Senzor capacitiv: dispozitivul și principiul funcționării. Senzori capacitivi: aplicare

Industria modernă și activitatea umană de zi cu zi a omului nu pot fi imaginate fără nici un fel de dispozitive electronice. Ei ne ajută în orice, iar unele operațiuni tehnologice fără ele nu vor fi deloc posibile. Pentru acești "asistenți" ar trebui atribuită și un senzor capacitiv.

Acestea sunt numite traductoare, fabricate în funcție de tipul parametric. Măsurarea unui anumit volum de către astfel de dispozitive se realizează datorită fluctuațiilor rezistenței capacitive atunci când se modifică anumiți parametri importanți. Pur și simplu, schimbarea este estimată Capacitor capacitor sub influența unor factori externi.

Principiul funcționării senzorului capacitiv

Asta sunt senzorii capacitivi. Principiul muncii lor nu este atât de complicat, dar pentru ao înțelege, trebuie să știi ceva. În primul rând, să ne amintim principiul determinării capacității unui condensator. Această acțiune este exprimată folosind următoarea formulă:

C = epsilon-epsilon-ₒS / delta-.

Această expresie este cunoscută de mulți din cursul școlii de fizică, dar nu ar face rău să reîmprospătați memoria și să vă amintiți ce implică fiecare dintre variabile:

• S este zona plăcii de condensatoare.
• Epsilon - este permeabilitatea relativă a materialului dielectric utilizat în construcția condensatorului.
• epsilon-ₒ - deci în fizică se obișnuiește să se desemneze constanta dielectrică a unui vid.
• delta - aceasta poate fi fie grosimea plăcii dielectrice, fie distanța dintre mai multe straturi ale materialului.

Astfel, din formula de mai sus rezultă că este ușor să se schimbe capacitatea unui condensator. Este suficient cumva acționează pe suprafața plăcii de material dielectric, o distanță între plăci sau direct cu permeabilitatea utilizată la fabricarea materialului. În consecință, alegerea unei anumite valori depinde numai de lista de sarcini pe care designerii le-au pus în fața dispozitivului.

Astfel, putem face chiar și un senzor capacitiv cu mâinile, ca un punct de vedere constructiv, este - condensatorul plat sau cilindric obișnuit, dintre care o placă se confruntă în mod constant o mișcare controlată în spațiu, ceea ce duce la o schimbare în capacitate. Trebuie reținut faptul că formula de mai sus este corectă numai dacă ignorați complet efectele marginale. Vom vorbi despre asta în ultima parte a acestui articol.

Trebuie remarcat faptul că astfel de dispozitive electronice sunt utilizate intens pentru măsurarea mișcărilor unghiulare și liniare ale obiectelor, calcularea dimensiunilor, lucrării aplicate, umidității, concentrației substanței active și a altor caracteristici. În ceea ce privește aspectele structurale ale întrebării, apoi a spus baloturi sunt plane paralele, în carcase cilindrice cu electrozi pini, cu o căptușeală dintr-un material dielectric, și chiar fără ea.

Iată cum funcționează senzorii capacitivi. Principiul de funcționare al unora dintre ele trebuie să fie cunoscut în special în detaliu. În cadrul acestui articol, vom oferi câteva formule care vă pot fi utile.

Formule pentru descrierea principiului de funcționare a anumitor tipuri de senzori

Un senzor de nivel cu o posibilă schimbare în zona plăcilor dielectrice poate fi descris destul de ușor utilizând următoarea ecuație:

C = epsilon-epsilon-kaX / delta-.

"X" în acest caz este lungimea suprapunerii electrozilor utilizați. În consecință, "a" denotă lățimea plăcilor condensatorului însuși. Trebuie remarcat faptul că astfel de instrumente și-au găsit aplicația în diferite domenii ale industriei, unde sunt utilizate pentru măsurarea cea mai precisă a cantităților unghiulare. Capacitatea convertorului este apoi determinată prin următoarea expresie:

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

Pentru a măsura cu precizie sensibilitatea, ar trebui folosită o formulă oarecum diferită:

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

Să vedem ce se înțelege prin variabilele care fac parte din aceste ecuații:

• r1 este raza internă a plăcii condensatorului;
• r2 este raza exterioară a aceleiași plăci;
• phi - măsurată la momentul (curent) al unghiului de suprapunere;
• phi-ₒ este valoarea inițială a unghiului de suprapunere.

În cele din urmă, vom analiza o expresie matematică care descrie principiul de funcționare al unui contor capacitiv cu un spațiu variabil de aer:

C = epsilon-epsilon-S / (delta-X-X).

Nu este greu de ghicit asta sub delta-ₒ este diferența primară, în timp ce aceeași literă X indică cantitatea de deplasare a plăcii. Fiți atenți! Deoarece caracteristicile statice nu sunt strict liniare, de obicei, un senzor de nivel de acest tip este utilizat pentru a măsura deplasările extrem de mici, a căror mărime nu depășește 0.1 delta-ₒ. Firește, aceste dispozitive sunt foarte solicitate în ingineria de precizie, unde chiar și o eroare mai mică poate duce la probleme serioase.

Unde pot fi folosite?

Domeniile posibilei lor aplicări sunt extrem de diverse. Deci, practic, în toate ramurile industriei, este posibil să se întâlnească operațiuni, care sunt controlate de aceste dispozitive. Ele sunt folosite pentru a controla umplerea diferitelor rezervoare, iar conținutul lor poate fi lichid, granular sau gazos (senzor de gaz).

Prevalența lor în industrie și în producția umană obișnuită este cu atât mai mare, cu cât designul acestor dispozitive este mai fiabil și mai simplu. Pentru ansamblul acestor semne, ele sunt atât de bune încât pot fi folosite chiar și în condiții incredibil de agresive ale tancurilor de petrol.

În plus, senzorul capacitiv poate fi utilizat ca un întrerupător de limită pe linia transportoarelor sau pe mașina-mașină a halei de producție. Este, de asemenea, necesar pentru poziționarea cât mai exactă a diferitelor mecanisme.

Senzori de proximitate

Dar în prezent există o cerere specială senzori de proximitate, care sunt executate exact pe același principiu. Gama de utilizare a acestora este chiar mai largă. Acest lucru se datorează valorii penny a dispozitivelor și capacitatea de a lucra în aproape toate tipurile de industrie. Cu toate acestea, există industrii tipice în care dispozitivele de acest tip sunt cele mai solicitate:

• Controlul umplerii recipientelor transparente lichide din plastic sau sticlă.
• O funcție similară le îndeplinește și în producția produselor alimentare (inclusiv pentru copii), în care produsele finite sunt ambalate în recipiente din materiale transparente. Pe același principiu, funcționează o astfel de instrumentație ca un senzor de carburant capacitiv.
• Pentru a controla zonele periculoase în care firul de înfășurare este rupt.
• Controlați locurile similare unde banda transportoare poate fi deteriorată.
• Controlul piesei tipului de produs produs (recalcularea cutiilor, sticlelor, ambalajelor).

Nu este surprinzător faptul că aceste dispozitive electronice sunt cele mai frecvente în inginerie de precizie, energie și multe alte industrii o varietate de senzori.

inclinometers

Dispozitivele care au devenit predominante doar în ultimii ani relativ sunt înclinometru de mici dimensiuni capacitiv furnizează semnal de ieșire electrică de transport a cărui mărime este direct proporțională cu senzorul unghiului de utilizat.

Cel mai frecvent domeniu major al utilizării acestor dispozitive: sistem de aliniere platforma, determinarea deformării și deformarea de diferite tipuri de grinzi suport tehnic, precum și controlul precis al drumului, de deviere de cale ferată la etapa construcției lor.

În plus, cu ajutorul acestor dispozitive se determină rola vehiculelor grele și a altor vehicule, tractoare și excavatoare industriale și se determină gradul de deplasare unghiulară în raport cu mașinile agricole și industriale de dimensiuni foarte mari.

Foarte importante sunt cele capacitive senzori de nivel de combustibil în industria petrolieră. Acestea sunt folosite chiar și pe supertankerii, care pentru un zbor transportă zeci și sute de mii de tone de produse petroliere prelucrate. Aceste dispozitive sunt extrem de eficiente chiar și în condițiile formării condensului extrem de abundent și a gradului ridicat de praf în camera de producție (același senzor de gaz).

Ei își găsesc aplicația în măsurarea nivelelor de presiune absolute și relative, precum și a grosimii materialului dielectric, care este extrem de important în aproape toate sectoarele unde se folosesc condensatori foarte puternici.

Principalele avantaje ale senzorilor capacitivi

Trebuie remarcat faptul că senzorul capacitiv are multe avantaje, dacă îl comparați cu dispozitive similare care sunt efectuate în conformitate cu principii ușor diferite. Să enumerăm principalele avantaje ale acestor instrumente:

• În fabricare sunt extrem de simple. În plus, materialele cele mai simple și mai ieftine pot fi utilizate în producția lor. Chiar și senzorii capacitivi de nivel al combustibilului utilizați în instalațiile importante din industria petrolieră au dimensiuni extrem de modeste și au cel mai mic nivel posibil de consum de energie electrică. Cu toate aceste caracteristici, ele se disting printr-un nivel excelent de sensibilitate, adesea imposibil de atins pentru dispozitive mai scumpe.
• În principiu, puteți face singur un senzor capacitiv, utilizând ca bază orice condensator industrial mai mult sau mai puțin fiabil și de înaltă calitate.
• Nu au contacte (foarte rar se utilizează un singur colector de curent), care este extrem de benefic pentru munca în condiții de conținut ridicat de praf și umiditate în încăpere.
• Durata de viață este extrem de lungă, dispozitivul reușind în repetate rânduri să "repună" costul său scăzut. În consecință, senzorul capacitiv (al cărui preț este în intervalul 1200-1700 ruble) este o achiziție extrem de profitabilă.
• Pentru a muta partea în mișcare a dispozitivului, este nevoie de efort puțin surprinzător.
• Dispozitivul este foarte ușor de combinat cu aproape toate categoriile de echipamente care sunt utilizate numai în activitățile industriale.

Momente negative

Din nefericire, fiecare senzor capacitiv are anumite dezavantaje, care într-o oarecare măsură împiedică utilizarea pe scară largă a acestui tip de echipament. Să le prezentăm mai detaliat:

• Factorul de conversie (adică transmisia) este relativ scăzut.
• Dimensiunea redusă și simplitatea designului contribuie la faptul că există cerințe destul de ridicate pentru calitatea dispozitivelor de screening.
• Un bun senzor de nivel capacitiv (și alte dispozitive de măsură similare) poate funcționa eficient numai la o frecvență mult mai mare decât valoarea standard de 50 Hz.

Note importante

Cu toate acestea, totul nu este atât de rău. Mulți producători obțin caracteristici excelente de detectare a senzorilor prin modificări minime ale designului lor. În ceea ce privește frecvența utilizării, în practică acestea prezintă rezultate excelente la o valoare industrială foarte utilizată de 400 Hz.

Am vorbit deja despre validitatea formulei de bază numai dacă efectul marginal este ignorat. Dar este util să știm că poate avea un efect negativ numai dacă distanța dintre plăcile dielectrice este comparabilă cu dimensiunile proprii. În plus, efectul negativ poate fi în mare măsură egalizat prin utilizarea pur și simplu a unui inel de protecție. În acest caz, intervalul de efect al efectului poate fi transferat cu mult peste placile utilizate.

Încă o dată, observăm că aceiași senzori de presiune se disting printr-o simplitate remarcabilă, care vă permite să creați în mintea unor modele stabile, durabile și ieftine. Dacă alegeți corect dimensiunile geometrice ale dielectricului utilizat, nu vă puteți îngrijora de materialele folosite la fabricarea unui astfel de condensator.

Astfel, selectând corect marcajele metalice pentru fabricarea carcasei senzorului, este posibil să neglijăm practic chiar fluctuațiile puternice de temperatură care ar putea duce la o schimbare a capacității dispozitivului și la insuficiența citirilor sale. Desigur, acest lucru nu elimină necesitatea de a izola cu grijă senzorii de presiune și alți indicatori similari de factorii de mediu agresivi. În ciuda simplității lor, umiditatea ridicată și nivelurile ridicate de radiații pot afecta negativ fiabilitatea dispozitivului.

Clasificarea senzorilor

Metodele de producție utilizate în industrie fac posibilă împărțirea tuturor tipurilor de senzori produse în două grupe mari: un eșantion și două eșantionări. Ultimul soi este împărțit în diferențial și semi-diferențial. Le vom examina în detaliu.

Un dispozitiv cu un singur instrument. În acest caz, circuitele senzorilor capacitivi sunt simple până la extrem, deoarece cea mai comună parte este cel mai comun condensator cu capacitate variabilă. Din păcate, chiar și umiditatea și temperaturile ușor crescute au un efect foarte tangibil asupra preciziei citirilor. Din acest motiv, există deseori diverse defecțiuni ale senzorilor. Pentru a echilibra amploarea acestor erori, trebuie să folosim construcții diferențiate.

Senzor cu două senzori. De fapt, el este o structură atât de diferențiată. Foarte des puteți găsi un senzor de nivel capacitiv, fabricat exact conform acestei scheme. Aceste dispozitive sunt scutite de principalele dezavantaje ale modelului anterior, dar au propriile lor slăbiciuni. Cel mai important dezavantaj este necesitatea de a utiliza două sau trei fire ecranate între dispozitiv și suprafața, deoarece numai în acest mod se poate suprima așa-numitele parazitare capacitate.

Cu toate acestea, pentru schemele destul de complexe ale senzorilor capacitivi în acest caz este ușor nu acordați atenție, deoarece în schimb obțineți un instrument extrem de precis și sensibil.

Specificitatea proiectării senzorilor

În multe cazuri (din punct de vedere al designului), crearea unor astfel de dispozitive este destul de problematică. Acest lucru este valabil mai ales atunci când este necesar să se creeze un senzor cu un nivel variabil de capacitate. Cu toate acestea, practica arată că multe probleme sunt aproape complet rezolvate prin calibrare precisă și prin caracteristicile ridicate ale materialelor utilizate în producție. Cel mai adesea, aceste dificultăți se confruntă cu producătorii de senzori cu două senzori.

În general, specificul acestui tip instrumente de măsurare Acesta constă în faptul că acestea pot fi reprezentate ca un raport adimensional de două mărimi fizice (recipiente), care au o expresie fizică precisă și semnificație. Deci, ele pot fi numite "senzori de proximitate". Avantajul acestor dispozitive (le plus imens!) Este că acestea, în general, nu pot avea în design-ul unor măsuri standard, care răcesc îmbunătățește fiabilitatea în situații și condiții foarte extreme.

Caracteristicile senzorilor de deplasare liniară

Toate cantitățile neelectrice, care sunt adesea necesare pentru a fi controlate în condiții industriale, sunt extrem de diverse și foarte variate. O parte semnificativă a măsurilor care fac obiectul unui control strict sunt deplasările unghiulare și chiar liniale ale diferitelor tipuri de suprafețe din spațiu. Dacă folosim un condensator care are un câmp electric absolut uniform în spațiul de lucru, atunci nu este atât de dificil să se facă senzori electronici din următoarele două tipuri:

• În care zona electrozilor va fi variabilă.
• Cei care au un decalaj variabil între acești electrozi.

Este ușor de înțeles că primul tip este cel mai potrivit pentru fixarea mișcării într-adevăr mare, în timp ce folosind al doilea soi poate fi observat chiar și o mișcare a corpului în spațiu, a cărui valoare este egală cu doar câteva microni!

Senzori de deplasare unghiulară

În general, prin design și scop, ele sunt aproape complet identice cu tipul considerat. Similitudinea se manifestă prin faptul că senzorii cu o zonă variabilă a electrodului trebuie de asemenea utilizați pentru măsurători mari și cu o distanță variabilă între electrozii înșiși pentru cei mici. De regulă, astfel de dispozitive sunt realizate multisecțional, cu posibilitatea de a schimba aria plăcilor condensatoarelor.

Pentru a realiza acest lucru, primul electrod este atașat la arborele mobil, la rotirea căruia își schimbă poziția față de cea de-a doua, ceea ce asigură o schimbare a suprafeței de suprapunere a plăcilor dielectrice din condensator. Firește, în același timp, modificarea capacității este fixă.

constatări

Așadar, am examinat caracteristicile de bază ale dispozitivelor de acest nivel, am învățat despre domeniile aplicării acestora, caracteristicile designului, principiul acțiunii și posibilele soluții tehnice. După cum puteți înțelege din articol, prevalența senzori capacitivi și popularitatea lor extrem de mare se bazează pe prețul foarte atractiv de astfel de dispozitive și o durată lungă de viață chiar și în condiții dificile de mediu.

Toate acestea sunt posibile datorită faptului că, din punct de vedere constructiv, toți acești contori sunt doar condensatori standard, care se caracterizează printr-un mod oarecum neobișnuit de a le folosi. Cu toate acestea, voi puteți să aflați acest lucru prin a privi din nou la formulele matematice care, în termeni generali, reflectă principiile funcționării instrumentației.