Капацитивни сензори

Капацитивен сензор се нарича преобразувател с параметричен тип, при който промяна в измерената стойност се преобразува в промяна в капацитета.

Приложения за капацитивни сензори

Възможните приложения за капацитивни сензори са изключително разнообразни. Те се използват в системите за регулиране и контрол на индустриалните процеси в почти всички индустрии. Капацитивните сензори се използват за контрол на пълненето на резервоари с течни, прахообразни или гранулирани вещества, като крайни превключватели на автоматизирани линии, конвейери, роботи, обработващи центрове, металорежещи машини, в сигнални системи, за позициониране на различни механизми и др.

В момента най -широко разпространени са сензорите за близост (присъствие), които освен надеждността си имат и широк спектър от предимства. С относително ниска цена, сензорите за близост обхващат широк диапазон от насоченост при тяхното приложение във всички индустрии. Типичните области на използване за капацитивни сензори от този тип са:

• сигнализиране за пълнене на контейнери от пластмаса или стъкло;

• контрол на нивото на пълнене на прозрачни опаковки;

• аларма за счупване на намотка;

• регулиране на опъването на колана;

• частична сметка от всякакъв вид и др.

Капацитивни линейни и ъглови енкодери са най -често срещаните устройства, широко използвани в машиностроенето и транспорта, строителството и енергетиката, в различни измервателни комплекси.

Сравнително нови устройства, довели до широка промишлена употреба през последните години, са станали капацитивни инклинометри с малки размери с електрически изходен сигнал, пропорционален на ъгъла на наклона на сензора…. Следните области на приложение на инклинометрите могат да се разглеждат като основни: използване в системи за изравняване на платформа, определяне на отклонения и деформации на различни видове опори и греди, контрол на ъглите на наклон на пътища и железопътни линии по време на тяхното строителство, ремонт и експлоатация, определяне на ролката на автомобили, кораби и подводни роботи, подемници и кранове, багери, селскостопански машини, определяне на ъгловото изместване на различни видове въртящи се обекти — валове, колела, механизми на скоростна кутия както върху неподвижни, така и подвижни обекти.

Капацитивни сензори за ниво намират приложение в системите за управление, регулирането и управлението на производствените процеси в хранителната, фармацевтичната, химическата, нефтопреработващата промишленост. Те са ефективни при работа с течности, насипни материали, суспензии, вискозни вещества (проводими и непроводими), както и в условия на кондензация, запрашеност.

Капацитивните сензори се използват също в различни индустрии за измерване на абсолютно и манометрично налягане, дебелина на диелектрични материали, влажност на въздуха, деформация, ъглови и линейни ускорения и др.

Предимства на капацитивните сензори пред други видове сензори

Капацитивните сензори предлагат редица предимства пред другите типове сензори. Техните предимства включват:

• лекота на производство, използване на евтини материали за производство; — малки размери и тегло; — ниска консумация на енергия; — висока чувствителност;

• липса на контакти (в някои случаи — един токов колектор);

• дълъг експлоатационен живот;

• необходимостта от много малки сили за преместване на движещата се част на капацитивния сензор;

• лекота на адаптиране на формата на сензора към различни задачи и дизайн;

Недостатъци на капацитивните сензори

Недостатъците на капацитивните сензори включват:

• относително малък коефициент на трансфер (конверсия);

• високи изисквания за екраниране на части;

• необходимостта от работа с по -висока (в сравнение с 50 Hz) честота;

В повечето случаи обаче може да се постигне достатъчно екраниране поради конструкцията на сензора, а практиката показва, че капацитивните сензори дават добри резултати при широко разпространената честота от 400 Hz. Присъщ кондензатори ефектът на ръба става значителен само когато разстоянието между плочите е сравнимо с линейните размери на разглежданите повърхности. Този ефект може да бъде елиминиран до известна степен с помощта на защитен пръстен, който дава възможност да се измести влиянието му извън границите на повърхността на плочите, действително използвани за измервания.

Капацитивните сензори са забележителни със своята простота, което позволява здрав и надежден дизайн. Параметрите на кондензатора зависят само от геометричните характеристики и не зависят от свойствата на използваните материали, ако тези материали са правилно подбрани. Следователно, ефектът от температурата върху промените в повърхността и разстоянието между плочите може да бъде пренебрежимо малък, като се избере подходящият клас метал за плочите и изолацията за тяхното закрепване. Остава само да защитим сензора от онези фактори на околната среда, които могат да влошат изолацията между плочите — от прах, корозия, влажност, йонизиращо лъчение.

Ценните качества на капацитивните сензори — малко количество механична сила, необходима за преместване на нейната подвижна част, възможност за регулиране на изхода на системата за проследяване и висока точност на работа — правят капацитивните сензори незаменими в устройства, в които грешки от само стотни и дори хилядни на процент са разрешени.

Видове капацитивни преобразуватели и техните конструктивни характеристики

Обикновено капацитивният сензор е плосък или цилиндричен кондензатор, чиято една от плочите претърпява контролирано движение, причинявайки промяна в капацитета. Пренебрегвайки крайните ефекти, може да се изрази капацитетът за плосък кондензатор, както следва:

където ε Относителната диелектрична константа на средата, затворена между плочите, С и д — площта на разглежданите плочи и съответно разстоянието между тях.

Капацитивните преобразуватели могат да се използват за измерване на различни величини в три посоки, в зависимост от функционалната връзка на измерената неелектрическа величина със следните параметри:

• променлива диелектрична константа на средата ε;

• припокриваща се площ на плочите С;

• различно разстояние между плочите д.

В първия случай, капацитивните преобразуватели могат да се използват за анализ на състава на веществото, тъй като диелектричната константа е функция от свойствата на веществото. В този случай естествената входна стойност на преобразувателя ще бъде съставът на веществото, запълващо пространството между плочите. Капацитивните преобразуватели от този тип се използват особено широко при измерване на съдържанието на влага в твърди вещества и течности, нивото на течността, както и при определяне на геометричните размери на малки обекти. В повечето случаи на практическо използване на капацитивни преобразуватели тяхната естествена входна стойност е геометричното изместване на електродите един спрямо друг.Въз основа на този принцип се изграждат линейни и ъглови сензори за изместване, устройства за измерване на сили, вибрации, скорост и ускорение, сензори за близост, сензори за налягане и деформация (екстензометри).

Класификация на капацитивен сензор

По начин на изпълнение всички капацитивни измервателни преобразуватели могат да бъдат разделени на еднокапацитетни и двойно-капацитивни сензори. Последните са диференциални и полудиференциални.

Сензор с единичен капацитет прост в дизайна и е единичен променлив кондензатор. Неговите недостатъци включват значително влияние на външни фактори като влажност и температура. За да компенсирате тези грешки, приложете диференциални дизайни… Недостатъкът на такива сензори в сравнение с еднокапацитивните е необходимостта от поне три (вместо два) екранирани свързващи проводника между сензора и измервателното устройство за потискане на така наречените паразитни капацитети. Този недостатък обаче се изплаща със значително увеличаване на точността, стабилността и разширяването на областта на приложение на такива устройства.

В някои случаи диференциален капацитивен сензор трудно е да се създаде поради конструктивни причини (това е особено вярно за диференциални сензори с променлива междина). Въпреки това, ако в същото време един примерен кондензатор е поставен в един и същи корпус с работещ и те са възможно най -идентични по дизайн, размери и използвани материали, тогава много по -ниска чувствителност на цялото устройство към външни ще бъдат осигурени дестабилизиращи влияния. В такива случаи можем да говорим за полудиференциален капацитивен сензор, който подобно на диференциалния се отнася до двукапацитивен.

Специфичността на изходния параметър на двуобемни сензори, който е представен като безразмерно съотношение на двуизмерни физически величини (в нашия случай капацитети), дава основание да ги наричаме сензори за съотношение. При използване на сензори с двоен капацитет, измервателното устройство може изобщо да не съдържа никакви стандартни мерки за капацитет, което допринася за увеличаване на точността на измерване.

Енкодери за линейно изместване

Неелектрическите величини, които трябва да се измерват и контролират, са много и разнообразни. Значителна част от тях са линейни и ъглови измествания. Въз основа на кондензатор, който електрическо поле равномерно в работната празнина могат да бъдат създадени два основни типа капацитивни сензори за изместване:

• с променлива площ на електрода;

• с променлива междина между електродите.

Съвсем очевидно е, че първите са по-удобни за измерване на големи премествания (единици, десетки и стотици милиметри), а вторите за измерване на малки и свръх малки размествания (части от милиметър, микрометри и по-малко).

Ъглови енкодери

Капацитивните преобразуватели с ъглово изместване по принцип са сходни с капацитивните преобразуватели с линейно изместване, а сензорите с променлива площ също са по -подходящи в случай на не твърде малки диапазони на измерване (започвайки от единици градуси), а капацитивните сензори с променлива ъглова междина могат да бъдат успешно използвани за измерване на малки и свръх малки ъглови премествания. Обикновено за ъглови измествания се използват многосекционни преобразуватели с променлива площ на кондензаторните плочи.

В такива сензори един от кондензаторните електроди е прикрепен към вала на обекта и по време на въртене се измества спрямо неподвижния, като се променя зоната на припокриване на кондензаторните плочи. Това от своя страна причинява промяна в капацитета, която се фиксира от измервателната верига.

Инклинометри

Инклинометърът (сензор за наклон) е диференциален капацитивен преобразувател за накланяне, който включва сензорен елемент във формата на капсула.

Капацитивен инклинометър

Капсулата се състои от субстрат с два плоски електрода 1, покрити с изолационен слой, и тяло 2, херметически фиксирано към субстрата.Вътрешната кухина на тялото е частично запълнена с проводима течност 3, която е общият електрод на чувствителен елемент. Общият електрод образува диференциален кондензатор с плоските електроди. Изходният сигнал на сензора е пропорционален на стойността на капацитета на диференциалния кондензатор, която линейно зависи от положението на корпуса във вертикалната равнина.

Инклинометърът е проектиран така, че да има линейна зависимост на изходния сигнал от ъгъла на наклона в едната-така наречената работна равнина и практически не променя показанията в другата (неработеща) равнина, докато сигналът му е слабо зависим от температурните промени. За да се определи положението на равнината в пространството, се използват два инклинометра, разположени под ъгъл 90 ° един спрямо друг.

Инклинометрите с малки размери с електрически изходен сигнал, пропорционален на ъгъла на наклона на сензора, са сравнително нови устройства. Тяхната висока точност, миниатюрен размер, липса на подвижни механични възли, лекота на монтаж върху обекта и ниска цена правят препоръчително да се използват не само като сензори за ролка, но и да се заменят с тях ъглови сензори, не само на стационарни, но и на движещи се обекти.

Капацитивни сензори за нивото на течността

Капацитивен предавател за измерване на нивото на непроводима течност се състои от два паралелно свързани кондензатора

Сензори за налягане

Един от основните проекти на капацитивен преобразувател на налягане е единичен статор, който се използва за измерване на абсолютно налягане (електрически сензори за налягане).

Такъв сензор се състои от метална клетка, разделена на две части чрез плътно опъната плоска метална диафрагма, от едната страна на която има неподвижен електрод, изолиран от тялото. Диафрагменият електрод образува променлив капацитет, който е включен в измервателната верига. Когато налягането е еднакво от двете страни на диафрагмата, преобразувателят е балансиран. Промяната на налягането в една от камерите деформира диафрагмата и променя капацитета, който се фиксира от измервателната верига.

При двустанционен (диференциален) дизайн диафрагмата се движи между две неподвижни плочи и към една от двете камери се подава референтно налягане, което осигурява директно измерване на диференциалното (излишно или диференциално) налягане с най-малката грешка.