Капацитивен датчик: устройството и принципа на работа. Капацитивни сензори: приложение

Модерната индустрия и човешкото човешко действие също не могат да се представят без никакви електронни устройства. Те ни помагат във всичко и някои технологични операции без тях няма да бъдат възможни изобщо. Към тези "помощници" трябва да се припише и капацитивен датчик.

Това се нарича "преобразуватели", произведени според параметричния тип. Измерването на определен обем от такива устройства се извършва поради колебания в капацитивното съпротивление, когато се променят някои важни параметри. Просто казано, промяната се оценява Кондензационен капацитет под влияние на някои външни фактори.

Принцип на работа на капацитивния датчик

Това са капацитивните сензори. Принципът на тяхната работа не е толкова сложен, но за да го разбереш, трябва да знаеш нещо. Първо, нека си припомним принципа за определяне на капацитета на кондензатор. Това действие се изразява чрез следната формула:

С = epsilon-epsilon-SS / delta-.

Този израз е известен на мнозина от учебния курс по физика, но няма да навреди да опресняваме паметта и да си спомним какво означава всяка от променливите:

• S е площта на кондензаторната плоча.
• Epsilon- е относителната пропускливост на диелектричния материал, използван при конструирането на кондензатора.
• epsilon-ₒ - така че във физиката е обичайно да се обозначава диелектричната константа на вакуума.
• делта - това може да бъде или дебелината на диелектричната пластина, или разстоянието между няколко слоя на материала.

По този начин от горната формула следва, че е лесно да се промени капацитета на кондензатор. Достатъчно е да се действа по някакъв начин върху областта на плочата на диелектричния материал, разстоянието между плочите или директно върху пропускливостта на материала, използван при производството. Съответно, изборът на конкретна стойност зависи единствено от списъка с задачи, които дизайнерите са поставили пред устройството.

По този начин, ние можем дори да направите капацитивен сензор с ръцете си, като конструктивна гледна точка това е - обичайната плоска или цилиндрична кондензатор, една плоча от които постоянно изпитва контролирано движение в пространството, което води до промяна в капацитет. Трябва да се помни, че горната формула е правилна само ако напълно пренебрегвате ефектите от ръба. Ще говорим за това в последната част на тази статия.

Трябва да се отбележи, че такива електронни устройства се използват интензивно за измерване на ъгловите и линейни движения на предмети, изчисляване на размерите, приложена работа, влажност, концентрация на активното вещество и други характеристики. Що се отнася до конструктивната страна на проблема, тези инструментални инструменти се правят от равнинно успоредни, в цилиндрични тела, с щифтови електроди, с разделител на диелектричен материал и изобщо без него.

Ето как функционират капацитивните сензори. Принципът на действие на някои от тях трябва да бъде известен особено подробно. В рамките на тази статия ще дадем някои формули, които може да са полезни за вас.

Формули за описание на принципа на работа на някои видове сензори

Сензор за нивото с възможна промяна в областта на диелектричните пластини може с лекота да се опише, като се използва следното уравнение:

С = epsilon-epsilon-kaX / delta-.

"X" в този случай е дължината на припокриването на използваните електроди. Съответно "a" обозначава ширината на плочите на самия кондензатор. Следва да се отбележи, че такива инструменти са намерили приложение в различни области на промишлеността, където те се използват за най-точното измерване на ъгловите количества. Капацитетът на преобразувателя след това се установява чрез следния израз:

С = epsilon-epsilon-y (r2-r1) / 2delta- * (phi-ₒ-phi-).

За да се измери точно чувствителността, трябва да се използва малко по-различна формула:

K = epsilon-epsilon-y (r2-r1) / 2delta-.

Да видим какво се има предвид от тези променливи, които са част от тези уравнения:

• r1 е вътрешният радиус на кондензаторната плоча;
• r2 е външният радиус на същата плоча;
• phi - измерена в момента (текущата) стойност на ъгъла на припокриване;
• phi-ₒ е началната стойност на ъгъла на припокриване.

Накрая ще анализираме математически израз, който описва принципа на работа на капацитивен измервателен уред с променлива въздушна междина:

С = epsilon-epsilon-S / (делта-Х-Х).

Не е трудно да се предположи, че под делта-ₒ е основната празнина, докато същата буква X обозначава размера на изместване на плочата. Обърнете внимание! Тъй като статичните характеристики не са строго линейни, обикновено се използва сензор за ниво от този тип за измерване на изключително малки отмествания, чиято величина не надвишава 0,10dl-ₒ. Естествено, тези устройства са в голямо търсене в прецизното инженерство, където дори по-малката грешка може да доведе до сериозни проблеми.

Къде могат да бъдат използвани?

Областите на тяхното възможно приложение са изключително разнообразни. Така че на практика във всички отрасли на промишлеността е възможно да се срещнат операции, които се контролират от тези устройства. Те се използват за контрол на пълненето на различни резервоари и съдържанието им може да бъде течно, гранулирано или газообразно (газов сензор).

Преобладаването им в промишлеността и обикновеното производство на хора е още по-голямо, толкова по-надеждно и по-лесно е проектирането на такива устройства. За всички тези знаци те са толкова добри, че могат да се използват дори и в невероятно агресивни условия на петролни танкери.

В допълнение, капацитивният датчик може да се използва като ограничителен прекъсвач на конвейерната линия или машинния инструмент на производствената зала. Също така е необходимо за най-точното позициониране на различни механизми.

Сензори за близост

Но в момента има специално търсене сензори за близост, които се изпълняват по точно същия принцип. Обхватът на тяхното използване е още по-широк. Това се дължи на стойността на пените и на способността да работят практически във всички видове индустрии. Има обаче типични индустрии, в които устройствата от този тип са най-търсени:

• Контрол върху пълненето на течни прозрачни контейнери от пластмаса или стъкло.
• Подобна функция се изпълнява от тях в производството на хранителни продукти (включително детски), където готовите продукти се опаковат в контейнери от прозрачни материали. По същия принцип се основава работата на такова измерване като капацитивен датчик за гориво.
• За да контролирате опасните зони, където е счупен проводникът за намотаване.
• Управление на подобни места, където транспортният ремък може да бъде повреден.
• Контрол върху произведения тип продукт (преизчисляване на кутии, бутилки, опаковки).

Не е изненадващо, че тези електронни устройства са най-често срещаните в прецизното инженерство, енергетиката и много други индустрии - различни сензори.

инклинометри

Инструменти, които станаха относително чести само през последните години, са малки капацитивни инклинометри, които осигуряват предаване на електрически изходен сигнал, чиято величина е пряко пропорционална на ъгъла на наклона на използвания сензор.

Най-честата основна областта на използването на тези устройства: платформа система подравняване, за определяне на деформация и деформация на различни видове греди за техническа поддръжка, както и прецизен контрол на автомобилния, железопътния отклонение път на етапа на тяхното изграждане.

Освен това, с помощта на тези устройства определят хвърляне на тежкотоварни камиони и други превозни средства, асансьори и индустриални багери и установи степента на ъглово отклонение за селскостопански и промишлени машини особено големи.

Много важни са капацитивните сензори за нивото на горивото в нефтената промишленост. Те се използват дори и за супертанкери, които за един полет транспортират десетки и стотици хиляди тонове преработени нефтопродукти. Тези устройства са изключително ефективни дори при условия на образуване на изключително богат кондензат и висока степен на прах в производствената зала (същия газов сензор).

Намират приложение при измерването на абсолютните и относителни нива на налягане, както и дебелината на диелектричния материал, което е изключително важно в почти всички отрасли, където се използват наистина мощни кондензатори.

Основните предимства на капацитивните сензори

Трябва да се отбележи, че капацитивният датчик има много предимства, ако го сравните със сходни устройства, които се изпълняват в съответствие с малко по-различни принципи. Да разгледаме основните предимства на тези инструменти:

• В производството те са изключително прости. В допълнение, най-простите и най-евтините материали могат да се използват при тяхното производство. Дори и капацитивните сензори за нивото на горивото, използвани във важните съоръжения на петролната индустрия, имат изключително малки размери и имат възможно най-ниско ниво на консумация на електроенергия. С всички тези характеристики, те се отличават с отлично ниво на чувствителност, което често е недостижимо за по-скъпи устройства.
• По принцип можете сами да направите капацитивен датчик, използвайки като основа своите повече или по-малко надеждни и висококачествени индустриални кондензатори.
• Те нямат контакти (много рядко се използва един токов колектор), което е изключително полезно за работа в условия на високо съдържание на прах и влажност в помещението.
• Животът е изключително дълъг, устройството многократно успява да "отблъсне" ниската си цена. Съответно капацитивният сензор (чиято цена е в диапазона 1200-1700 рубли) е изключително печелившо придобиване.
• За да преместите подвижната част на устройството, е необходимо изненадващо малко усилие.
• Устройството е много лесно да се комбинира с почти всички категории оборудване, което се използва само в промишлени дейности.

Отрицателни моменти

За съжаление, всеки капацитивен датчик има определени недостатъци, които до известна степен възпрепятстват широкото използване на този вид оборудване. Нека ги изброим по-подробно:

• Факторът на преобразуване (т.е. предаването) е относително нисък.
• Малкият размер и простотата на дизайна допринасят за това, че има доста високи изисквания за качеството на скрининговите устройства.
• Един добър сензорен капацитивен датчик (и други подобни измервателни устройства) може ефективно да работи само при честота, много по-висока от стандартната стойност от 50 Hz.

Важни бележки

Все пак всичко не е толкова лошо. Много производители постигат отлични характеристики на сензорните сензори, като правят минимални промени в дизайна си. Що се отнася до честотата на използване, на практика те показват отлични резултати при широко използвана индустриална стойност от 400 Hz.

Вече говорихме за валидността на основната формула само ако пренебрегваме маргиналния ефект. Но е полезно да се знае, че наистина може да има отрицателен ефект само ако разстоянието между плочите на диелектрика е сравнимо с размерите им. В допълнение, отрицателният ефект може да бъде до голяма степен изравнен чрез просто използване на защитен пръстен. В този случай ефектният обхват на ефекта може да се прехвърли далеч отвъд използваните плочи.

Още веднъж отбелязваме, че същите сензори за налягане се отличават със забележителна простота, която ви позволява да създавате върху чудото стабилни, трайни и евтини дизайни. Ако правилно изберете геометричните размери на използвания диелектрик, не можете да се притеснявате за материалите, използвани при производството на такъв кондензатор.

Така, правилно избирането на металната маркировка за производство на корпуса на сензора, е възможно да се пренебрегне практически дори силните температурни колебания, които могат да доведат до промяна в капацитета на устройството и неадекватността на показанията му. Разбира се, това не премахва необходимостта внимателно да се изолират сензорите за налягане и други подобни показатели от агресивните фактори на околната среда. Въпреки тяхната простота, висока влажност и високи нива на радиация могат да повлияят отрицателно на надеждността на устройството.

Класификация на датчиците

Методите на тяхното производство, използвани в индустрията, позволяват разделянето на всички произведени видове сензори на две големи групи: една проба и две проби. Последният сорт е разделен на диференциално и полудиференциално. Ще ги разгледаме по-подробно.

Устройство с един инструмент. В този случай, капацитивните сензорни вериги са прости до крайност, тъй като най-често срещаната част е най-често срещаният кондензатор с променлив капацитет. За съжаление дори леко повишената влажност и температура имат много осезаем ефект върху точността на показанията. Поради това често има различни неизправности на сензорите. За да изравним величината на такива грешки, трябва да използваме диференцирани конструкции.

Сензор за два сензора. Всъщност той е такава диференцирана структура. Много често можете да намерите капацитивен сензор за нивото, произведен точно според тази схема. Тези устройства са спестени от основните недостатъци на предишния модел, но имат свои собствени слабости. Най-значимият им недостатък е необходимостта от използване на два или три екранирани проводника между самия апарат и повърхността, тъй като само по този начин могат да бъдат потиснати така наречените паразитни капацитети.

Въпреки това, за сравнително сложни схеми на капацитивни сензори в този случай е лесно не обръщайте внимание, защото в замяна получавате изключително точен и чувствителен инструмент.

Специфичност на проектирането на сензори

В много случаи (от гледна точка на дизайна) създаването на такива устройства е доста проблематично. Това е особено вярно, когато се изисква да се създаде сензор с променливо ниво на капацитет. Практиката обаче показва, че много проблеми са почти напълно решени чрез точно калибриране и високи характеристики на материалите, използвани при производството. Най-често тези трудности се сблъскват с производителите на сензори с два сензора.

Като цяло, спецификата на този тип измервателни уреди се състои във факта, че те могат да бъдат представени под формата на безразмерно съотношение на две физически величини (способности), които имат точен физически израз и значение. Така че те могат да се наричат ​​"сензори за близост". Предимството на тези устройства (огромното им плюс!) Е, че те обикновено не могат да имат референтни мерки в своя дизайн, което подобрява тяхната надеждност в наистина екстремни ситуации и условия.

Характеристики на сензорите за линейно изместване

Всички неелектрически величини, за които често се изисква да се контролират в промишлени условия, са изключително разнообразни и разнообразни. Значителна част от мерките, които са обект на строг контрол, са ъгловите и дори линейни измествания на различни видове повърхности в пространството. Ако използваме кондензатор, който има абсолютно равномерно електрическо поле в работната празнина, тогава не е толкова трудно да се направят електронни сензори от следните два типа:

• В която областта на електродите ще бъде променлива.
• Тези, които имат променлива междина между тези електроди.

Лесно е да се разбере, че първият тип е най-подходящ за фиксиране на наистина големи размествания, докато с помощта на втория тип човек дори може да забележи такива движения на тялото в пространството, чиято величина е само няколко микрона!

Ъглови сензори за изместване

По принцип, по дизайн и предназначение, те са почти напълно идентични с типа, който току-що разгледахме. Сходството се проявява в факта, че се използват и сензори с променлива площ на електродите за големи измервания и с променливо разстояние между самите електроди за малки. Като правило, такива устройства се правят многосекционни, с възможност за промяна на площта на кондензаторните пластини.

За да се постигне това, първият електрод е прикрепен към подвижния вал, при въртене на който той променя положението си спрямо втория, което осигурява промяна в областта на припокриване на диелектричните пластини в кондензатора. Естествено, в същото време, промяната на капацитета е фиксирана.

данни

Така че ние разгледахме основните характеристики на устройствата на това ниво, научихме за областите на тяхното приложение, характеристиките на дизайна, принципа на действие и възможните технически решения. Както можете да разберете от статията, разпространението на капацитивните сензори и тяхната изключително висока популярност се основават на много атрактивната цена на тези устройства и дългия живот дори при трудни условия на околната среда.

Всичко това е възможно поради факта, че от конструктивна гледна точка всички тези измервателни уреди са просто стандартни кондензатори, които се характеризират с малко необичаен начин да ги използват. Самият вие обаче можете да откриете това, като потърсите отново математическите формули, които в общи линии отразяват принципите на работа с инструментите.