Senzori capacitivi

Un senzor capacitiv se numește traductor de tip parametric în care o modificare a valorii măsurate este convertită într-o modificare a capacității.

Aplicații cu senzori capacitivi

Aplicațiile posibile pentru senzorii capacitivi sunt extrem de diverse. Ele sunt utilizate în sistemele de reglare și control al proceselor industriale în aproape toate industriile. Senzorii capacitivi sunt utilizați pentru controlul umplerii rezervoarelor cu substanțe lichide, pulverulente sau granulare, precum întrerupătoarele de limitare pe linii automate, transportoare, roboți, centre de prelucrare, mașini de tăiat metal, în sisteme de semnalizare, pentru poziționarea diverselor mecanisme etc.

În prezent, cei mai răspândiți sunt senzorii de proximitate (prezență), care, pe lângă fiabilitatea lor, au și o gamă largă de avantaje. Cu un cost relativ scăzut, senzorii de proximitate acoperă o gamă largă de direcționalități în aplicarea lor în toate industriile. Domeniile tipice de utilizare pentru senzorii capacitivi de acest tip sunt:

• semnalizare pentru umplerea recipientelor din plastic sau sticlă;

• controlul nivelului de umplere al pachetelor transparente;

• alarma de rupere a bobinei;

• reglarea tensiunii curelei;

• cont parțial de orice fel etc.

Codificatoarele capacitive liniare și unghiulare sunt cele mai comune dispozitive, utilizate pe scară largă în inginerie și transport, construcții și energie, în diverse complexe de măsurare.

Dispozitivele relativ noi care au intrat în uz industrial pe scară largă în ultimii ani au devenit inclinometre capacitive de dimensiuni mici, cu un semnal electric de ieșire proporțional cu unghiul de înclinare al senzorului... Următoarele domenii de aplicare a inclinometrelor pot fi considerate principale: utilizarea în sistemele de nivelare a platformelor, determinarea abaterilor și deformațiilor diferitelor tipuri de suporturi și grinzi, controlul unghiurilor de înclinare ale drumurilor și căilor ferate în timpul construcției, reparației și exploatării acestora, determinarea ruloului mașinilor, navelor și roboților subacvatici, palanelor și macaralelor, excavatoarelor, mașinilor agricole, determinarea deplasării unghiulare a diferitelor tipuri de obiecte rotative - arbori, roți, mecanisme de cutie de viteze atât pe obiecte staționare, cât și în mișcare.

Senzorii capacitivi de nivel sunt utilizați în sistemele de control, reglare și management al proceselor de producție din industria alimentară, farmaceutică, chimică, de rafinare a petrolului. Sunt eficiente atunci când se lucrează cu lichide, materiale în vrac, suspensii, substanțe vâscoase (conductoare și neconductoare), precum și în condiții de condensare, praf.

Senzorii capacitivi sunt utilizați și în diverse industrii pentru a măsura presiunea absolută și manometrică, grosimea materialelor dielectrice, umiditatea aerului, deformarea, accelerațiile unghiulare și liniare etc.

Avantajele senzorilor capacitivi față de alte tipuri de senzori

Senzorii capacitivi oferă o serie de avantaje față de alte tipuri de senzori. Avantajele lor includ:

• ușurință în producție, utilizarea materialelor ieftine pentru producție; - dimensiuni și greutate reduse; — consum redus de energie; - sensibilitate crescută;

• lipsa contactelor (în unele cazuri — un colector de curent);

• durată lungă de viață;

• necesitatea unor forțe foarte mici pentru a deplasa partea în mișcare a senzorului capacitiv;

• ușurința de a adapta forma senzorului la diferite sarcini și design;

Dezavantajele senzorilor capacitivi

Dezavantajele senzorilor capacitivi includ:

• coeficient de transfer (conversie) relativ mic;

• cerințe ridicate pentru piese de ecranare;

• necesitatea de a lucra la o frecvență mai mare (comparativ cu 50 Hz);

În majoritatea cazurilor, totuși, se poate obține o ecranare suficientă datorită designului senzorului, iar practica arată că senzorii capacitivi dau rezultate bune la frecvența utilizată pe scară largă de 400 Hz. Inerent condensatoare efectul de margine devine semnificativ numai atunci când distanța dintre plăci este comparabilă cu dimensiunile liniare ale suprafețelor luate în considerare. Acest efect poate fi eliminat într-o oarecare măsură prin intermediul unui inel de protecție, care face posibilă deplasarea influenței sale dincolo de limitele suprafeței plăcilor utilizate efectiv pentru măsurători.

Senzorii capacitivi sunt remarcabili prin simplitatea lor, ceea ce permite un design robust și fiabil. Parametrii condensatorului depind doar de caracteristicile geometrice și nu depind de proprietățile materialelor utilizate, dacă aceste materiale sunt selectate corect. Prin urmare, efectul temperaturii asupra modificărilor suprafeței și a distanței dintre plăci poate fi neglijabil de mic prin alegerea clasei adecvate de metal pentru plăci și a izolației pentru atașarea acestora. Rămâne doar să protejăm senzorul de acei factori de mediu care pot deteriora izolația dintre plăci - de praf, coroziune, umiditate, radiații ionizante.

Calitățile valoroase ale senzorilor capacitivi - o cantitate mică de forță mecanică necesară pentru a deplasa partea sa mobilă, capacitatea de a regla ieșirea sistemului de urmărire și precizia ridicată a funcționării - fac senzorii capacitivi indispensabili în dispozitivele în care erori de numai sutimi și chiar sunt permise miimi la sută.

Tipuri de convertoare capacitive și caracteristicile lor de proiectare

În mod obișnuit, un senzor capacitiv este un condensator plat sau cilindric, una dintre ale cărui plăci suferă o mișcare controlată, provocând o modificare a capacității. Neglijând efectele finale, capacitatea pentru un condensator plat poate fi exprimată după cum urmează:

unde ε Constanta dielectrică relativă a mediului închis între plăci, C și e - aria plăcilor considerate și, în consecință, distanța dintre ele.

Traductoarele capacitive pot fi utilizate pentru a măsura diferite mărimi în trei direcții, în funcție de relația funcțională a mărimii neelectrice măsurate cu următorii parametri:

• constanta dielectrică variabilă a mediului ε;

• zona de suprapunere a plăcilor C;

• distanță diferită între plăci e.

În primul caz, traductoarele capacitive pot fi utilizate pentru a analiza compoziția substanței, deoarece constanta dielectrică este o funcție de proprietățile substanței. În acest caz, valoarea naturală de intrare a convertorului va fi compoziția substanței care umple spațiul dintre plăci. Traductoarele capacitive de acest tip sunt utilizate pe scară largă în măsurarea conținutului de umiditate al solidelor și lichidelor, a nivelului lichidului, precum și în determinarea dimensiunilor geometrice ale obiectelor mici. În majoritatea cazurilor de utilizare practică a traductoarelor capacitive, valoarea lor naturală de intrare este deplasarea geometrică a electrozilor unul față de celălalt.Pe acest principiu, senzori de deplasare liniară și unghiulară, dispozitive pentru măsurarea forțelor, vibrațiilor, vitezei și accelerației, senzori pt. senzori de proximitate, presiune și deformare (extenzometre).

Clasificarea senzorului capacitiv

În ceea ce privește implementarea, toate traductoarele capacitive de măsurare pot fi împărțite în senzori uni capacitivi și dublu capacitivi. Acestea din urmă sunt diferențiale și semi-diferențiale.

Un singur senzor de capacitate are un design simplu și este un singur condensator variabil. Dezavantajele sale includ influența semnificativă a factorilor externi, cum ar fi umiditatea și temperatura.Pentru a compensa aceste erori, aplicați modele diferențiale... Dezavantajul unor astfel de senzori în comparație cu cei cu o singură capacitate este necesitatea a cel puțin trei (în loc de două) fire de conectare ecranate între senzor și dispozitivul de măsurare pentru a suprima so- numite capacități parazitare. Cu toate acestea, acest dezavantaj este compensat cu o creștere semnificativă a preciziei, stabilității și extinderii domeniului de aplicare a unor astfel de dispozitive.

În unele cazuri, un senzor capacitiv diferențial este dificil de creat din motive de proiectare (acest lucru este valabil mai ales pentru senzorii diferențiali cu decalaj variabil). Cu toate acestea, dacă în același timp un condensator exemplar este plasat în aceeași carcasă cu unul funcțional și sunt cât mai identici posibil în design, dimensiuni și materiale utilizate, atunci va fi o sensibilitate mult mai mică a întregului dispozitiv la influențele destabilizatoare externe. asigurat . În astfel de cazuri, putem vorbi despre un senzor capacitiv semidiferențial, care, ca și cel diferenţial, se referă la unul bicapacitiv.

Specificul parametrului de ieșire al senzorilor cu două volume, care este reprezentat ca un raport adimensional al mărimilor fizice bidimensionale (în cazul nostru, capacități), dă motive să le numim senzori de raport. Atunci când utilizați senzori de capacitate duală, este posibil ca dispozitivul de măsurare să nu conțină deloc măsurători de capacitate standard, ceea ce contribuie la creșterea preciziei măsurării.

Encodere cu deplasare liniară

Mărimile neelectrice care trebuie măsurate și controlate sunt multe și variate. O parte semnificativă dintre ele sunt deplasări liniare și unghiulare. Bazat pe un condensator care câmp electric două tipuri principale de senzori capacitivi de deplasare pot fi creați uniform în spațiul de lucru:

• cu zonă variabilă a electrodului;

• cu un decalaj variabil între electrozi.

Este destul de evident că primele sunt mai convenabile pentru măsurarea deplasărilor mari (unități, zeci și sute de milimetri), iar cele din urmă pentru măsurarea deplasărilor mici și ultra-mici (părți de milimetru, micrometri și mai puțin).

Encodere unghiulare

Traductoarele capacitive cu deplasare unghiulară sunt, în principiu, similare cu traductoarele capacitive cu deplasare liniară, iar senzorii cu zonă variabilă sunt, de asemenea, mai adecvați în cazul unor domenii de măsurare nu prea mici (începând de la unități de grade) și al senzorilor capacitivi cu decalaj unghi variabil. poate fi folosit cu succes pentru a măsura deplasări unghiulare mici și ultra-mici. În mod obișnuit, traductoarele cu mai multe secțiuni cu suprafață variabilă a plăcii de condensator sunt utilizate pentru deplasări unghiulare.

În astfel de senzori, unul dintre electrozii condensatorului este atașat la arborele obiectului, iar în timpul rotației este deplasat față de cel staționar, schimbând zona de suprapunere a plăcilor condensatorului. Aceasta, la rândul său, provoacă o modificare a capacității care este captată de circuitul de măsurare.

Inclinometre

Inclinometrul (senzorul de înclinare) este un traductor de înclinare capacitiv diferențial care include un element de detectare în formă de capsulă.

Inclinometru capacitiv

Capsula este formată dintr-un substrat cu doi electrozi plati 1, acoperiți cu un strat izolator, și un corp 2, fixat ermetic de substrat. Cavitatea internă a corpului este parțial umplută cu un lichid conductor 3, care este electrodul comun al un element sensibil.Electrodul comun formează un condensator diferențial cu electrozii plati. Semnalul de ieșire al senzorului este proporțional cu valoarea capacității condensatorului diferențial, care depinde liniar de poziția carcasei în plan vertical.

Inclinometrul este proiectat să aibă o dependență liniară a semnalului de ieșire de unghiul de înclinare într-un așa-numit plan de lucru și practic nu modifică citirile în celălalt plan (nefuncțional), în timp ce semnalul său este slab dependent de temperatură. schimbări. Pentru a determina poziția planului în spațiu, se folosesc două inclinometre, situate la un unghi de 90 ° unul față de celălalt.

Inclinometrele de dimensiuni mici cu un semnal electric de ieșire proporțional cu unghiul de înclinare al senzorului sunt dispozitive relativ noi. Precizia lor mare, dimensiunea miniaturală, lipsa unităților mecanice mobile, ușurința de instalare pe șantier și costul redus fac recomandabil să le folosiți nu numai ca senzori de rulare, ci și să înlocuiți senzorii de unghi cu ei, nu numai staționari, ci și de mișcare. obiecte.

Senzori capacitivi de nivel de lichid

Un transmițător capacitiv pentru măsurarea nivelului unui lichid neconductor este format din doi condensatori conectați în paralel

Senzori de presiune

Unul dintre modelele de bază ale unui traductor de presiune capacitiv este un singur stator, care este folosit pentru a măsura presiunea absolută (senzori electrici de presiune).

Un astfel de senzor constă dintr-o celulă metalică împărțită în două părți de o diafragmă metalică plată strâns întinsă, pe o parte a căreia se află un electrod fix izolat de corp.Electrodul cu diafragmă formează o capacitate variabilă, care este inclusă în circuitul de măsurare. Când presiunea este egală pe ambele părți ale diafragmei, traductorul este echilibrat. O modificare a presiunii într-una dintre camere deformează diafragma și modifică capacitatea, care este fixată de circuitul de măsurare.

Într-un proiect cu două stații (diferențial), diafragma se mișcă între două plăci fixe și o presiune de referință este furnizată uneia dintre cele două camere, ceea ce oferă o măsurare directă a presiunii diferenţiale (exces sau diferențial) cu cea mai mică eroare.