Kapacitivni senzorji

Kapacitivni senzor se imenuje pretvornik parametričnega tipa, kjer se sprememba izmerjene vrednosti pretvori v spremembo kapacitivnosti.

Aplikacije kapacitivnih senzorjev

Možne uporabe kapacitivnih senzorjev so zelo raznolike. Uporabljajo se v sistemih za regulacijo in nadzor industrijskih procesov v skoraj vseh panogah. Kapacitivni senzorji se uporabljajo za nadzor polnjenja rezervoarjev s tekočimi, praškastimi ali zrnatimi snovmi, kot so končna stikala na avtomatskih linijah, transporterjih, robotih, obdelovalnih centrih, strojih za rezanje kovin, v signalnih sistemih, za pozicioniranje različnih mehanizmov itd.

Trenutno so najbolj razširjeni senzorji bližine (prisotnosti), ki imajo poleg svoje zanesljivosti tudi vrsto prednosti. S sorazmerno nizkimi stroški senzorji bližine pokrivajo širok razpon usmerjenosti pri uporabi v vseh panogah. Tipična področja uporabe kapacitivnih senzorjev te vrste so:

• signalizacija za polnjenje plastičnih ali steklenih posod;

• nadzor stopnje polnjenja prozornih paketov;

• alarm za zlom tuljave;

• nastavitev napetosti jermena;

• kakršen koli delni račun itd.

Kapacitivni linearni in kotni dajalniki so najpogostejše naprave, ki se pogosto uporabljajo v inženirstvu in prometu, gradbeništvu in energetiki, v različnih merilnih kompleksih.

Relativno nove naprave, ki so v zadnjih letih prišle v široko industrijsko uporabo, so postale majhni kapacitivni inklinometri z električnim izhodnim signalom, ki je sorazmeren kotu naklona senzorja. Naslednja področja uporabe inklinometrov se lahko štejejo za glavna: uporaba v sistemih za izravnavo ploščadi, določanje odstopanj in deformacij različnih vrst nosilcev in nosilcev, nadzor kotov naklona cest in železnic med njihovo gradnjo, popravilom in obratovanjem, določanje nagiba avtomobilov, ladij in podvodnih robotov, dvigal in žerjavov, bagrov, kmetijskih strojev, določanje kotnega premika različnih vrst vrtečih se predmetov - gredi, koles, mehanizmov menjalnika na mirujočih in gibljivih predmetih.

Kapacitivni senzorji nivoja se uporabljajo v nadzornih sistemih, regulaciji in upravljanju proizvodnih procesov v živilski, farmacevtski, kemični industriji in industriji rafiniranja nafte. Učinkoviti so pri delu s tekočinami, razsutimi materiali, suspenzijami, viskoznimi snovmi (prevodnimi in neprevodnimi), pa tudi v pogojih kondenzacije, prašnosti.

Kapacitivni senzorji se uporabljajo tudi v različnih industrijah za merjenje absolutnega in nadtlaka, debeline dielektričnih materialov, vlažnosti zraka, napetosti, kotnih in linearnih pospeškov itd.

Prednosti kapacitivnih senzorjev pred drugimi tipi senzorjev

Kapacitivni senzorji ponujajo številne prednosti pred drugimi tipi senzorjev. Njihove prednosti vključujejo:

• enostavnost izdelave, uporaba poceni materialov za proizvodnjo; — majhna velikost in teža; — nizka poraba energije; - visoka občutljivost;

• pomanjkanje stikov (v nekaterih primerih - en zbiralnik toka);

• dolga življenjska doba;

• potreba po zelo majhnih silah za premikanje gibljivega dela kapacitivnega senzorja;

• enostavnost prilagajanja oblike senzorja različnim nalogam in dizajnom;

Slabosti kapacitivnih senzorjev

Slabosti kapacitivnih senzorjev vključujejo:

• relativno majhen koeficient prenosa (pretvorbe);

• visoke zahteve za zaščitne dele;

• potreba po delu pri višji (v primerjavi s 50 Hz) frekvenci;

V večini primerov pa je mogoče doseči zadostno zaščito zaradi zasnove senzorja, praksa pa kaže, da kapacitivni senzorji dajejo dobre rezultate pri pogosto uporabljeni frekvenci 400 Hz. Inherentno kondenzatorji robni učinek postane pomemben le, če je razdalja med ploščama primerljiva z linearnimi dimenzijami obravnavanih površin. Ta učinek je mogoče do neke mere odpraviti z zaščitnim obročem, ki omogoča premik njegovega vpliva preko meja površine plošč, ki se dejansko uporabljajo za meritve.

Kapacitivni senzorji so izjemni zaradi svoje preprostosti, ki omogoča robustno in zanesljivo zasnovo. Parametri kondenzatorja so odvisni samo od geometrijskih značilnosti in niso odvisni od lastnosti uporabljenih materialov, če so ti materiali pravilno izbrani. Zato je lahko vpliv temperature na površinske spremembe in razmik med ploščami zanemarljivo majhen, če izberemo ustrezno kovino za plošče in izolacijo za njihovo pritrditev. Ostaja samo zaščititi senzor pred tistimi okoljskimi dejavniki, ki lahko poslabšajo izolacijo med ploščami - pred prahom, korozijo, vlago, ionizirajočim sevanjem.

Zaradi dragocenih lastnosti kapacitivnih senzorjev – majhna količina mehanske sile, ki je potrebna za premikanje njihovega gibljivega dela, zmožnost prilagoditve izhoda sledilnega sistema in visoka natančnost delovanja – so kapacitivni senzorji nepogrešljivi v napravah, kjer so napake le stotink ali celo tisočinke odstotkov so dovoljene.

Vrste kapacitivnih pretvornikov in njihove konstrukcijske značilnosti

Običajno je kapacitivni senzor ploščat ali cilindričen kondenzator, katerega ena od plošč se kontrolirano premika, kar povzroči spremembo kapacitivnosti. Če zanemarimo končne učinke, lahko kapacitivnost ravnega kondenzatorja izrazimo na naslednji način:

kjer ε Relativna dielektrična konstanta medija, zaprtega med ploščama, C in e - površina obravnavanih plošč in s tem razdalja med njimi.

Kapacitivni pretvorniki se lahko uporabljajo za merjenje različnih veličin v treh smereh, odvisno od funkcionalnega razmerja merjene neelektrične količine z naslednjimi parametri:

• spremenljiva dielektrična konstanta medija ε;

• območje prekrivanja plošč C;

• različna razdalja med ploščama e.

V prvem primeru lahko za analizo sestave snovi uporabimo kapacitivne pretvornike, saj je dielektrična konstanta funkcija lastnosti snovi. V tem primeru bo naravna vhodna vrednost pretvornika sestava snovi, ki zapolnjuje prostor med ploščama. Kapacitivni pretvorniki te vrste se še posebej pogosto uporabljajo pri merjenju vsebnosti vlage v trdnih snoveh in tekočinah, nivoju tekočine, pa tudi pri določanju geometrijskih dimenzij majhnih predmetov. V večini primerov praktične uporabe kapacitivnih pretvornikov je njihova naravna vhodna vrednost geometrijski zamik elektrod glede na drugo.Na tem principu so izdelani linearni in kotni senzorji pomikov, naprave za merjenje sil, vibracij, hitrosti in pospeškov, senzorji za senzorji bližine, tlaka in napetosti (ekstenzometri).

Razvrstitev kapacitivnega senzorja

Izvedbeno lahko vse kapacitivne merilne pretvornike razdelimo na enokapacitivne in dvokapacitivne senzorje. Slednji so diferencialni in poldiferencialni.

Senzor z eno kapacitivnostjo je preprost po zasnovi in ​​je en sam spremenljivi kondenzator. Njegove pomanjkljivosti vključujejo pomemben vpliv zunanjih dejavnikov, kot sta vlažnost in temperatura.Za kompenzacijo teh napak uporabite diferencialne izvedbe... Pomanjkljivost takšnih senzorjev v primerjavi z enokapacitivnimi je potreba po vsaj treh (namesto dveh) oklopljenih povezovalnih žicah med senzorjem in merilno napravo za zatiranje tako- imenujemo parazitske kapacitivnosti. Vendar se ta pomanjkljivost poplača z znatnim povečanjem natančnosti, stabilnosti in razširitvijo področja uporabe takšnih naprav.

V nekaterih primerih je diferencialni kapacitivni senzor težko ustvariti zaradi konstrukcijskih razlogov (to še posebej velja za diferencialne senzorje s spremenljivo režo). Če pa je hkrati zgleden kondenzator nameščen v istem ohišju z delujočim in sta čim bolj enaka po zasnovi, dimenzijah in uporabljenih materialih, potem bo občutljivost celotne naprave na zunanje destabilizirajoče vplive veliko manjša. zagotovljeno. V takih primerih lahko govorimo o poldiferencialnem kapacitivnem senzorju, ki se tako kot diferencialni nanaša na bikapacitivnega.

Specifičnost izhodnega parametra dvoprostorninskih senzorjev, ki je predstavljen kot brezdimenzionalno razmerje dvodimenzionalnih fizikalnih količin (v našem primeru kapacitivnosti), daje razlog, da jih imenujemo senzorji razmerja. Pri uporabi senzorjev z dvojno kapacitivnostjo lahko merilna naprava sploh ne vsebuje standardnih kapacitivnih mer, kar prispeva k večji natančnosti merjenja.

Dajalniki linearnega pomika

Neelektričnih veličin, ki jih je treba meriti in kontrolirati, je veliko in raznolikih. Pomemben del so linearni in kotni premiki. Na osnovi kondenzatorja, ki električno polje dve glavni vrsti kapacitivnih senzorjev premika je mogoče enakomerno ustvariti v delovni reži:

• s spremenljivo površino elektrode;

• s spremenljivo režo med elektrodama.

Povsem očitno je, da so prvi primernejši za merjenje velikih pomikov (enote, desetice in stotine milimetrov), drugi pa za merjenje majhnih in ultra majhnih pomikov (deli milimetra, mikrometri in manj).

Kotni kodirniki

Kapacitivni pretvorniki kotnega pomika so načeloma podobni kapacitivnim pretvornikom z linearnim pomikom, prav tako pa so bolj primerni senzorji s spremenljivo površino v primeru ne premajhnih merilnih območij (začenši z enotami stopinj) in kapacitivni senzorji s spremenljivo kotno režo. se lahko uspešno uporablja za merjenje majhnih in ultra majhnih kotnih pomikov. Običajno se za kotne premike uporabljajo večdelni pretvorniki s spremenljivo površino plošče kondenzatorja.

V takih senzorjih je ena od elektrod kondenzatorja pritrjena na gred predmeta in med vrtenjem se premakne glede na stacionarno, s čimer se spremeni območje prekrivanja kondenzatorskih plošč. To pa povzroči spremembo kapacitivnosti, ki jo zajame merilno vezje.

Inklinometri

Merilnik nagiba (senzor nagiba) je diferencialni kapacitivni pretvornik nagiba, ki vključuje zaznavni element v obliki kapsule.

Kapacitivni inklinometer

Kapsula je sestavljena iz substrata z dvema ravnima elektrodama 1, prekritima z izolacijsko plastjo, in telesa 2, hermetično pritrjenega na substrat.Notranja votlina telesa je delno napolnjena s prevodno tekočino 3, ki je skupna elektroda občutljiv element.Skupna elektroda tvori diferencialni kondenzator s ploščatimi elektrodami. Izhodni signal senzorja je sorazmeren z vrednostjo kapacitivnosti diferenčnega kondenzatorja, ki je linearno odvisna od položaja ohišja v navpični ravnini.

Inklinometer je zasnovan tako, da ima linearno odvisnost izhodnega signala od kota naklona v eni tako imenovani delovni ravnini in praktično ne spreminja odčitkov v drugi (nedelovni) ravnini, medtem ko je njegov signal šibko odvisen od temperature. spremembe. Za določitev položaja letala v prostoru se uporabljata dva inklinometra, nameščena pod kotom 90 ° drug na drugega.

Manjši inklinometri z električnim izhodnim signalom, ki je sorazmeren kotu naklona senzorja, so razmeroma nove naprave. Zaradi njihove visoke natančnosti, miniaturne velikosti, pomanjkanja premičnih mehanskih enot, enostavne namestitve na gradbišču in nizkih stroškov jih je priporočljivo uporabljati ne samo kot senzorje kota, ampak tudi za zamenjavo kotnih senzorjev, ne samo stacionarnih, ampak tudi gibljivih. predmetov.

Kapacitivni senzorji nivoja tekočine

Kapacitivni oddajnik za merjenje nivoja neprevodne tekočine je sestavljen iz dveh vzporedno povezanih kondenzatorjev

Senzorji tlaka

Ena od osnovnih zasnov kapacitivnega tlačnega pretvornika je enojni stator, ki se uporablja za merjenje absolutnega tlaka (električni senzorji tlaka).

Tak senzor je sestavljen iz kovinske celice, razdeljene na dva dela s tesno napeto ploščato kovinsko membrano, na eni strani katere je pritrjena elektroda, izolirana od telesa.Membranska elektroda tvori spremenljivo kapacitivnost, ki je vključena v merilno vezje. Ko je tlak na obeh straneh diafragme enak, je pretvornik uravnotežen. Sprememba tlaka v eni od komor deformira membrano in spremeni kapacitivnost, ki jo določi merilno vezje.

Pri dvopostajni (diferenčni) izvedbi se membrana premika med dvema fiksnima ploščama in referenčni tlak se dovaja v eno od obeh komor, kar zagotavlja neposredno merjenje diferenčnega (presežnega ali diferenčnega) tlaka z najmanjšo napako.