкой, в которой датчик отключается при отступлении цели.

Резюме

В этой статье представлена ​​информация о емкостных датчиках приближения, включая их сущность, принцип действия, особенности и основные характеристики. Для получения информации по другим темам обратитесь к нашим дополнительным руководствам или посетите платформу Thomas Supplier Discovery Platform, где вы можете найти потенциальные источники поставок для более чем 70 000 различных категорий продуктов и услуг.

Источники:

1. http://www.fargocontrols.com/sensors/capacitive_op.html#:~:text=Capacitive%20Operating%20Principles&text=Capacitive%20proximity%20sensors%20are%20used,and%20the%20object%20being%20detected.
2. https://www.pc-control.co.uk/Capacitive.htm
3. https://www.motioncontroltips.com/what-are-capacitive-proximity-sensors/
4. https://automation-insights.blog/2017/06/07/what-is-a-capacitive-sensor/#:~:text=Capacitive%20proximity%20sensors%20are%20non,active%20face%20of%20the % 20sensor.
5. http://www.dsmt.com/resources/ip-rating-chart/
6. https://www.alliedelec.com/proximity-sensors/capacitive-proximity-sensors/
7. https://www.automationdirect.com/adc/overview/catalog/sensors_-z-_encoders/capacitive_proximity_sensors/12mm_round_industrial_automation
8. https://www.machinedesign.com/automation-iiot/sensors/article/21831577/proximity-sensors-compared-inductive-capacitive-photoelectric-and-ultrasonic
9. https: // пассивные компоненты.eu / диэлектрическая постоянная и ее влияние на свойства конденсатора /

Датчики прочие изделия

Больше от Instruments & Controls

Принцип работы емкостного датчика приближения

Привет друзья,

В этой статье я собираюсь обсудить емкостной принцип работы датчика приближения , и мой комментарий увеличит ваш знания по этой теме.

Емкостной датчик приближения определяет наличие объект (обычно называемый целью) без физического контакта.

Они могут обнаруживать как металлические, так и неметаллические цели. Они идеально подходят для контроля уровня жидкости и датчика в порошке или гранулированный материалов.

Емкостной датчик приближения состоит из высокочастотного осциллятор вместе с чувствительной поверхностью, образованной двумя металлическими электродами. Когда объект приближается к чувствительной поверхности, он попадает в электростатическое поле электродов и изменяет емкость генератора.

В результате контур генератора начинает колебаться и изменяет выходное состояние датчика, когда достигает определенного амплитуда.Когда объект удаляется от датчика, амплитуда осциллятора уменьшается, возвращая датчик в исходное состояние.

Чем больше диэлектрик постоянная цели, тем проще для емкостного датчика приближения обнаружить. Эта константа делает возможным обнаружение материалов внутри неметаллические емкости, потому что жидкость имеет гораздо более высокую диэлектрическую проницаемость чем сосуд, что дает датчику возможность видеть сквозь сосуд и обнаружить жидкость.

Обычно они имеют короткий диапазон чувствительности около 1 дюйма, независимо от типа обнаруживаемого материала.Имея дело с непроводящими цели, дальность обнаружения увеличивается с увеличением в

• размер чувствительной поверхности датчика.
• площадь поверхности цели.
• диэлектрическая проницаемость мишени.

Для лучшей работы мы должны использовать их в окружающей среде с относительно постоянной температурой и влажностью.

Точка, в которой датчик приближения распознает входящая цель известна как рабочая точка. Точка, в которой исходящий цель заставляет устройство переключаться обратно в нормальное состояние, известное как точка выпуска.Область между рабочей точкой и точкой сброса называется зона гистерезиса.

Регулировку чувствительности можно выполнить, отрегулировав потенциометр предусмотрен на датчике. Если у датчика нет регулировочного потенциометра, тогда датчик должен физически перемещать, чтобы получить оптимальное положение для установки.

Оптимальная чувствительность обеспечивает более длительную работу расстояние. Однако работа на сверхчувствительный датчик очень сильно влияют температура, влажность и грязь, и т.п.и может вызвать ложное срабатывание датчика.

Большинство датчиков приближения оснащены светодиодным индикатором состояния. для проверки действия переключения выхода. Емкостные датчики приближения доступны в различных размерах и конфигурациях для различных применений требования.

Одной из наиболее распространенных форм является ствол, который размещает датчик в металлическом или полимерном корпусе с резьбой на внешней стороне корпус. Благодаря корпусу с резьбой мы можем легко настроить датчик на монтажная рама.

Характеристики емкостного датчика приближения

Основные характеристики емкостной близости датчики как под:

• Обнаруживают неметаллические цели.
• Они могут обнаруживать легкие или мелкие предметы что не может быть обнаружено механическим пределом переключатели.
• Они обеспечивают высокую скорость переключения для быстрого ответ в приложениях для подсчета объектов.
• Они могут обнаруживать жидкие цели через неметаллические преграды (стекло, пластик и др.)).
• Имеют длительный срок службы с практически неограниченное количество рабочих циклов.
• Твердотельный выход обеспечивает защиту от дребезга. контактный сигнал.

Типичные области применения емкостных датчиков приближения

• Высокий / низкий уровень жидкости.
• Сухая цистерна.
• Материал присутствует / отсутствует.
• Товар есть в наличии.
• Кол-во товаров.

Индуктивные датчики приближения используются для обнаружения как черных металлов. и цветные металлы (такие как медь, алюминий и латунь).Индуктивный датчик приближения работает на вихре текущий принцип.

Когда металлический предмет попадает в электромагнитное поле чувствительной головкой в ​​объекте наводятся вихревые токи. Этот текущий вызывает изменение нагрузки генератора, который затем управляет выходом устройство. Мы можем резюмировать работу индуктивного датчика приближения как под:

• Схема генератора генерирует высокочастотное электромагнитное поле, исходящее от наконечника датчика.
• Когда в поле выходит металлическая цель, вихрь в мишени индуцируются токи.
• Вихревые токи в мишени поглощают излучаемую энергия датчика, что приводит к потере энергии и изменению поля сила осциллятора.
• Схема обнаружения датчика контролирует осциллятора и запускает твердотельное выходное устройство при определенном уровень.
• Как только металлический предмет покидает зону обнаружения, осциллятор возвращается к исходному значению.

Тип металла и размер мишени имеют значение факторы, определяющие эффективный диапазон чувствительности датчика. Железо металлы могут быть обнаружены на расстоянии до 2 дюймов, в то время как большинство цветных металлов требуется меньшее расстояние, обычно в пределах дюйма от устройства.

Типичные области применения индуктивных датчиков приближения

• Обнаружение вращательного движения.
• Индикация нулевой скорости.
• Регулировка скорости.
• Ограничение хода вала.
• Индикация движения.
• Клапан открыт / закрыт.

Спасибо, что прочитали о «принципе работы емкостного датчика приближения». Чтобы узнать больше о датчиках, посетите сайт balluff.com или посмотрите видео.

Также читают

© https://yourelectricalguide.com/ Принцип работы емкостного датчика приближения.

Все подробности принципа работы и применения емкостного датчика приближения

В этом блоге мы обсудим принцип работы емкостных датчиков приближения, их широкое применение в промышленности и их использование в коммерческих целях.

Что такое емкостной датчик приближения?

Емкостные датчики приближения обнаруживают изменения емкости между обнаруживаемым объектом и датчиком. Судя по названию, емкостные датчики приближения работают, регистрируя изменение емкости, считываемой датчиком.

Величина емкости зависит от размера и расстояния до объекта обнаружения. Обычный емкостный датчик приближения похож на конденсатор с двумя параллельными пластинами, где определяется емкость двух пластин.

Одна из пластин — это измеряемый объект (с воображаемой землей), а другая — чувствительная поверхность датчика. Он обнаруживает изменения мощности, возникающей между этими двумя полюсами. Обнаружение объекта зависит от их диэлектрической проницаемости, но помимо металлов они содержат смолу и воду.

ДОЛЖЕН ПРОЧИТАТЬ:

Принцип работы емкостного датчика приближения

Емкостной датчик приближения состоит из высокочастотного генератора и чувствительной поверхности, образованной двумя металлическими электродами.Когда объект приближается к чувствительной поверхности, он попадает в электростатическое поле электродов и изменяет емкость генератора.

В результате схема генератора начинает колебаться и изменяет выходное состояние датчика, когда оно достигает определенной амплитуды. По мере удаления объекта от датчика амплитуда осциллятора уменьшается, возвращая датчик в исходное состояние.

Типичный диапазон чувствительности емкостных датчиков приближения составляет от нескольких миллиметров до примерно 1 дюйма.(или 25 мм), а некоторые датчики имеют расширенный диапазон до 2 дюймов. Однако емкостные датчики действительно превосходны в приложениях, где они должны обнаруживать объекты через какой-либо материал, например мешок, мусорное ведро или коробку. Они могут отключать неметаллические контейнеры и могут быть настроены или настроены на обнаружение различных уровней жидкостей или твердых материалов.

Емкостной датчик приближения определяет большую диэлектрическую проницаемость цели. Это делает возможным обнаружение материалов внутри неметаллических контейнеров, поскольку жидкость имеет гораздо более высокую диэлектрическую постоянную, чем контейнер, что дает датчику возможность видеть сквозь контейнер и обнаруживать жидкость.

Для оптимальной работы их следует использовать в среде с относительно постоянной температурой и влажностью.

При работе с непроводящими целями расстояние срабатывания определяется тремя факторами.

• Размер активной поверхности датчика — чем больше чувствительная поверхность, тем больше расстояние срабатывания
• Емкостные свойства материала целевого объекта, также называемые диэлектрической постоянной — чем выше постоянная, тем больше расстояние срабатывания
• Площадь поверхности обнаруживаемого объекта — чем больше площадь поверхности, тем больше расстояние обнаружения

Прочие факторы, минимально влияющие на расстояние срабатывания

• Температура
• Скорость целевого объекта

Точка, в которой датчик приближения распознает приближающуюся цель, — это рабочая точка .Точка, в которой исходящая цель заставляет устройство переключиться обратно в нормальное состояние, — это точка освобождения . Область между точкой срабатывания и точкой срабатывания — зона гистерезиса .

Большинство датчиков приближения оснащены светодиодным индикатором состояния для проверки действия переключения выхода.

Разница между индуктивным и емкостным датчиком приближения:

Индуктивные датчики используют магнитное поле для обнаружения объектов. Емкостные датчики используют электрическое поле.Для того чтобы индуктивный датчик воспринимал объект, он должен быть проводящим. Это ограничивает подходящие цели металлическими объектами (по большей части). Для того, чтобы емкостный датчик распознал цель, цель не обязательно должна быть проводящей.

Емкостной датчик будет реагировать на объект, действующий как диэлектрический материал, а также на проводящий объект. Это делает металлические и неметаллические предметы подходящими мишенями.

Преимущества емкостных датчиков приближения

• Бесконтактное обнаружение
• Обнаруживает широкий спектр материалов
• Способен обнаруживать объекты через неметаллические стены благодаря широкому диапазону чувствительности
• Подходит для использования в промышленных условиях
• Содержит потенциометр, который позволяет пользователям настраивать чувствительность датчика таким образом, чтобы обнаруживались только требуемые объекты
• Отсутствие движущихся частей, продление срока службы

Недостатки емкостных датчиков приближения

• Относительно низкий диапазон, но с постепенным увеличением от индуктивных датчиков
• Более высокая цена по сравнению с индуктивными датчиками

Емкостная сенсорная технология используется в других сенсорных технологиях, таких как:

• расход
• давление
• уровень жидкости
• шаг
• толщина
• Обнаружение льда
• угол вала или линейное положение
• Диммерные переключатели
• клавишные переключатели
• x-y планшет
• акселерометры

Надеюсь, эта статья поможет вам понять полный принцип работы емкостного датчика приближения.

Как работают емкостные датчики

Как емкостный Датчики рабочие
и
Как их эффективно использовать.

---

Комплименты Льва Точность. Авторские права и КОПИЯ; 2007 Lion Precision. www.lionprecision.com

Посмотреть полное руководство (www.capacitive-sensing.com)

А емкостный Система измерения

Для измерения размеров емкостного датчика требуются три основных компонентов:

пробник, который использует изменения емкости для определения изменений в расстояние до цели, электроника драйвера
преобразовать эти изменения емкости в изменения напряжения,
устройство для индикации и / или записи результирующее изменение напряжения.

Каждый из этих компонентов является важной частью обеспечения надежной, точные измерения. Геометрия зонда, размер зоны зондирования, а механическая конструкция влияет на дальность, точность и стабильность. Зонд требует, чтобы драйвер создавал изменяющееся электрическое поле. который используется для определения емкости. Производительность электроника драйвера является основным фактором при определении разрешения системы; они должны быть тщательно спроектированы для обеспечения высокой производительности Приложения.Устройство измерения напряжения — последнее звено в системе. Осциллографы, вольтметры и сбор данных системы должны быть правильно выбраны для применения.

Что такое Емкость?
Емкость описывает, как пространство между двумя проводниками влияет на электрическое поле между ними. Если поставить две металлические пластины с промежутком между ними и на один из пластин, между пластинами будет существовать электрическое поле.Этот электрическое поле является результатом разницы между электрическими заряды, которые хранятся на поверхностях пластин. Емкость относится к «способности» двух пластин удерживать это обвинение. Большая емкость способна удерживать больше заряд, чем малая емкость. Сумма существующего заряда определяет, какой ток необходимо использовать для изменения напряжения на тарелке. Это похоже на попытку изменить уровень воды на один дюйм в бочке по сравнению с чашкой кофе.Требуется много воды, чтобы переместить уровень на один дюйм в бочке, но в на кофейную чашку нужно совсем немного воды. Разница в их емкость.

При использовании емкостный датчик, чувствительной поверхностью зонда является электрифицированная пластина и то, что вы измеряете (цель) другая пластина (мы поговорим об измерении непроводящих цели позже). Электроника драйвера постоянно меняет напряжение на чувствительной поверхности.Это называется возбуждением. Напряжение. Величина тока, необходимая для изменения напряжения. измеряется схемой и указывает величину емкости между зондом и целью. Или, наоборот, фиксированная сумма тока подается в зонд и из него, и в результате изменение напряжения измеряется.

Как емкость Относится к расстоянию
Емкость между двумя пластинами определяется тремя факторами:

Размер пластин: емкость увеличивается с увеличением размера пластин
Размер зазора: уменьшается емкость по мере увеличения зазора
Материал между пластинами ( диэлектрик):
Диэлектрический материал приведет к увеличению емкости или уменьшение в зависимости от материала

В обычном емкостное зондирование, размер сенсора, размер цели, а диэлектрический материал (воздух) остается постоянным.Единственная переменная размер зазора. Исходя из этого предположения, электроника драйвера Предположим, что все изменения емкости являются результатом изменения в размере зазора.

Электроника откалибрована для определенных изменений выходного напряжения. для соответствующих изменений емкости. Эти напряжения равны масштабируется для представления конкретных изменений в размере зазора. Количество изменения напряжения для заданной величины изменения зазора называется чувствительность.Обычная настройка чувствительности составляет 1,0 В / 100 мкм. Это означает, что на каждые 100 мкм изменения зазора выходное напряжение изменяется ровно на 1,0 В. С этой калибровкой Изменение выходного напряжения +2 В означает, что цель переместилась на 200 мкм. ближе к зонду.

Фокусировка Электрическое поле
Когда к проводнику прикладывается напряжение, возникает электрическое поле. испускается с каждой поверхности.Для точного измерения электрическая поле от емкостного датчика должно содержаться в пределах пространство между чувствительной областью зонда и целью. Если электрическое поле может распространяться на другие предметы или другие области на мишени, затем изменение положения другого элемент будет измеряться как изменение положения цели. Чтобы этого не произошло, используется техника, называемая охраной. использовал.Для создания защищенного зонда задняя и боковые стороны датчика области окружены другим проводником, который хранится в такое же напряжение, как и на самой чувствительной области. Когда возбуждение напряжение подается на чувствительную область, применяется отдельная цепь точно такое же напряжение на охраннике. Потому что нет разницы по напряжению между чувствительной областью и ограждением нет электрическое поле между ними, чтобы вызвать ток.Любые проводники рядом или позади зонда формируют электрическое поле с помощью ограждения вместо чувствительной области. Только неохраняемая передняя часть зона чувствительности позволяет формировать электрическое поле к цели.

Эффекты целевого размера
Размер мишени является основным фактором при выборе зонда. для конкретного приложения. Когда электрическое поле датчика сфокусирован охраной, он создает поле, которое является проекцией размера и формы сенсора.Минимальный диаметр мишени для стандартная калибровка составляет 30% диаметра чувствительной области. Чем дальше зонд от цели, тем больше минимум целевой размер.

Диапазон Измерение
Диапазон, в котором используется емкостной датчик, зависит от функции площади чувствительной поверхности. Чем больше площадь, тем больший диапазон. Электроника драйвера рассчитана на определенное величина емкости на датчике.Следовательно, датчик меньшего размера должен быть значительно ближе к цели для достижения желаемого количество емкости. Электроника регулируется во время калибровка, но есть предел диапазона регулировки.
В общем, максимальный зазор, при котором полезен зонд, составляет приблизительно 40% диаметра чувствительной поверхности. Стандартные калибровки обычно держите разрыв значительно меньше, чем это.

Намного больше доступная информация

Пожалуйста, просмотрите это полное руководство по адресу www.Capsuitive-sensing.com для получения подробной информации. по этим важным темам:

Многоканальное зондирование
Влияние материала объекта
Измерение непроводников
Повышение точности: размер объекта
Повышение точности: форма цели
Максимальная точность: поверхность Finish
Максимальная точность: параллельность
Максимальная точность: окружающая среда

И найдите точные определения для этих важных терминов:

Чувствительность
Ошибка чувствительности
Ошибка смещения
Ошибка линейности
Диапазон ошибок
Ширина полосы
Разрешение
Расчет разрешения

---

Статья опубликована с согласия Lion Precision.
Для получения более подробной информации о продукции нажмите здесь …
& КОПИРОВАТЬ; Lion Precision 2007 Все права защищены

Емкостный датчик

— обзор

6.6 Принципы работы переносных датчиков

Работа датчиков зависит от различных методов, таких как электрический, оптический, электрохимический и пьезоэлектрический эффект. Датчики импеданса и электрохимические датчики являются важными классами носимых датчиков для мониторинга измерения физиологических параметров.Электрохимические датчики также подразделяются на амперометрические, потенциометрические и проводящие датчики, которые используют емкостную и резистивную методологию для изготовления различных датчиков. Конденсаторы — это строительные блоки электронного мира. Способность конденсатора накапливать электрический заряд называется емкостью. Прикосновение — это жизненно важный сенсорный канал человека, и технология, которая используется для реагирования на физическое прикосновение, часто называется емкостным ощущением. Емкостный датчик обеспечивает низкую температурную зависимость, высокую чувствительность, низкое энергопотребление, с возможностью измерения различных химических и физических параметров.Различные типы емкостных датчиков: коаксиальный цилиндрический, с параллельными пластинами, окаймляющим полем и цилиндрическим перекрестным конденсатором [9]. Емкостные датчики подходят как для инвазивного, так и для неинвазивного измерения параметров. Окрашивающее поле конденсатора способно определять текстуру, расположение и прочность образцов [10]. Электрохимические датчики очень портативны, чувствительны и недороги, их можно использовать во многих портативных анализаторах, в основе которых лежат электролиты и метаболиты. Работа датчиков начинается со сбора входных данных от целевых устройств, и входные данные классифицируются по трем различным категориям: целевой вход, который является фактическим входным сигналом, измеренным датчиком, мешающий вход относится к чувствительному входу и изменяющий вход, который вызывает изменение отношения входа-выхода датчика к цели и мешающим входам.По характеристикам носимые датчики делятся на статические, например датчики температуры тела и динамические. Статические датчики обладают такими характеристиками, как точность, чувствительность, порог, разрешение, допуск, диапазон, линейность, краткосрочный и долгосрочный дрейф, гистерезис, время отклика, взаимозаменяемость, перекрестная чувствительность, время восстановления и коэффициент текучести [11] . Динамические характеристики управляют рабочими характеристиками входных сигналов датчиков, такими как линейное изменение, синусоидальный шаг и линейное изменение.Выходной отклик для ступенчатого входа является переходным, который достигает устойчивого состояния, а затем возвращается к исходному значению во время восстановления. Входной сигнал пилообразного изменения дает линейный выходной отклик. Полиномиальное математическое уравнение n -го порядка связывает электрический выходной сигнал датчика с входным параметром. Электрический выход может быть током, напряжением и фазой; порядок уравнения может меняться в зависимости от сложности датчика.

Емкостные датчики давления | Руководство инженера-проектировщика

Что такое емкостные датчики давления?

Емкостные датчики давления измеряют давление, обнаруживая изменения электрической емкости, вызванные движением диафрагмы.

Принцип работы

Конденсатор состоит из двух параллельных проводящих пластин, разделенных небольшим зазором. Емкость определяется как:

где:

• εr — диэлектрическая проницаемость материала между пластинами (это 1 для вакуума)
• ε0 — электрическая постоянная (равная 8,854×1012 Ф / м),
• А площадь пластин
• d — расстояние между пластинами
  

Изменение любой из переменных вызовет соответствующее изменение емкости.Самый простой способ контролировать — это интервал. Это можно сделать, сделав одну или обе пластины диафрагмой, которая отклоняется при изменении давления.

Обычно один электрод представляет собой чувствительную к давлению диафрагму, а другой фиксированный. Пример емкостного датчика давления показан справа.

Простой способ измерения изменения емкости — сделать ее частью настроенной цепи, обычно состоящей из емкостного датчика и индуктора. Это может изменить либо частоту генератора, либо связь переменного тока резонансного контура.

Строительство

Диафрагма может быть изготовлена ​​из различных материалов, таких как пластик, стекло, кремний или керамика, для различных применений.

Емкость датчика обычно составляет от 50 до 100 пФ с изменением в несколько пикофарад.

Жесткость и прочность материала можно выбрать для обеспечения диапазона чувствительности и рабочего давления. Для получения сильного сигнала датчик может быть достаточно большим, что может ограничить диапазон рабочих частот.Однако диафрагмы меньшего размера более чувствительны и имеют меньшее время отклика.

Большая тонкая диафрагма может быть чувствительна к шуму от вибрации (в конце концов, тот же основной принцип используется для изготовления конденсаторных микрофонов), особенно при низких давлениях.

Более толстые диафрагмы используются в датчиках высокого давления и обеспечивают механическую прочность. Датчики с полномасштабным давлением до 5000 фунтов на квадратный дюйм можно легко сконструировать, контролируя толщину диафрагмы.

Поперечное сечение конструкции емкостного датчика

Выбирая материалы для пластин конденсатора, которые имеют низкий коэффициент теплового расширения, можно изготавливать датчики с очень низкой чувствительностью к изменению температуры.Структура также должна иметь низкий гистерезис для обеспечения точности и повторяемости измерений.

Поскольку мембрана сама по себе является чувствительным элементом, нет проблем с подключением дополнительных компонентов к мембране, поэтому емкостные датчики могут работать при более высоких температурах, чем некоторые другие типы датчиков.

Емкостные датчики давления также могут быть сконструированы непосредственно на кремниевом кристалле с использованием тех же технологий производства, которые используются при производстве полупроводниковых электронных устройств (см. Диаграмму слева).Это позволяет создавать очень маленькие чувствительные элементы и комбинировать их с электроникой для формирования сигнала и создания отчетов. Датчики давления, использующие микроэлектронные механические системы (МЭМС), более подробно описаны в главе 6.4.

Функция

Изменение емкости можно измерить, подключив датчик к частотно-зависимой цепи, такой как генератор или цепь LC-резервуара. В обоих случаях резонансная частота контура будет изменяться по мере изменения емкости с давлением.

Генератор требует дополнительных электронных компонентов и источника питания. Резонансный LC-контур может использоваться в качестве пассивного датчика без собственного источника питания.

Диэлектрическая проницаемость материала между пластинами может изменяться в зависимости от давления или температуры, и это также может быть источником ошибок. Относительная диэлектрическая проницаемость воздуха и большинства других газов увеличивается с повышением давления, так что это немного увеличивает изменение емкости с давлением. Датчики абсолютного давления, которые имеют вакуум между пластинами, в этом отношении работают идеально.

Более линейный датчик может быть сконструирован с использованием «сенсорного режима», когда диафрагма контактирует с противоположной пластиной (с тонким изолирующим слоем между ними) во всем нормальном рабочем диапазоне (как показано справа). Геометрия этой структуры обеспечивает более линейный выходной сигнал.

Этот тип датчика также более надежен и способен выдерживать большее избыточное давление. Это делает его более подходящим для промышленных сред.Однако эта структура более подвержена гистерезису из-за трения между двумя поверхностями.

Типовой дизайн

Внешняя антенна в некоторых пассивных датчиках для стимуляции настроенного контура

Электроника для измерения и обработки сигнала должна быть размещена рядом с чувствительным элементом, чтобы минимизировать влияние паразитной емкости.

Поскольку они могут быть включены в качестве компонентов в высокочастотные настраиваемые схемы, емкостные датчики хорошо подходят для беспроводных измерений.

В случае пассивных датчиков можно использовать внешнюю антенну, чтобы обеспечить сигнал для стимуляции настроенного контура и таким образом измерить изменение резонансной частоты (см. Диаграмму слева). Это делает их подходящими для медицинских устройств, которые необходимо имплантировать.

В качестве альтернативы для активного датчика частота, генерируемая генератором, может быть снята антенной.

Приложения

Емкостные датчики давления часто используются для измерения давления газа или жидкости в реактивных двигателях, автомобильных шинах, человеческом теле и многих других местах.Но их также можно использовать в качестве тактильных датчиков в носимых устройствах или для измерения давления, прикладываемого к переключателю или клавиатуре.

Они особенно универсальны, отчасти из-за их механической простоты, поэтому могут использоваться в сложных условиях. Емкостные датчики могут использоваться для измерения абсолютного, избыточного, относительного или дифференциального давления.

Преимущества и недостатки

Емкостные датчики давления имеют ряд преимуществ перед датчиками давления других типов.

Они могут иметь очень низкое энергопотребление, поскольку через чувствительный элемент отсутствует постоянный ток. Ток протекает только тогда, когда через цепь проходит сигнал для измерения емкости. Пассивные датчики, в которых внешний считыватель передает сигнал в схему, не требуют источника питания — эти атрибуты делают их идеальными для приложений с низким энергопотреблением, таких как удаленные датчики или датчики Интернета вещей.

Датчики механически просты, поэтому их можно сделать прочными со стабильным выходом, что делает их пригодными для использования в суровых условиях.Емкостные датчики обычно устойчивы к временным условиям избыточного давления.

Они обладают низким гистерезисом, хорошей воспроизводимостью и не очень чувствительны к изменениям температуры.

С другой стороны, емкостные датчики имеют нелинейный выходной сигнал, хотя его можно уменьшить в устройствах с сенсорным режимом. Однако это может происходить за счет большего гистерезиса.

Наконец, для интерфейсной электроники требуется тщательное проектирование схем из-за высокого выходного сопротивления датчика и минимизации влияния паразитной емкости.

Хотите узнать больше о других технологиях датчиков давления? Щелкните по ссылкам ниже, чтобы перейти к интересующему вас разделу.

Ищете дополнительную информацию о технологии датчиков давления? Ознакомьтесь с дальнейшими главами этого руководства ниже или, если у вас мало времени, вы можете загрузить его в формате PDF здесь.

.