Kapasitiv sensor: enheten og operasjonsprinsippet. Kapasitive sensorer: applikasjon

Moderne industri, og hverdagslige menneskelige menneskelige aktiviteter også, er det umulig å forestille seg uten alle slags elektroniske enheter. De hjelper oss på alle måter, og noen produksjon operasjoner for å utføre ikke lykkes uten dem. Til de "hjelpere" bør også inkludere en kapasitiv sensor.

Såkalte omformere laget av parametrisk type. Måling av et volum slike anordninger utføres gjennom variasjoner av kapasitansen ved endring av noen viktige parametere. Enkelt sagt, til den estimerte endring i kapasitans under påvirkning av noen eksterne faktorer.

Driftsprinsippet til den kapasitive sensoren

Det er hva de kapasitive sensorer. Prinsippet om drift de er ikke så vanskelig, men å forstå det du trenger å vite noe. Til å begynne med vi husker prinsippet med å bestemme kapasitansen til kondensatoren. Denne virkning er uttrykt ved følgende formel:

C = εεₒS / δ.

Dette uttrykket er kjent for mange fra skolen fysikk selvfølgelig, men det ville ikke skade å friske opp hukommelsen og husker, noe som betyr at hver av variablene:

• S - område av kondensatorplatene.
• E - relative permittiviteten til det dielektriske materialet som brukes i kondensatoren design.
• εₒ - som i fysikk for å betegne permittiviteten ledig plass.
• δ - slik at det kan bli utpekt eller tykkelsen av den dielektriske platen, eller avstanden mellom de forskjellige lag av materiale.

Således, fra den ovennevnte formelen som kapasitansen endres lett. Det er nok en eller annen måte virker på det området av platen av dielektrisk materiale, en avstand mellom platene, eller direkte med permeabilitet som brukes i fremstillingen av materialet. Følgelig, valg av spesiell verdi avhenger utelukkende på listen over oppgaver som enheten designere har satt.

Dermed kan vi også lage en kapasitiv sensor med hendene, som et konstruktivt synspunkt er det - vanlig flat eller sylindrisk kondensator, en plate av hvilke er kontinuerlig opplever en kontrollert bevegelse i rommet, noe som fører til en endring i kapasitans. Man må huske på at formelen ovenfor gjelder bare dersom du er helt neglisjere kanteffekter. Vi skal snakke mer om dette i den siste delen av denne artikkelen.

Det bør være kjent at slike elektroniske apparater er i utstrakt bruk for å måle de vinkelmessige og lineære bevegelser av objektene, å beregne størrelsen, anvendt arbeid, fuktighet, konsentrasjon av aktiv substans og andre egenskaper. Med hensyn til de strukturelle aspekter ved spørsmålet, da nevnte baller presses planparallelle, i sylindriske hus med pinneelektroder, med en foring av et dielektrisk materiale, og selv uten den.

Her er hvordan du bruker kapasitive sensorer. Prinsippet om drift av noen av dem trenger å vite i stor detalj. I denne artikkelen gir vi noen formler som kan være nyttig for deg.

Formel for å beskrive prinsippet for drift av visse typer sensorer

Nivåsensor med mulig variasjon av den firkantede dielektriske plater kan være forholdsvis lett beskrives ved hjelp av følgende ligning:

C = εεₒaH / δ.

Ved "X" i dette tilfellet refererer til lengden av overlappingen av elektrodene som brukes. Følgelig, "a" betegner bredden av platene i kondensatoren. Det bør bemerkes at slike anordninger er blitt anvendt i forskjellige områder av industrien, hvor de blir brukt for nøyaktig måling av vinkelverdier. kapasitet av transduseren i et slikt tilfelle blir funnet ved hjelp av følgende uttrykk:

C = εεₒ (r₂- r ^) / 2δ * (φₒ-φ).

For nøyaktig å måle følsomheten, bør man bruke en litt annen formel:

K = εεₒ (r₂- r ^) / 2δ.

La oss se hva som menes med disse variablene som inngår i disse ligningene:

• r ^ - indre radius av varmeveksleplatene;
• r₂ - ytre radius av den samme plate;
• φ - målt i øyeblikket (faktisk) verdi av overlappvinkelen;
• φₒ - den opprinnelige verdien av overlappvinkelen.

Til slutt, vi forklare det matematiske uttrykk som beskriver driftsprinsippet for den kapasitive målere med regulerbar luftspalte:

C = εεₒS / (δₒ-X).

Forutsigbart, en primær klaring δₒ forstått, bokstaven X er den samme mengden av forskyvning av platen. Vær oppmerksom! Siden statiske egenskaper er ikke strengt lineært, vanligvis nivåføler av den type som brukes til å måle meget små forskyvninger, som ikke vil overstige den mengde 0,1δₒ. Naturligvis er disse enhetene svært etterspurt i presisjon engineering, hvor selv små feil kan føre til ganske alvorlige problemer.

Hvor kan de brukes?

Områder i mulig anvendelse er svært mangfoldig. Således, i praktisk talt alle bransjer kan møte den operasjon, som kontrolleres av disse enhetene. De brukes for å styre fyllingen av de forskjellige tankene, og deres innhold kan være væske, gass eller partikler (gass-sensor).

Forekomsten av industrielle og normal human industriell aktivitet er høyere, mer pålitelig og lettere å utforme slike enheter. Fra en kombinasjon av disse symptomene, de er så gode at de kan brukes selv i ekstremt aggressive forhold holder oljetankere.

Videre kan den kapasitive sensoren brukes som en grensebryter på transportbåndet eller maskinens produksjon butikk. Det er nødvendig og for en mest mulig nøyaktig posisjonering av forskjellige mekanismer.

avstandssensorer

Men nå i stor etterspørsel nærhetssensorer, som er laget av nøyaktig samme prinsipp. Utvalget av bruken er enda større. Dette er på grunn av penny kostnader enheter som kan arbeide i nesten alle typer industri. Men det er typisk bransje der denne type utstyr er de mest populære:

• Kontroll av væskefylte transparente beholdere laget av plast eller glass.
• En lignende funksjon utføres av dem ved fremstilling av næringsmidler (inkludert barn), hvor det ferdige produktet er pakket i beholdere som er fremstilt av gjennomsiktig materiale. På samme prinsipp basert og arbeidet av ballen som en kapasitiv drivstoff sensor.
• For overvåking eksplosjonsfarlige områder, der det er mulig brutt vikletråd.
• Styr lignende steder hvor bæretransportbåndet kan skades.
• Individuelt kontrollere typen produkter fremstilt (omdannelse av bokser, flasker, emballasje).

Ikke overraskende, disse elektroniske enheter som er mest vanlig i presisjon engineering, kraftproduksjon og mange andre næringer rekke sensorer.

inclinometers

Enheter som er blitt utbredt bare i forholdsvis senere år er av liten størrelse kapasitiv inklinometer som gir elektrisk sendeutgangssignal hvis størrelse er direkte proporsjonal med vinkelsensoren.

Den vanligste større anvendelsesområde av disse enheter: plattform innrettingssystemet, bestemmelse av nedbøyning og deformering av ulike typer av teknisk støttebjelker, samt presis kontroll av veien, jernbanespor avvik på scenen i sin konstruksjon.

Dessuten, ved anvendelse av slike anordninger bestemme rulle av tunge lastebiler og andre kjøretøyer, heiser og industri gravemaskiner og fastslå graden av vinkelforskyvningen for landbruks- og industrimaskiner spesielt store.

Svært viktig kapasitive sensorer drivstoffnivå i oljeindustrien. De brukes også i de supertankere som frakter i en tur titalls og hundrevis av tusenvis av tonn med raffinerte oljeprodukter. Disse anordninger er meget effektive selv i meget rikelig dannelse av kondensat og en høy grad av støv produksjonsområde (den samme gass-sensor).

De finner deres bruk i måleverdiene av de absolutte og relative trykknivåer samt tykkelsen på det dielektriske materialet, noe som er svært viktig i nesten alle bransjer der virkelig kraftige kondensatorer er brukt.

De viktigste fordelene med kapasitive givere

Det bør bemerkes at den kapasitive sensoren har mange fordeler sammenlignet med lignende enheter som er dannet av til dels ulike prinsipper. La oss liste opp de viktigste fordelene med disse kip:

• I industrien, de er svært enkel. I tillegg kan de mest enkle og billige materialer brukes i sin produksjon. Selv kapasitive drivstoffnivå sensorer som brukes i petroleumsvirksomhet viktige objekter har ekstremt beskjedne størrelse har lavest mulig nivå av forbruk av elektrisk energi. Med alle disse egenskaper, skiller de seg utmerket nivå av følsomhet, som ofte er uoppnåelig for de mer kostbare anordninger.
• I prinsippet kan det være en kapasitiv sensor med hendene, ved anvendelse som basis noe mer eller mindre pålitelig og høy kvalitet industriell kondensator.
• Kontaktene de har (meget sjelden brukt en strømsamler), som er ekstremt gunstig for arbeide under forhold med høy støv og fuktighet.
• ekstremt lang levetid, enheten gjentatte ganger klarer å "gjenerobre" deres lave kostnader. Følgelig er den kapasitive sensoren (prisen som er i området 1200-1700 rubler) er svært lønnsomt anskaffelse.
• For å bevege den bevegelige del av innretningen er nødvendig å foreta overraskende liten innsats.
• Enheten er svært lett å kombinere med nesten alle kategorier av utstyr som brukes bare i industriell virksomhet.

negative aspekter

Dessverre har hver kapasitiv sensor visse ulemper, noe som til en viss grad vanskeliggjør utstrakt bruk av denne type utstyr. Vi lister dem i mer detalj:

• omregningsfaktor (dvs. overføring) er forholdsvis lav.
• Liten størrelse og enkelhet av design bidrar til at nominert ganske høye krav til kvaliteten på screening enheter.
• God kapasitiv nivåføler (og andre lignende måleinstrumenter) kan operere effektivt bare ved en frekvens som er mye høyere enn den standard verdi på 50 Hz.

viktige merknader

Men alle er ikke så ille. Mange produsenter søker gode skjerming karakteristikker av sensorene ved å gjøre mindre endringer i strukturen. Som for bruksfrekvens, i praksis de viser gode resultater i utstrakt industriell verdi på 400 Hz.

Vi har allerede snakket om lojalitet til den grunnleggende formelen hvis ignorerer kanteffekten. Men det er nyttig å vite at det virkelig kan ha en negativ effekt bare i tilfelle at avstanden mellom de dielektriske plater kan sammenlignes med sin egen størrelse. Dessuten kan den negative effekten i stor grad nøytralisere bare å bruke vakt ring. I dette tilfellet, kan virkningen av grensen effekter ikke overføre langt utover de brukte platene.

Nok en gang ser vi at de samme trykksensorer er preget av en bemerkelsesverdig enkelhet, som lar deg lage en vidunderlig stabile, holdbare og lav kostnadsstruktur. Hvis du velger de riktige geometriske dimensjonene som brukes dielectric brukes i produksjonen av en slik kondensator materialer kan ikke spesielt bekymret.

Således er riktig å ta opp metallstempel for fremstilling av sensorhuset, er det praktisk talt neglisjerbare selv sterke temperatursvingninger som kan resultere i en endring i kapasitans for enheten og dens utilstrekkelige målinger. Naturligvis betyr dette ikke fjerne behovet for å utføre en grundig isolert trykksensorer og andre slike indikatorer for aggressive miljøfaktorer. Til tross for sin enkelhet, kan høy luftfuktighet og høye nivåer av stråling negativt påvirke påliteligheten for anordningen.

klassifisering av sensorer

Brukes i industrielle prosesser for deres produksjon gjør at du kan dele alle typer sensorer som produseres i to store grupper: odnoemkostnye og dvuhemkostnye. Den sistnevnte typen er oppdelt i differensial og poludifferentsialnye. La oss vurdere dem nærmere.

Odnoemkostny enhet. I dette tilfellet er den kapasitive følerkretsen ytterst enkel, idet deres hoveddelen er det mest vanlige kondensator med variabel kapasitans. Dessverre, til og med en liten økning i fuktighet og temperatur har på nøyaktigheten av indikasjoner meget konkret innvirkning. På grunn av dette, er det ulike sensorer ofte feil. For å nøytralisere omfanget av slike feil, er det nødvendig å bruke differensiert struktur.

Dvuhemkostny sensor. Egentlig er det bare en slik differensiert struktur. Det er ofte mulig å dekke den kapasitive nivåføler er fremstilt ved en slik ordning. Disse enhetene er levert fra de største ulempene med den forrige modellen, men har sine egne svakheter. Den mest betydningsfulle ulempe er behovet for å bruke to eller tre skjermede ledninger mellom selve utstyret og overflaten, fordi bare på denne måte kan undertrykke den såkalte parasittisk kapasitans.

Men en ganske sofistikert ordningen med kapasitive sensorer i dette tilfellet er det lett å overse, fordi gjengjeld får du en svært nøyaktig og følsom enhet.

konstruere sensorer Spesifisitet

I mange tilfeller (fra design synspunkt) er dannelsen av slike enheter problematisk. Dette gjelder spesielt når du ønsker å lage en sensor med varierende grad av kapasitet. Erfaring viser imidlertid at mange av de problemer er løst nesten helt nøyaktig kalibrering og gode materialer som brukes i produksjonen. Oftest disse vanskelighetene av produsentene dvuhemkostnyh sensorer.

Generelt spesifisiteten av denne type av måleinnretninger er at de kan representeres som et dimensjonsløst forhold mellom to fysiske størrelser (containere) som har en nøyaktig fysisk uttrykk og mening. Slik at de kan trygt kalles "probes forholdet." Fordelen med disse enhetene (dem stort pluss!) Er at de vanligvis ikke kan ha i sin design noen standard tiltak som kjøler øker påliteligheten i virkelig ekstreme situasjoner og forhold.

Karakterisering av lineære kodere

Alle ikke-elektriske verdier, som ofte er nødvendig for å kontrollere i et industrielt miljø, er det svært variert og mangeartet. En vesentlig del av de tiltak som er gjenstand for streng kontroll, må vinkel og lineære bevegelser til og med ulike typer overflater i rommet. Hvis du bruker en kondensator som har absolutt ensartet elektrisk felt i gapet, er det ikke så vanskelig å lage elektroniske sensorer to av følgende typer:

• I hvilket område av elektrodene er variabel.
• De som har et variabelt gap mellom elektrodene.

Det er lett å forstå at den første typen er mest egnet for å feste de virkelig store bevegelsen, mens du bruker den andre rekke kan bli lagt merke til og med noen kroppsbevegelse i rommet, hvis verdi er lik bare noen få mikrometer!

Sensorer for å bestemme den vinkelforskyvning

Generelt, ved utforming og formål, de nesten fullstendig identisk med den foregående kontakttypen. Likheten er manifestert i det faktum at sensorene er elektrodene i et variabelt område bør også benyttes for større dimensjoner, og med en variabel avstand mellom elektrodene selv - små. Vanligvis er slike enheter laget flerseksjons, med muligheten for å endre arealet av kondensatorplatene.

For å oppnå dette, en første elektrode som er festet til den bevegelige aksel i rotasjon hvor det forandrer sin stilling i forhold til den andre endringen område som gir overlappingen av de dielektriske platene i kondensatoren. Naturligvis, når det registreres en endring i kapasitans.

funn

Så vi diskuterte de grunnleggende egenskapene til nivået av instrumentet, lært om deres bruksområder, om design funksjoner, prinsippet om handlingen og mulige tekniske løsninger. Som du kan forstå fra artikkelen, er utbredelsen av kapasitive sensorer og deres ekstremt høy popularitet basert på svært attraktiv pris for slike enheter og lang levetid selv under vanskelige miljøforhold.

Alt dette er mulig takket være det faktum at fra et konstruktivt synspunkt, alle disse meter er bare vanlige kondensatorer, som er preget av en noe uvanlig måte for sin søknad. Men du kan og finne ut selv, nok en gang å se på matematiske formler som grovt gjenspeiler prinsippene kip arbeid.