kapasitif sensörler

Kapasitif bir sensör, ölçülen değerdeki bir değişikliğin kapasitanstaki bir değişikliğe dönüştürüldüğü parametrik tip dönüştürücü olarak adlandırılır.

Kapasitif Sensör Uygulamaları

Kapasitif sensörler için olası uygulamalar son derece çeşitlidir. Hemen hemen tüm endüstrilerde endüstriyel proses düzenleme ve kontrol sistemlerinde kullanılmaktadırlar. Kapasitif sensörler, otomatik hatlardaki limit siviçler, konveyörler, robotlar, işleme merkezleri, metal kesme makinelerinde, sinyal sistemlerinde, çeşitli mekanizmaları konumlandırmak için vb.

Şu anda en yaygın olanı, güvenilirliklerine ek olarak çok çeşitli avantajlara sahip olan yakınlık (varlık) sensörleridir. Nispeten düşük maliyetli olan yakınlık sensörleri, tüm endüstrilerdeki uygulamalarında geniş bir yönlülük aralığını kapsar. Bu tip kapasitif sensörlerin tipik kullanım alanları şunlardır:

• plastik veya cam kapların doldurulması için sinyalizasyon;

• şeffaf paketlerin dolum seviyesinin kontrolü;

• bobin kırılma alarmı;

• kayış gerginliği ayarı;

• her türlü kısmi hesap vb.

Kapasitif lineer ve açılı kodlayıcılar, çeşitli ölçüm komplekslerinde mühendislik ve ulaşım, inşaat ve enerjide yaygın olarak kullanılan en yaygın cihazlardır.

Son yıllarda yaygın endüstriyel kullanıma giren nispeten yeni cihazlar, sensörün eğim açısıyla orantılı bir elektrik çıkış sinyaline sahip küçük boyutlu kapasitif eğim ölçerler haline geldi…. Eğimölçerlerin başlıca kullanım alanları; arabaların, gemilerin ve su altı robotlarının, kaldıraçların ve vinçlerin, ekskavatörlerin, tarım makinelerinin yuvarlanmasının belirlenmesi, çeşitli türde dönen nesnelerin - miller, tekerlekler, şanzıman mekanizmalarının hem sabit hem de hareketli nesneler üzerindeki açısal yer değiştirmesinin belirlenmesi .

Kapasitif seviye sensörleri, gıda, ilaç, kimya, petrol arıtma endüstrilerinde kontrol sistemlerinde, üretim süreçlerinin düzenlenmesinde ve yönetiminde kullanılmaktadır. Sıvılar, dökme malzemeler, süspansiyonlar, viskoz maddeler (iletken ve iletken olmayan) ile çalışırken ve ayrıca yoğuşma, tozluluk koşullarında etkilidirler.

Kapasitif sensörler ayrıca çeşitli endüstrilerde mutlak ve gösterge basıncını, dielektrik malzemelerin kalınlığını, hava nemini, gerilimi, açısal ve doğrusal ivmeleri vb. ölçmek için kullanılır.

Kapasitif sensörlerin diğer sensör türlerine göre avantajları

Kapasitif sensörler, diğer sensör tiplerine göre bir dizi avantaj sunar. Avantajları şunları içerir:

• üretim kolaylığı, üretim için ucuz malzeme kullanımı; — küçük boyut ve ağırlık; — düşük enerji tüketimi; - yüksek hassasiyet;

• temas eksikliği (bazı durumlarda - bir akım toplayıcı);

• uzun hizmet ömrü;

• kapasitif sensörün hareketli parçasını hareket ettirmek için çok küçük kuvvetlere duyulan ihtiyaç;

• sensörün şeklini farklı görevlere ve tasarımlara uyarlama kolaylığı;

Kapasitif sensörlerin dezavantajları

Kapasitif sensörlerin dezavantajları şunları içerir:

• nispeten küçük transfer (dönüştürme) katsayısı;

• ekranlama parçaları için yüksek gereksinimler;

• daha yüksek (50 Hz'e kıyasla) frekansta çalışma ihtiyacı;

Ancak çoğu durumda, sensör tasarımı sayesinde yeterli koruma elde edilebilir ve uygulama, kapasitif sensörlerin yaygın olarak kullanılan 400 Hz frekansında iyi sonuçlar verdiğini gösterir. doğal kapasitörler kenar etkisi, yalnızca plakalar arasındaki mesafe, söz konusu yüzeylerin doğrusal boyutlarıyla karşılaştırılabilir olduğunda önemli hale gelir. Bu etki, etkisini ölçümler için fiilen kullanılan plakaların yüzeyinin sınırlarının ötesine kaydırmayı mümkün kılan koruyucu bir halka aracılığıyla bir dereceye kadar ortadan kaldırılabilir.

Kapasitif sensörler, sağlam ve güvenilir bir tasarıma izin veren sadelikleri ile dikkat çekicidir. Kapasitörün parametreleri yalnızca geometrik özelliklere bağlıdır ve bu malzemeler doğru seçilirse kullanılan malzemelerin özelliklerine bağlı değildir. Bu nedenle, yüzey değişiklikleri ve plaka aralığı üzerindeki sıcaklığın etkisi, plakalar için uygun metal derecesi ve ekleri için yalıtım seçilerek ihmal edilebilecek kadar küçük olabilir. Geriye sadece sensörü, toz, korozyon, nem, iyonlaştırıcı radyasyon gibi plakalar arasındaki yalıtımı bozabilecek çevresel faktörlerden korumak kalır.

Kapasitif sensörlerin değerli nitelikleri - hareketli parçasını hareket ettirmek için gereken az miktarda mekanik kuvvet, izleme sisteminin çıkışını ayarlama yeteneği ve yüksek çalışma doğruluğu - kapasitif sensörleri yalnızca yüzlerce ve hatta hataların olduğu cihazlarda vazgeçilmez kılar. yüzde binde birine izin verilir.

Kapasitif dönüştürücü çeşitleri ve tasarım özellikleri

Tipik olarak, bir kapasitif sensör, plakalarından biri kapasitansta bir değişikliğe neden olacak şekilde kontrollü hareket eden düz veya silindirik bir kapasitördür. Son etkileri ihmal ederek, düz bir kapasitör için kapasitans aşağıdaki gibi ifade edilebilir:

nerede ε Plakalar arasında bulunan ortamın bağıl dielektrik sabiti, C ve e - dikkate alınan plakaların alanı ve buna göre aralarındaki mesafe.

Kapasitif dönüştürücüler, ölçülen elektriksel olmayan miktarın aşağıdaki parametrelerle fonksiyonel ilişkisine bağlı olarak çeşitli miktarları üç yönde ölçmek için kullanılabilir:

• ortamın değişken dielektrik sabiti ε;

• C plakalarının örtüşen alanı;

• plakalar arasındaki farklı mesafe e.

İlk durumda, dielektrik sabiti maddenin özelliklerinin bir fonksiyonu olduğundan, maddenin bileşimini analiz etmek için kapasitif dönüştürücüler kullanılabilir. Bu durumda dönüştürücünün doğal girdi değeri plakalar arasındaki boşluğu dolduran maddenin bileşimi olacaktır. Bu tip kapasitif dönüştürücüler, özellikle katı ve sıvıların nem içeriğinin, sıvı seviyesinin ölçülmesinde ve ayrıca küçük nesnelerin geometrik boyutlarının belirlenmesinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Kapasitif dönüştürücülerin pratik kullanımının çoğu durumunda, doğal giriş değerleri elektrotların birbirine göre geometrik yer değiştirmesidir.Bu prensibe dayanarak, doğrusal ve açısal yer değiştirme sensörleri, kuvvetleri, titreşimleri, hızı ve ivmeyi ölçmek için cihazlar, sensörler için yakınlık, basınç ve gerinim sensörleri (ekstansometreler).

Kapasitif Sensörün Sınıflandırılması

Uygulama açısından, tüm kapasitif ölçüm transdüserleri, tek kapasitif ve çift kapasitif sensörlere ayrılabilir. İkincisi diferansiyel ve yarı diferansiyeldir.

Tek bir kapasitans sensörünün tasarımı basittir ve tek değişkenli bir kapasitördür. Dezavantajları, nem ve sıcaklık gibi dış faktörlerin önemli ölçüde etkilenmesidir.Bu hataları telafi etmek için farklı tasarımlar uygulayın... Tek kapasitanslı sensörlere kıyasla bu tür sensörlerin dezavantajı, sensör ile ölçüm cihazı arasında so- parazitik kapasitanslar denir. Bununla birlikte, bu dezavantaj, bu tür cihazların uygulama alanının doğruluğu, kararlılığı ve genişlemesinde önemli bir artışla ödenir.

Bazı durumlarda, tasarım nedenlerinden dolayı bir diferansiyel kapasitif sensör oluşturmak zordur (bu özellikle değişken boşluklu diferansiyel sensörler için geçerlidir). Bununla birlikte, aynı zamanda örnek bir kondansatör, çalışan bir muhafaza ile aynı mahfazaya yerleştirilirse ve bunlar tasarım, boyutlar ve kullanılan malzemeler açısından mümkün olduğu kadar aynı ise, o zaman tüm cihazın dış denge bozucu etkilere karşı çok daha düşük bir hassasiyeti olacaktır. sağlanan . Bu gibi durumlarda, diferansiyel gibi iki kapasitifi ifade eden yarı diferansiyel kapasitif bir sensörden bahsedebiliriz.

İki boyutlu fiziksel niceliklerin (bizim durumumuzda kapasitanslar) boyutsuz bir oranı olarak temsil edilen iki hacimli sensörlerin çıkış parametresinin özgüllüğü, bunlara oran sensörleri demek için sebep verir. İkili kapasitans sensörleri kullanıldığında, ölçüm cihazı hiçbir standart kapasitans ölçüsü içermeyebilir, bu da ölçüm doğruluğunun artmasına katkıda bulunur.

Doğrusal yer değiştirme enkoderleri

Ölçülecek ve kontrol edilecek elektriksel olmayan miktarlar çok ve çeşitlidir. Bunların önemli bir kısmı doğrusal ve açısal yer değiştirmelerdir. Bir kapasitöre dayalı olarak Elektrik alanı iki ana tip kapasitif yer değiştirme sensörü, çalışma aralığında eşit şekilde oluşturulabilir:

• değişken elektrot alanı ile;

• elektrotlar arasında değişken bir boşluk ile.

Birincisinin büyük yer değiştirmeleri (birimler, onlarca ve yüzlerce milimetre) ölçmek için ve ikincisinin küçük ve çok küçük yer değiştirmeleri (milimetrenin parçaları, mikrometre ve daha azı) ölçmek için daha uygun olduğu oldukça açıktır.

Açısal kodlayıcılar

Açısal yer değiştirmeli kapasitif transdüserler prensip olarak lineer yer değiştirmeli kapasitif transdüserlere benzer ve değişken alanlı sensörler de çok küçük olmayan ölçüm aralıkları (derece birimlerinden başlayarak) ve değişken açılı aralıklı kapasitif sensörler söz konusu olduğunda daha uygundur küçük ve çok küçük açısal yer değiştirmeleri ölçmek için başarıyla kullanılabilir. Tipik olarak, açısal yer değiştirmeler için değişken kapasitör plaka alanına sahip çok kesitli transdüserler kullanılır.

Bu tür sensörlerde, kapasitör elektrotlarından biri nesnenin miline takılır ve dönüş sırasında sabit olana göre yer değiştirerek kapasitör plakalarının üst üste binme alanını değiştirir. Bu da, ölçüm devresi tarafından yakalanan kapasitansta bir değişikliğe neden olur.

eğimölçerler

Eğim ölçer (eğim sensörü), kapsül şeklinde bir algılama elemanı içeren bir diferansiyel kapasitif eğim dönüştürücüsüdür.

kapasitif eğimölçer

Kapsül, bir yalıtkan tabaka ile kaplanmış iki düz elektrotlu (1) bir alt tabakadan ve alt tabakaya hermetik olarak sabitlenmiş bir gövdeden (2) oluşur.Gövdenin iç boşluğu, kısmen ortak elektrot olan iletken bir sıvı (3) ile doldurulur. hassas bir unsurOrtak elektrot, düz elektrotlarla bir diferansiyel kapasitör oluşturur. Sensörün çıkış sinyali, dikey düzlemde mahfazanın konumuna doğrusal olarak bağlı olan diferansiyel kapasitörün kapasitans değeri ile orantılıdır.

Eğimölçer, çalışma düzlemi adı verilen bir düzlemde çıkış sinyalinin eğim açısına doğrusal bir bağımlılığı olacak şekilde tasarlanmıştır ve sinyali sıcaklığa zayıf bir şekilde bağlıyken pratikte diğer (çalışmayan) düzlemdeki okumaları değiştirmez değişiklikler. Uçağın uzaydaki konumunu belirlemek için birbirine 90 ° açıyla yerleştirilmiş iki eğim ölçer kullanılır.

Sensörün eğim açısıyla orantılı bir elektrik çıkış sinyaline sahip küçük boyutlu eğim ölçerler nispeten yeni cihazlardır. Yüksek doğrulukları, minyatür boyutları, hareketli mekanik ünitelerin bulunmaması, şantiyede kurulum kolaylığı ve düşük maliyetleri, bunların yalnızca dönüş sensörleri olarak kullanılmasını değil, aynı zamanda sadece sabit değil, aynı zamanda hareketli açı sensörlerini de değiştirmelerini tavsiye eder. nesneler.

Kapasitif sıvı seviye sensörleri

İletken olmayan bir sıvının seviyesini ölçmek için kapasitif bir verici, paralel bağlanmış iki kapasitörden oluşur

Basınç sensörleri

Kapasitif basınç dönüştürücünün temel tasarımlarından biri, mutlak basıncı ölçmek için kullanılan tek bir statordur (elektrik basınç sensörleri).

Böyle bir sensör, bir tarafında gövdeden izole edilmiş sabit bir elektrot bulunan, sıkıca gerilmiş düz metal bir diyaframla iki parçaya bölünmüş bir metal hücreden oluşur.Diyafram elektrodu, ölçüm devresine dahil edilen değişken bir kapasitans oluşturur. Diyaframın her iki tarafındaki basınç eşit olduğunda dönüştürücü dengelenir. Bölmelerden birindeki basınç değişikliği diyaframı deforme eder ve ölçüm devresi tarafından sabitlenen kapasitansı değiştirir.

İki istasyonlu (diferansiyel) bir tasarımda, diyafram iki sabit plaka arasında hareket eder ve iki hazneden birine, diferansiyel (fazla veya diferansiyel) basıncın en küçük hatayla doğrudan ölçülmesini sağlayan bir referans basınç sağlanır.