Kapacitiva sensorer

En kapacitiv sensor kallas en givare av parametrisk typ där en förändring i uppmätt värde omvandlas till en förändring i kapacitans.

Kapacitiva sensorapplikationer

De möjliga tillämpningarna för kapacitiva sensorer är extremt olika. De används i industriell processreglering och kontrollsystem i nästan alla industrier. Kapacitiva sensorer används för att styra fyllningen av tankar med vätske-, pulver- eller granulära ämnen, såsom gränslägesbrytare på automatiserade linjer, transportörer, robotar, bearbetningscentra, metallskärmaskiner, i signalsystem, för positionering av olika mekanismer, etc.

För närvarande är de mest utbredda närhetssensorer (närvaro) som, förutom sin tillförlitlighet, också har en lång rad fördelar. Med en relativt låg kostnad täcker närhetssensorer ett brett spektrum av riktningar i sin tillämpning i alla branscher. Typiska användningsområden för kapacitiva sensorer av denna typ är:

• signalering för fyllning av plast- eller glasbehållare;

• kontroll av fyllnadsnivån för transparenta förpackningar;

• spolebrottslarm;

• justering av bältesspänning;

• delredovisning av något slag osv.

Kapacitiva linjär- och vinkelkodare är de vanligaste enheterna, som ofta används inom teknik och transport, konstruktion och energi, i olika mätkomplex.

Relativt nya enheter som har kommit till utbredd industriell användning de senaste åren har blivit små kapacitiva lutningsmätare med en elektrisk utsignal som är proportionell mot sensorns lutningsvinkel... Följande användningsområden för lutningsmätare kan betraktas som de viktigaste: användning i plattformsnivelleringssystem, bestämning av avvikelser och deformationer av olika typer av stöd och balkar, kontroll av lutningsvinklar för vägar och järnvägar under deras konstruktion, reparation och drift, bestämma rullningen av bilar, fartyg och undervattensrobotar, hissar och kranar, grävmaskiner, jordbruksmaskiner, bestämma vinkelförskjutningen av olika typer av roterande föremål - axlar, hjul, växellådsmekanismer på både stationära och rörliga föremål .

Kapacitiva nivåsensorer används i styrsystem, reglering och styrning av produktionsprocesser inom livsmedels-, läkemedels-, kemi- och oljeraffineringsindustrin. De är effektiva vid arbete med vätskor, bulkmaterial, suspensioner, trögflytande ämnen (ledande och icke-ledande), såväl som under förhållanden med kondens, dammighet.

Kapacitiva sensorer används också i olika industrier för att mäta absolut och övertryck, tjocklek på dielektriska material, luftfuktighet, töjning, vinkel- och linjäraccelerationer, etc.

Fördelar med kapacitiva sensorer framför andra typer av sensorer

Kapacitiva sensorer erbjuder ett antal fördelar jämfört med andra sensortyper. Deras fördelar inkluderar:

• enkel produktion, användning av billiga material för produktion; — liten storlek och vikt. — Låg energiförbrukning. - hög känslighet;

• brist på kontakter (i vissa fall — en strömsamlare);

• lång livslängd;

• behovet av mycket små krafter för att flytta den rörliga delen av den kapacitiva sensorn;

• enkel anpassning av sensorns form till olika uppgifter och design;

Nackdelar med kapacitiva sensorer

Nackdelar med kapacitiva sensorer inkluderar:

• relativt liten överföringskoefficient (omvandling);

• höga krav på skärmande delar;

• behovet av att arbeta med en högre (jämfört med 50 Hz) frekvens;

I de flesta fall kan dock tillräcklig avskärmning uppnås tack vare sensorkonstruktionen och praxis visar att kapacitiva sensorer ger bra resultat vid den ofta använda frekvensen 400 Hz. Inneboende kondensatorer kanteffekten blir signifikant endast när avståndet mellan plattorna är jämförbart med de linjära dimensionerna på de aktuella ytorna. Denna effekt kan elimineras till viss del med hjälp av en skyddsring, som gör det möjligt att flytta dess inflytande bortom gränserna för ytan på plattorna som faktiskt används för mätningar.

Kapacitiva sensorer är anmärkningsvärda för sin enkelhet, vilket möjliggör en robust och pålitlig design. Kondensatorns parametrar beror endast på de geometriska egenskaperna och beror inte på egenskaperna hos de använda materialen, om dessa material är korrekt valda. Därför kan effekten av temperatur på ytförändringar och plattavstånd vara försumbart liten genom att välja lämplig metallkvalitet för plattorna och isoleringen för deras infästning. Det återstår bara att skydda sensorn från de miljöfaktorer som kan försämra isoleringen mellan plattorna - från damm, korrosion, fukt, joniserande strålning.

De värdefulla egenskaperna hos kapacitiva sensorer - en liten mängd mekanisk kraft som krävs för att flytta dess rörliga del, förmågan att justera utsignalen från spårningssystemet och hög driftnoggrannhet - gör kapacitiva sensorer oumbärliga i enheter där fel på endast hundradelar och till och med tusendelars procent är tillåtna.

Typer av kapacitiva omvandlare och deras designegenskaper

Typiskt är en kapacitiv sensor en platt eller cylindrisk kondensator, vars ena plattor genomgår kontrollerad rörelse, vilket orsakar en förändring i kapacitansen. Om man försummar sluteffekter kan kapacitansen för en platt kondensator uttryckas på följande sätt:

där ε Den relativa dielektricitetskonstanten för mediet som är inneslutet mellan plattorna, C och e - arean av de övervägda plattorna och följaktligen avståndet mellan dem.

Kapacitiva givare kan användas för att mäta olika kvantiteter i tre riktningar, beroende på funktionsförhållandet för den uppmätta icke-elektriska storheten med följande parametrar:

• variabel dielektrisk konstant för mediet e;

• överlappande område av plattorna C;

• olika avstånd mellan plattorna e.

I det första fallet kan kapacitiva givare användas för att analysera ämnets sammansättning, eftersom dielektricitetskonstanten är en funktion av ämnets egenskaper. I detta fall kommer det naturliga ingångsvärdet för omvandlaren att vara sammansättningen av ämnet som fyller utrymmet mellan plattorna. Kapacitiva omvandlare av denna typ används särskilt ofta för att mäta fukthalten i fasta ämnen och vätskor, vätskenivån, såväl som för att bestämma de geometriska dimensionerna för små föremål. I de flesta fall av praktisk användning av kapacitiva givare är deras naturliga ingångsvärde den geometriska förskjutningen av elektroderna i förhållande till varandra Baserat på denna princip, linjära och vinkelförskjutningssensorer, anordningar för att mäta krafter, vibrationer, hastighet och acceleration, sensorer för närhets-, tryck- och töjningssensorer (extensometrar).

Klassificering av kapacitiv sensor

När det gäller implementering kan alla kapacitiva mätgivare delas upp i enkelkapacitiva och dubbelkapacitiva sensorer. De senare är differentiella och semidifferentiella.

En enkel kapacitanssensor är enkel i designen och är en enda variabel kondensator. Dess nackdelar inkluderar betydande påverkan av externa faktorer som fuktighet och temperatur.För att kompensera för dessa fel, tillämpa differentiella konstruktioner... Nackdelen med sådana sensorer jämfört med enkapacitans är behovet av minst tre (istället för två) skärmade anslutningstrådar mellan sensorn och mätanordningen för att undertrycka kallas parasitiska kapacitanser. Denna nackdel betalas emellertid av med en betydande ökning av noggrannhet, stabilitet och utvidgning av användningsområdet för sådana anordningar.

I vissa fall är en differentiell kapacitiv sensor svår att skapa på grund av designskäl (detta gäller särskilt för differentialsensorer med variabelt gap). Men om samtidigt en exemplifierande kondensator placeras i samma hölje med en fungerande och de är så identiska som möjligt i design, dimensioner och använda material, kommer en mycket lägre känslighet hos hela enheten för externa destabiliserande påverkan att vara säkerställd. I sådana fall kan vi tala om en semi-differentiell kapacitiv sensor, som, liksom den differentiella, hänvisar till en bi-kapacitiv.

Specificiteten hos utgångsparametern för tvåvolymssensorer, som representeras som ett dimensionslöst förhållande mellan tvådimensionella fysiska kvantiteter (i vårt fall kapacitanser), ger anledning att kalla dem förhållandesensorer. Vid användning av sensorer med dubbla kapacitanser kan det hända att mätinstrumentet inte innehåller några standardkapacitansmått alls, vilket bidrar till att öka mätnoggrannheten.

Linjärförskjutningsgivare

De icke-elektriska storheter som ska mätas och kontrolleras är många och varierande. En betydande del av dem är linjära och vinkelförskjutningar. Baserat på en kondensator som elektriskt fält två huvudtyper av kapacitiva förskjutningssensorer kan skapas enhetligt i arbetsgapet:

• med variabel elektrodarea;

• med ett variabelt mellanrum mellan elektroderna.

Det är ganska uppenbart att de förra är mer bekväma för att mäta stora förskjutningar (enheter, tiotals och hundratals millimeter), och de senare för att mäta små och ultrasmå förskjutningar (delar av en millimeter, mikrometer och mindre).

Vinkelkodare

Vinkelförskjutningskapacitiva givare liknar i princip linjärförskjutningskapacitiva givare, och sensorer med variabel area är också mer lämpliga vid inte alltför små mätområden (utgående från enheter av grader), och kapacitiva givare med variabel vinkel. kan framgångsrikt användas för att mäta små och ultrasmå vinkelförskjutningar. Vanligtvis används flersektionsgivare med variabel kondensatorplatta för vinkelförskjutningar.

I sådana sensorer är en av kondensatorelektroderna fäst vid objektets axel, och under rotation förskjuts den i förhållande till den stationära, vilket ändrar området för överlappning av kondensatorplattorna. Detta orsakar i sin tur en förändring i kapacitansen som fångas upp av mätkretsen.

Lutningsmätare

Lutningsmätaren (lutningssensorn) är en differentiell kapacitiv lutningsgivare som inkluderar ett kapselformat avkänningselement.

Kapacitiv inklinometer

Kapseln består av ett substrat med två platta elektroder 1, täckta med ett isolerande skikt, och en kropp 2, hermetiskt fäst vid substratet. Kroppens inre hålighet är delvis fylld med en ledande vätska 3, som är den vanliga elektroden för ett känsligt element.Den gemensamma elektroden bildar en differentialkondensator med de platta elektroderna. Sensorns utsignal är proportionell mot värdet på kapacitansen för differentialkondensatorn, som är linjärt beroende av husets position i vertikalplanet.

Lutningsmätaren är utformad för att ha ett linjärt beroende av utsignalen på lutningsvinkeln i det ena så kallade arbetsplanet och ändrar praktiskt taget inte avläsningarna i det andra (icke-fungerande) planet, medan dess signal är svagt beroende av temperaturen ändringar. För att bestämma planets position i rymden används två inklinometrar, placerade i en vinkel på 90 ° mot varandra.

Små lutningsmätare med en elektrisk utsignal proportionell mot sensorns lutningsvinkel är relativt nya enheter. Deras höga noggrannhet, miniatyrstorlek, avsaknad av rörliga mekaniska enheter, enkla installation på platsen och låga kostnader gör det tillrådligt att använda dem inte bara som rullsensorer, utan också att ersätta vinkelsensorer med dem, inte bara stationära utan också för att röra sig. föremål.

Kapacitiva vätskenivågivare

En kapacitiv sändare för att mäta nivån på en icke-ledande vätska består av två parallellkopplade kondensatorer

Trycksensorer

En av de grundläggande konstruktionerna av en kapacitiv tryckgivare är en enkel stator, som används för att mäta absolut tryck (elektriska trycksensorer).

En sådan sensor består av en metallcell delad i två delar av ett hårt sträckt platt metallmembran, på vars ena sida finns en fast elektrod isolerad från kroppen.Membranelektroden bildar en variabel kapacitans, som ingår i mätkretsen. När trycket är lika på båda sidor av membranet är givaren balanserad. En förändring i trycket i en av kamrarna deformerar membranet och ändrar kapacitansen, som är fixerad av mätkretsen.

I en tvåstations (differential) konstruktion rör sig membranet mellan två fasta plattor och ett referenstryck tillförs en av de två kamrarna, vilket ger en direkt mätning av differentialtrycket (över- eller differentialtrycket) med det minsta felet.