Capacitive sensor: alat dan prinsip operasi. sensor Capacitive: aplikasi

industri modern, dan aktivitas manusia manusia sehari-hari, juga, adalah mustahil untuk membayangkan tanpa segala macam perangkat elektronik. Mereka membantu kami dalam segala hal, dan beberapa operasi manufaktur untuk melakukan tidak berhasil tanpa mereka. Untuk orang-orang "pembantu" juga harus mencakup sensor kapasitif.

Disebut konverter dibuat oleh jenis parametrik. Pengukuran volume perangkat tersebut dilakukan melalui variasi kapasitansi ketika mengubah dari beberapa parameter penting. Sederhananya, perkiraan perubahan kapasitansi di bawah pengaruh beberapa faktor eksternal.

Prinsip operasi dari sensor kapasitif

Itulah yang sensor kapasitif. Prinsip operasi mereka tidak begitu sulit, tetapi untuk memahami itu Anda perlu tahu sesuatu. Untuk mulai dengan kita mengingat prinsip menentukan kapasitansi dari kapasitor. Tindakan ini dinyatakan dengan rumus berikut:

C = εεₒS / δ.

Ungkapan ini diketahui banyak dari kursus fisika sekolah, tetapi tidak ada salahnya untuk menyegarkan ingatan Anda dan ingat, yang berarti masing-masing variabel:

• S - luas pelat kapasitor.
• E - permitivitas relatif dari bahan dielektrik yang digunakan dalam desain kapasitor.
• εₒ - seperti dalam fisika untuk menunjukkan permitivitas ruang bebas.
• δ - sehingga dapat ditunjuk atau ketebalan pelat dielektrik, atau jarak antara beberapa lapisan material.

Dengan demikian, dari rumus di atas bahwa kapasitansi berubah dengan mudah. Cukuplah entah bagaimana bertindak pada daerah pelat bahan dielektrik, jarak antara pelat atau langsung dengan permeabilitas yang digunakan dalam pembuatan material. Dengan demikian, pemilihan nilai tertentu semata-mata tergantung pada daftar tugas yang para desainer perangkat telah ditetapkan.

Dengan demikian, kita bahkan bisa membuat sensor kapasitif dengan tangan Anda, sebagai titik konstruktif pandang itu - biasa datar atau silinder kapasitor, satu piring yang terus mengalami gerakan yang dikendalikan di ruang angkasa, yang mengarah ke perubahan kapasitansi. Harus diingat bahwa rumus di atas hanya berlaku jika Anda benar-benar mengabaikan efek tepi. Kami akan berbicara lebih banyak tentang ini di bagian akhir artikel ini.

Perlu diketahui bahwa peralatan elektronik tersebut digunakan secara luas untuk mengukur perpindahan sudut dan linier benda, menghitung ukuran, pekerjaan diterapkan, kelembaban, konsentrasi zat aktif dan karakteristik lainnya. Berkenaan dengan aspek struktural dari pertanyaan, kemudian berkata bal yang membuat pesawat-paralel, di perumahan silinder dengan elektroda pin, dengan lapisan bahan dielektrik, dan bahkan tanpa itu.

Berikut adalah cara untuk mengoperasikan sensor kapasitif. Prinsip operasi dari beberapa dari mereka perlu tahu secara detail. Pada artikel ini kami memberikan beberapa rumus yang dapat berguna bagi Anda.

Formula untuk menggambarkan prinsip operasi dari beberapa jenis sensor

tingkat sensor dengan kemungkinan variasi persegi piring dielektrik dapat cukup mudah dijelaskan dengan menggunakan persamaan berikut:

C = εεₒaH / δ.

Dengan "X" dalam hal ini mengacu pada panjang tumpang tindih elektroda yang digunakan. Dengan demikian, "a" menunjukkan lebar pelat kapasitor. Perlu dicatat bahwa perangkat tersebut telah diterapkan di berbagai bidang industri, di mana mereka digunakan untuk pengukuran yang akurat dari nilai-nilai sudut. kapasitas transduser dalam kasus seperti itu ditemukan oleh ekspresi berikut:

C = εεₒ (r₂- r₁) / 2δ * (φₒ-φ).

Dalam rangka untuk secara akurat mengukur sensitivitas, Anda harus menggunakan rumus yang sedikit berbeda:

K = εεₒ (r₂- r₁) / 2δ.

Mari kita lihat apa yang dimaksud dengan variabel-variabel yang merupakan bagian dari persamaan ini:

• r₁ - jari-jari dalam piring kondensor;
• r₂ - radius luar dari piring yang sama;
• φ - diukur pada nilai saat ini (sebenarnya) dari sudut tumpang tindih;
• φₒ - nilai awal dari sudut tumpang tindih.

Akhirnya, kami menjelaskan ekspresi matematika yang menggambarkan prinsip operasi dari pengukur kapasitif dengan celah udara disesuaikan:

C = εεₒS / (δₒ-X).

Bisa ditebak, clearance utama δₒ dipahami, huruf X adalah jumlah yang sama perpindahan dari piring. Perhatikan! Sejak karakteristik statis tidak ketat linear, biasanya sensor tingkat jenis yang digunakan untuk mengukur perpindahan yang sangat kecil, yang tidak akan melebihi 0,1δₒ kuantitas. Tentu, perangkat ini sangat dituntut dalam rekayasa presisi, di mana bahkan kesalahan kecil dapat menyebabkan masalah cukup serius.

Di mana mereka bisa digunakan?

Bidang aplikasi yang mungkin sangat beragam. Dengan demikian, di hampir semua industri dapat memenuhi operasi, yang dikendalikan oleh perangkat ini. Mereka digunakan untuk mengontrol pengisian berbagai tank, dan isinya bisa cair, gas atau partikulat (sensor gas).

Prevalensi kegiatan industri industri dan normal manusia adalah lebih tinggi, lebih dapat diandalkan dan lebih mudah untuk merancang perangkat tersebut. Dari kombinasi gejala-gejala ini, mereka begitu baik bahwa mereka dapat digunakan bahkan dalam kondisi yang sangat agresif memegang kapal tanker minyak.

Selanjutnya, sensor kapasitif dapat digunakan sebagai limit switch pada baris conveyor atau toko mesin manufaktur. Hal ini diperlukan dan untuk posisi yang paling akurat dari berbagai mekanisme.

sensor kedekatan

Tapi sekarang diminati sensor kedekatan, yang terbuat dari persis prinsip yang sama. Kisaran penggunaannya bahkan lebih luas. Hal ini disebabkan perangkat biaya sepeser yang dapat bekerja di hampir semua jenis industri. Namun, ada industri yang khas di mana jenis peralatan paling populer:

• Pengendalian wadah transparan berisi cairan yang terbuat dari plastik atau kaca.
• Sebuah fungsi yang sama dilakukan oleh mereka dalam pembuatan produk makanan (termasuk anak-anak), di mana produk jadi dikemas dalam wadah yang terbuat dari bahan transparan. Pada prinsip yang sama berdasarkan dan pekerjaan bale sebagai sensor bahan bakar kapasitif.
• Untuk memantau daerah berbahaya, di mana mungkin rusak berliku kawat.
• Mengontrol tempat-tempat yang sama di mana pembawa conveyor belt bisa rusak.
• Individual mengontrol jenis produk yang dihasilkan (konversi kaleng, botol, kemasan).

Tidak mengherankan, perangkat elektronik adalah yang paling umum dalam rekayasa presisi, pembangkit listrik dan industri lainnya berbagai sensor.

inclinometers

Perangkat yang telah menjadi lazim hanya dalam beberapa tahun yang relatif baru yang berukuran kecil inclinometer kapasitif menyediakan transmisi listrik sinyal output yang besarnya berbanding lurus dengan sensor sudut digunakan.

bidang utama yang paling umum dari penggunaan perangkat ini: platform sistem keselarasan, penentuan defleksi dan deformasi dari berbagai macam dukungan teknis balok, serta kontrol yang tepat dari jalan, rel penyimpangan pada tahap konstruksi mereka.

Selain itu, menggunakan perangkat tersebut menentukan gulungan truk berat dan kendaraan lainnya, lift dan excavator industri dan memastikan tingkat perpindahan sudut untuk mesin pertanian dan industri sangat besar.

kapasitif sangat penting tingkat bahan bakar sensor di industri minyak. Mereka digunakan bahkan dalam supertanker yang membawa dalam satu puluhan perjalanan dan ratusan ribu ton produk minyak sulingan. Alat ini sangat efektif bahkan dalam formasi yang sangat berlimpah kondensat dan tingkat tinggi area produksi debu (sensor gas yang sama).

Mereka menemukan penggunaannya dalam nilai-nilai pengukuran tingkat tekanan absolut dan relatif serta ketebalan bahan dielektrik, yang sangat penting dalam hampir semua industri di mana kapasitor yang benar-benar kuat digunakan.

Keuntungan utama dari sensor kapasitif

Perlu dicatat bahwa sensor kapasitif memiliki banyak keunggulan jika dibandingkan dengan perangkat sejenis yang terbentuk pada prinsip-prinsip yang agak berbeda. Mari kita daftar keuntungan utama dari kip ini:

• Dalam manufaktur, mereka sangat sederhana. Selain itu, bahan yang paling sederhana dan murah dapat digunakan dalam produksi mereka. Bahkan tingkat sensor bahan bakar kapasitif digunakan dalam industri perminyakan objek penting memiliki ukuran yang sangat sederhana memiliki tingkat terendah konsumsi energi listrik. Dengan semua karakteristik ini, mereka berbeda tingkat yang sangat baik dari sensitivitas, yang sering tak terjangkau untuk perangkat lebih mahal.
• Pada prinsipnya, itu bisa menjadi sensor kapasitif dengan tangan Anda, menggunakan sebagai basisnya lebih atau kurang handal dan berkualitas tinggi industri kapasitor.
• Kontak mereka memiliki (sangat jarang menggunakan arus kolektor), yang sangat bermanfaat untuk pekerjaan dalam kondisi debu tinggi dan kelembaban.
• kehidupan pelayanan yang sangat panjang, unit berulang kali berhasil "merebut kembali" biaya rendah. Dengan demikian, sensor kapasitif (harga dari yang di kisaran 1200-1700 rubel) adalah akuisisi sangat menguntungkan.
• Untuk memindahkan bagian bergerak dari perangkat yang diperlukan untuk membuat sangat sedikit usaha.
• Perangkat ini sangat mudah untuk menggabungkan dengan hampir semua kategori peralatan yang digunakan hanya dalam kegiatan industri.

aspek negatif

Sayangnya, setiap sensor kapasitif memiliki kelemahan tertentu, yang sampai batas tertentu menyulitkan meluasnya penggunaan jenis peralatan. Kami daftar mereka secara lebih rinci:

• Faktor konversi (yaitu, transmisi) relatif rendah.
• ukuran kecil dan kesederhanaan desain berkontribusi fakta bahwa dinominasikan tuntutan cukup tinggi pada kualitas perangkat skrining.
• Baik tingkat sensor kapasitif (dan instrumen pengukuran serupa lainnya) dapat beroperasi secara efektif hanya pada frekuensi yang lebih tinggi dari nilai standar 50 Hz.

Pemberitahuan penting

Namun, semua tidak begitu buruk. Banyak produsen mencari karakteristik perisai yang sangat baik dari sensor dengan membuat perubahan kecil dalam struktur mereka. Adapun frekuensi penggunaan, dalam praktiknya mereka menunjukkan hasil yang sangat baik nilai industri luas 400 Hz.

Kami telah berbicara tentang kesetiaan kepada rumus dasar hanya jika mengabaikan efek tepi. Tetapi berguna untuk mengetahui bahwa itu benar-benar dapat memiliki efek negatif hanya dalam hal bahwa jarak antara pelat dielectric sebanding dengan ukuran mereka sendiri. Selain itu, efek negatif dapat sebagian besar menetralisir hanya menggunakan cincin penjaga. Dalam hal ini, dampak dari efek perbatasan tidak dapat mentransfer baik di luar piring yang digunakan.

Sekali lagi, kami mencatat bahwa sensor tekanan yang sama ditandai dengan kesederhanaan yang luar biasa, yang memungkinkan Anda untuk membuat struktur mengagumkan yang stabil, tahan lama dan murah. Jika Anda memilih dimensi geometris yang tepat digunakan dielektrik digunakan dalam produksi seperti bahan kapasitor tidak bisa terlalu khawatir.

Dengan demikian, jika memilih up cap logam untuk pembuatan perumahan sensor, itu adalah fluktuasi suhu bahkan yang kuat praktis diabaikan yang dapat mengakibatkan perubahan kapasitansi dari perangkat dan pembacaan yang tidak memadai. Tentu saja, ini tidak meniadakan kebutuhan untuk melakukan sensor tekanan terisolasi menyeluruh dan indikator lain seperti faktor lingkungan yang agresif. Meskipun kesederhanaan mereka, kelembaban tinggi dan peningkatan kadar radiasi negatif dapat mempengaruhi keandalan perangkat.

klasifikasi sensor

Digunakan dalam proses industri untuk produksi mereka memungkinkan Anda untuk berbagi semua jenis sensor yang dihasilkan menjadi dua kelompok besar: odnoemkostnye dan dvuhemkostnye. Jenis terakhir ini dibagi menjadi diferensial dan poludifferentsialnye. Mari kita menganggap mereka secara lebih rinci.

perangkat Odnoemkostny. Dalam hal ini sensor rangkaian kapasitif sangat sederhana, karena bagian utama mereka adalah kapasitor yang paling umum dengan variabel kapasitansi. Sayangnya, bahkan kelembaban sedikit meningkat dan suhu terhadap keakuratan indikasi dampak yang sangat nyata. Karena itu, ada berbagai sensor sering kerusakan. Untuk menetralisir besarnya kesalahan tersebut, perlu untuk menggunakan struktur dibedakan.

sensor Dvuhemkostny. Sebenarnya, itu hanya struktur dibedakan tersebut. Hal ini sering mungkin untuk memenuhi tingkat sensor kapasitif diproduksi oleh skema tersebut. Perangkat ini disampaikan dari kelemahan utama dari model sebelumnya, namun memiliki kelemahan mereka sendiri. Kerugian yang paling signifikan adalah kebutuhan untuk menggunakan dua atau tiga kabel terlindung antara perangkat itu sendiri dan permukaan, karena hanya dengan cara ini dapat menekan disebut kapasitansi parasit.

Namun, skema yang cukup canggih dari sensor kapasitif dalam hal ini adalah mudah untuk mengabaikan, karena sebagai imbalannya Anda mendapatkan perangkat yang sangat akurat dan sensitif.

membangun sensor Kekhususan

Dalam banyak kasus (dari sudut pandang desain) penciptaan perangkat tersebut bermasalah. Hal ini terutama berlaku bila Anda ingin membuat sensor dengan tingkat variabel kapasitas. Namun, pengalaman menunjukkan bahwa banyak masalah yang diselesaikan hampir sepenuhnya kalibrasi yang akurat dan bahan kinerja tinggi yang digunakan dalam produksi. Paling sering kesulitan-kesulitan ini dihadapi oleh produsen dvuhemkostnyh sensor.

Secara umum, kekhususan dari jenis alat ukur adalah bahwa mereka dapat direpresentasikan sebagai rasio berdimensi dua kuantitas fisik (wadah) yang memiliki ekspresi fisik yang tepat dan makna. Sehingga mereka dapat dengan aman disebut "probe hubungan." Keuntungan dari perangkat ini (mereka besar plus!) Apakah bahwa mereka umumnya tidak dapat memiliki dalam desain beberapa langkah-langkah standar yang mendinginkan meningkatkan kehandalan dalam situasi dan kondisi yang benar-benar ekstrim.

Karakterisasi encoders linear

Semua nilai-nilai non-listrik, yang sering diperlukan untuk mengontrol di lingkungan industri, hal ini sangat beragam dan beragam. Sebuah bagian penting dari langkah-langkah yang tunduk pada kontrol yang ketat, membuat gerakan angular dan linear bahkan berbagai jenis permukaan dalam ruang. Jika Anda menggunakan kapasitor yang memiliki medan listrik benar-benar seragam dalam kesenjangan, itu tidak begitu sulit untuk membuat sensor elektronik dua dari jenis berikut:

• Di daerah mana elektroda adalah variabel.
• Mereka yang memiliki celah variabel antara elektroda.

Sangat mudah untuk memahami bahwa jenis pertama adalah yang paling cocok untuk memperbaiki gerakan yang sangat besar, sementara menggunakan berbagai kedua dapat melihat bahkan beberapa gerakan tubuh dalam ruang, nilai yang sama dengan hanya beberapa mikron!

Sensor untuk menentukan perpindahan sudut

Secara umum, dengan desain dan tujuan, mereka hampir sepenuhnya identik dengan tipe kontak sebelumnya. Kesamaan diwujudkan dalam kenyataan bahwa sensor elektroda dari daerah variabel juga harus digunakan untuk dimensi yang lebih besar dan dengan jarak variabel antara elektroda sendiri - kecil. Biasanya, perangkat tersebut dibuat multi-sectional, dengan kemungkinan mengubah luas pelat kapasitor.

Untuk mencapai hal ini, elektroda pertama tetap pada poros bergerak dalam rotasi yang mengubah posisi relatif terhadap daerah perubahan kedua yang menyediakan tumpang tindih pelat dielektrik dalam kapasitor. Tentu, ketika mencatat perubahan kapasitansi.

temuan

Jadi kita membahas karakteristik dasar tingkat instrumen, belajar tentang daerah mereka dari aplikasi, tentang fitur desain, prinsip tindakan dan kemungkinan solusi teknis. Seperti yang dapat Anda memahami dari artikel, prevalensi sensor kapasitif dan popularitas yang sangat tinggi mereka didasarkan pada harga yang sangat menarik dari perangkat tersebut dan umur panjang bahkan di bawah kondisi lingkungan yang sulit.

Semua ini dimungkinkan berkat fakta bahwa, dari sudut pandang yang konstruktif pandang, semua meter ini hanya kapasitor standar, yang ditandai dengan cara yang agak tidak biasa dari aplikasi mereka. Namun, Anda dapat dan menemukan sendiri, sekali lagi melihat rumus matematika yang secara luas mencerminkan prinsip-prinsip kip kerja.