เซนเซอร์แบบคาปาซิทีฟ

เซ็นเซอร์แบบคาปาซิทีฟเรียกว่าทรานสดิวเซอร์ประเภทพาราเมตริก ซึ่งการเปลี่ยนแปลงของค่าที่วัดได้จะถูกแปลงเป็นการเปลี่ยนแปลงของความจุ

การประยุกต์ใช้เซนเซอร์แบบ Capacitive

แอปพลิเคชันที่เป็นไปได้สำหรับเซนเซอร์แบบคาปาซิทีฟนั้นมีความหลากหลายอย่างมาก ใช้ในระบบควบคุมและควบคุมกระบวนการทางอุตสาหกรรมในเกือบทุกอุตสาหกรรม เซนเซอร์แบบคาปาซิทีฟใช้ในการควบคุมการบรรจุของเหลว ผง หรือสารที่เป็นเม็ดลงในถัง เช่น ลิมิตสวิตช์บนไลน์อัตโนมัติ สายพานลำเลียง หุ่นยนต์ ศูนย์เครื่องจักรกล เครื่องตัดโลหะ ในระบบสัญญาณ การวางตำแหน่งกลไกต่างๆ เป็นต้น

ปัจจุบันเซ็นเซอร์ความใกล้ชิด (การแสดงตน) ที่แพร่หลายมากที่สุดซึ่งนอกเหนือจากความน่าเชื่อถือแล้วยังมีข้อดีอีกมากมาย ด้วยราคาที่ค่อนข้างต่ำ พร็อกซิมิตีเซนเซอร์จึงครอบคลุมทิศทางที่หลากหลายในการใช้งานในทุกอุตสาหกรรม พื้นที่ใช้งานทั่วไปสำหรับเซนเซอร์แบบคาปาซิทีฟประเภทนี้คือ:

• สัญญาณสำหรับบรรจุภาชนะพลาสติกหรือแก้ว

• การควบคุมระดับการบรรจุของบรรจุภัณฑ์โปร่งใส

• สัญญาณเตือนการแตกของคอยล์

• การปรับความตึงของสายพาน

• บัญชีบางส่วนใด ๆ เป็นต้น

ตัวเข้ารหัสเชิงเส้นและมุมแบบคาปาซิทีฟเป็นอุปกรณ์ทั่วไปที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านวิศวกรรมและการขนส่ง การก่อสร้างและพลังงานในคอมเพล็กซ์การวัดต่างๆ

อุปกรณ์ที่ค่อนข้างใหม่ซึ่งเข้ามาใช้ในอุตสาหกรรมอย่างแพร่หลายในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาได้กลายเป็นเครื่องวัดความเอียงแบบคาปาซิทีฟขนาดเล็กที่มีสัญญาณเอาต์พุตไฟฟ้าเป็นสัดส่วนกับมุมเอียงของเซ็นเซอร์…. การใช้งาน inclinometers ต่อไปนี้ถือเป็นพื้นที่หลัก: ใช้ในระบบปรับระดับแพลตฟอร์ม, การกำหนดส่วนเบี่ยงเบนและการเปลี่ยนรูปของส่วนรองรับและคานประเภทต่างๆ, การควบคุมมุมเอียงของถนนและทางรถไฟระหว่างการก่อสร้าง, การซ่อมแซมและการใช้งาน การกำหนดการหมุนของรถยนต์, เรือและหุ่นยนต์ใต้น้ำ, รอกและเครน, รถขุด, เครื่องจักรกลการเกษตร, การพิจารณาการเคลื่อนที่เชิงมุมของวัตถุหมุนประเภทต่างๆ - เพลา, ล้อ, กลไกกระปุกเกียร์ทั้งวัตถุที่อยู่นิ่งและเคลื่อนที่ .

เซ็นเซอร์ระดับคาปาซิทีฟใช้ในระบบควบคุม ระเบียบ และการจัดการกระบวนการผลิตในอุตสาหกรรมอาหาร ยา เคมีภัณฑ์ การกลั่นน้ำมัน มีประสิทธิภาพเมื่อทำงานกับของเหลว วัสดุจำนวนมาก สารแขวนลอย สารหนืด (นำไฟฟ้าและไม่นำไฟฟ้า) รวมทั้งในสภาวะการควบแน่น ฝุ่น

เซนเซอร์แบบคาปาซิทีฟยังใช้ในอุตสาหกรรมต่างๆ เพื่อวัดความดันสัมบูรณ์และความดันเกจ ความหนาของวัสดุไดอิเล็กทริก ความชื้นในอากาศ ความเครียด ความเร่งเชิงมุมและเชิงเส้น เป็นต้น

ข้อดีของเซ็นเซอร์แบบคาปาซิทีฟเหนือเซ็นเซอร์ประเภทอื่นๆ

เซ็นเซอร์แบบคาปาซิทีฟมีข้อดีหลายประการเหนือเซ็นเซอร์ประเภทอื่นๆ ข้อดีของพวกเขา ได้แก่ :

• สะดวกในการผลิตใช้วัสดุราคาถูกในการผลิต - ขนาดและน้ำหนักน้อย — การใช้พลังงานต่ำ - ความไวสูง

• ขาดการติดต่อ (ในบางกรณี - นักสะสมปัจจุบันคนหนึ่ง);

• อายุการใช้งานยาวนาน

• ความต้องการกองกำลังขนาดเล็กมากในการเคลื่อนย้ายส่วนที่เคลื่อนไหวของเซ็นเซอร์ capacitive

• ง่ายต่อการปรับรูปร่างของเซ็นเซอร์ให้เหมาะกับงานและการออกแบบที่แตกต่างกัน

ข้อเสียของเซนเซอร์แบบคาปาซิทีฟ

ข้อเสียของเซนเซอร์แบบ capacitive รวมถึง:

• ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายโอน (การแปลง) ที่ค่อนข้างเล็ก

• ข้อกำหนดสูงสำหรับชิ้นส่วนป้องกัน

• ความจำเป็นในการทำงานที่ความถี่สูงกว่า (เทียบกับ 50 Hz)

อย่างไรก็ตาม ในกรณีส่วนใหญ่ การป้องกันที่เพียงพอสามารถทำได้เนื่องจากการออกแบบเซ็นเซอร์ และการปฏิบัติแสดงให้เห็นว่าเซ็นเซอร์แบบ capacitive ให้ผลลัพธ์ที่ดีที่ความถี่ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่ 400 Hz โดยธรรมชาติ ตัวเก็บประจุ ผลกระทบของขอบจะมีความสำคัญก็ต่อเมื่อระยะห่างระหว่างแผ่นเปลือกโลกเทียบได้กับขนาดเชิงเส้นของพื้นผิวที่อยู่ระหว่างการพิจารณา ผลกระทบนี้สามารถกำจัดได้ในระดับหนึ่งโดยใช้วงแหวนป้องกัน ซึ่งทำให้สามารถเปลี่ยนอิทธิพลของมันได้เกินขีดจำกัดของพื้นผิวของเพลตที่ใช้จริงสำหรับการวัด

เซนเซอร์แบบคาปาซิทีฟมีความโดดเด่นในเรื่องความเรียบง่าย ซึ่งช่วยให้มีการออกแบบที่แข็งแกร่งและเชื่อถือได้ พารามิเตอร์ของตัวเก็บประจุขึ้นอยู่กับลักษณะทางเรขาคณิตเท่านั้นและไม่ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของวัสดุที่ใช้ หากเลือกวัสดุเหล่านี้อย่างถูกต้อง ดังนั้น ผลกระทบของอุณหภูมิต่อการเปลี่ยนแปลงพื้นผิวและระยะห่างของแผ่นอาจเล็กน้อยเล็กน้อยโดยการเลือกเกรดโลหะที่เหมาะสมสำหรับแผ่นเพลตและฉนวนสำหรับการติด ยังคงเป็นเพียงการปกป้องเซ็นเซอร์จากปัจจัยแวดล้อมเหล่านั้นที่สามารถเสื่อมสภาพของฉนวนระหว่างแผ่น — จากฝุ่น การกัดกร่อน ความชื้น รังสีไอออไนซ์

คุณสมบัติที่มีค่าของเซนเซอร์แบบคาปาซิทีฟ — ต้องใช้แรงเชิงกลเพียงเล็กน้อยในการเคลื่อนย้ายส่วนที่เคลื่อนที่ได้ ความสามารถในการปรับเอาต์พุตของระบบติดตาม และความแม่นยำสูงในการทำงาน — ทำให้เซนเซอร์คาปาซิทีฟขาดไม่ได้ในอุปกรณ์ที่มีข้อผิดพลาดเพียงหนึ่งในร้อยหรือแม้แต่ อนุญาตให้ใช้หนึ่งในพันเปอร์เซ็นต์

ประเภทของตัวแปลงคาปาซิทีฟและคุณสมบัติการออกแบบ

โดยทั่วไปแล้ว เซนเซอร์แบบคาปาซิทีฟคือตัวเก็บประจุแบบแบนหรือทรงกระบอก ซึ่งหนึ่งในนั้นมีเพลตซึ่งผ่านการควบคุมการเคลื่อนไหว ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของความจุ โดยไม่คำนึงถึงผลกระทบสุดท้าย ความจุของตัวเก็บประจุแบบแบนสามารถแสดงได้ดังนี้:

ที่ไหน ε ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกสัมพัทธ์ของตัวกลางที่อยู่ระหว่างแผ่น C และ e - พื้นที่ของแผ่นที่พิจารณาและตามด้วยระยะห่างระหว่างแผ่น

ทรานสดิวเซอร์แบบคาปาซิทีฟสามารถใช้วัดปริมาณต่างๆ ในสามทิศทาง ขึ้นอยู่กับความสัมพันธ์เชิงฟังก์ชันของปริมาณที่ไม่ใช้ไฟฟ้าที่วัดได้กับพารามิเตอร์ต่อไปนี้:

• ค่าคงที่ไดอิเล็กทริกผันแปรของตัวกลาง ε;

• พื้นที่ทับซ้อนของแผ่น C;

• ระยะห่างระหว่างจานต่างกัน e.

ในกรณีแรก ทรานสดิวเซอร์แบบคาปาซิทีฟสามารถใช้วิเคราะห์องค์ประกอบของสารได้ เนื่องจากค่าคงที่ไดอิเล็กตริกเป็นฟังก์ชันของคุณสมบัติของสาร ในกรณีนี้ ค่าอินพุตตามธรรมชาติของตัวแปลงจะเป็นองค์ประกอบของสารที่เติมช่องว่างระหว่างเพลต ทรานสดิวเซอร์แบบคาปาซิทีฟประเภทนี้ใช้กันอย่างแพร่หลายโดยเฉพาะอย่างยิ่งในการวัดปริมาณความชื้นของของแข็งและของเหลว ระดับของเหลว ตลอดจนการกำหนดขนาดทางเรขาคณิตของวัตถุขนาดเล็ก ในกรณีส่วนใหญ่ของการใช้งานจริงของทรานสดิวเซอร์แบบ capacitive ค่าอินพุตตามธรรมชาติของพวกมันคือการกระจัดทางเรขาคณิตของอิเล็กโทรดที่สัมพันธ์กัน ตามหลักการนี้ เซ็นเซอร์การเคลื่อนที่เชิงเส้นและเชิงมุม อุปกรณ์สำหรับวัดแรง การสั่นสะเทือน ความเร็ว และความเร่ง เซ็นเซอร์สำหรับ เซ็นเซอร์ความใกล้ชิด ความดัน และความเครียด (extensometers)

การจำแนกประเภทของ Capacitive Sensor

ในแง่ของการใช้งาน ทรานสดิวเซอร์การวัดแบบคาปาซิทีฟทั้งหมดสามารถแบ่งออกเป็นเซ็นเซอร์แบบคาปาซิทีฟเดียวและสองคาปาซิทีฟ หลังเป็นดิฟเฟอเรนเชียลและกึ่งดิฟเฟอเรนเชียล

เซ็นเซอร์ความจุเดี่ยวมีการออกแบบที่เรียบง่ายและเป็นตัวเก็บประจุแบบตัวแปรเดียว ข้อเสียรวมถึงอิทธิพลที่สำคัญของปัจจัยภายนอก เช่น ความชื้นและอุณหภูมิเพื่อชดเชยข้อผิดพลาดเหล่านี้ ใช้การออกแบบที่แตกต่างกัน... ข้อเสียของเซ็นเซอร์ดังกล่าวเมื่อเทียบกับเซ็นเซอร์ความจุเดี่ยวคือต้องมีสายเชื่อมต่อที่มีฉนวนป้องกันอย่างน้อยสามเส้น (แทนที่จะเป็นสอง) ระหว่างเซ็นเซอร์และอุปกรณ์วัด เรียกว่าความจุของกาฝาก อย่างไรก็ตาม ข้อเสียนี้ได้รับการชำระด้วยความแม่นยำ ความเสถียร และการขยายขอบเขตการใช้งานอุปกรณ์ดังกล่าวที่เพิ่มขึ้นอย่างมาก

ในบางกรณี เซ็นเซอร์ดิฟเฟอเรนเชียลคาปาซิทีฟสร้างได้ยากเนื่องจากเหตุผลด้านการออกแบบ (โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับเซ็นเซอร์ดิฟเฟอเรนเชียลที่มีช่องว่างแบบแปรผัน) อย่างไรก็ตาม หากในขณะเดียวกันตัวเก็บประจุที่เป็นตัวอย่างถูกวางไว้ในตัวเรือนเดียวกันกับตัวที่ใช้งานได้ และพวกมันเหมือนกันมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ในการออกแบบ ขนาด และวัสดุที่ใช้ ความไวของอุปกรณ์ทั้งหมดต่ออิทธิพลที่ทำให้ไม่เสถียรจากภายนอกจะต่ำกว่ามาก มั่นใจ ในกรณีเช่นนี้ เราสามารถพูดถึงเซนเซอร์แบบคาปาซิทีฟแบบกึ่งดิฟเฟอเรนเชียล ซึ่งเหมือนกับดิฟเฟอเรนเชียลซึ่งหมายถึงเซนเซอร์แบบคาปาซิทีฟ

ความจำเพาะของพารามิเตอร์เอาต์พุตของเซ็นเซอร์สองปริมาตรซึ่งแสดงเป็นอัตราส่วนไร้มิติของปริมาณทางกายภาพสองมิติ (ในกรณีของเราคือความจุ) ให้เหตุผลในการเรียกเซ็นเซอร์อัตราส่วน เมื่อใช้เซ็นเซอร์ความจุคู่ อุปกรณ์ตรวจวัดอาจไม่มีการวัดค่าความจุมาตรฐานใดๆ เลย ซึ่งช่วยเพิ่มความแม่นยำในการวัด

ตัวเข้ารหัสการเคลื่อนที่เชิงเส้น

ปริมาณที่ไม่ใช้ไฟฟ้าที่จะวัดและควบคุมมีมากมายและหลากหลาย ส่วนสำคัญของพวกมันคือการกระจัดเชิงเส้นและเชิงมุม ขึ้นอยู่กับตัวเก็บประจุที่ สนามไฟฟ้า สามารถสร้างเซ็นเซอร์ดิสเพลสเมนต์แบบคาปาซิทีฟสองประเภทหลักได้อย่างสม่ำเสมอในช่องว่างการทำงาน:

• มีพื้นที่อิเล็กโทรดแปรผัน

• ด้วยช่องว่างระหว่างอิเล็กโทรด

ค่อนข้างชัดเจนว่าแบบแรกนั้นสะดวกกว่าสำหรับการวัดการกระจัดขนาดใหญ่ (หน่วย สิบและหลายร้อยมิลลิเมตร) และแบบหลังสำหรับการวัดการกระจัดที่เล็กและเล็กมาก (ส่วนของมิลลิเมตร ไมโครเมตร และน้อยกว่า)

ตัวเข้ารหัสเชิงมุม

ทรานสดิวเซอร์คาปาซิทีฟเชิงมุมมีหลักการคล้ายกับทรานสดิวเซอร์คาปาซิทีฟดิสเพลสเมนต์เชิงเส้น และเซนเซอร์แบบพื้นที่แปรผันยังเหมาะสมกว่าในกรณีที่มีช่วงการวัดไม่เล็กเกินไป (เริ่มจากหน่วยองศา) และเซนเซอร์คาปาซิทีฟช่องว่างแบบปรับมุมได้ สามารถใช้วัดการกระจัดเชิงมุมขนาดเล็กและเล็กพิเศษได้สำเร็จ โดยทั่วไปแล้ว ทรานสดิวเซอร์หลายส่วนที่มีพื้นที่แผ่นตัวเก็บประจุแบบแปรผันจะใช้สำหรับการกระจัดเชิงมุม

ในเซ็นเซอร์ดังกล่าวอิเล็กโทรดตัวเก็บประจุตัวใดตัวหนึ่งติดอยู่กับเพลาของวัตถุและในระหว่างการหมุนมันจะถูกแทนที่เมื่อเทียบกับอิเล็กโทรดที่อยู่กับที่ซึ่งเปลี่ยนพื้นที่ทับซ้อนกันของแผ่นตัวเก็บประจุ สิ่งนี้ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงความจุที่จับโดยวงจรการวัด

เครื่องวัดความเอียง

inclinometer (เซ็นเซอร์เอียง) เป็นทรานสดิวเซอร์การเอียงแบบ Capacitive ที่มีองค์ประกอบตรวจจับรูปทรงแคปซูล

เครื่องวัดความลาดเอียงแบบ Capacitive

แคปซูลประกอบด้วยสารตั้งต้นที่มีอิเล็กโทรดแบน 2 อัน 1 หุ้มด้วยชั้นฉนวน และตัวเครื่อง 2 ยึดแน่นกับวัสดุพิมพ์ ช่องภายในของ body บางส่วนเต็มไปด้วยของเหลวนำไฟฟ้า 3 ซึ่งเป็นอิเล็กโทรดร่วมของ องค์ประกอบที่ละเอียดอ่อนอิเล็กโทรดทั่วไปสร้างตัวเก็บประจุแบบดิฟเฟอเรนเชียลด้วยอิเล็กโทรดแบบแบน สัญญาณเอาต์พุตของเซ็นเซอร์เป็นสัดส่วนกับค่าความจุของตัวเก็บประจุดิฟเฟอเรนเชียลซึ่งขึ้นอยู่กับตำแหน่งของตัวเรือนในระนาบแนวตั้ง

inclinometer ได้รับการออกแบบให้มีการพึ่งพาเชิงเส้นของสัญญาณเอาต์พุตกับมุมเอียงในระนาบการทำงานหนึ่งที่เรียกว่าระนาบการทำงาน และในทางปฏิบัติจะไม่เปลี่ยนการอ่านในระนาบอื่น (ไม่ทำงาน) ในขณะที่สัญญาณของมันขึ้นอยู่กับอุณหภูมิเล็กน้อย การเปลี่ยนแปลง ในการกำหนดตำแหน่งของระนาบในอวกาศจะใช้เครื่องวัดความเอียงสองอันซึ่งทำมุม 90 °ซึ่งกันและกัน

inclinometers ขนาดเล็กที่มีสัญญาณเอาต์พุตไฟฟ้าตามสัดส่วนของมุมเอียงของเซ็นเซอร์เป็นอุปกรณ์ที่ค่อนข้างใหม่ ความแม่นยำสูง ขนาดเล็ก ไม่มีหน่วยเชิงกลที่เคลื่อนย้ายได้ ความสะดวกในการติดตั้งบนไซต์งาน และต้นทุนต่ำ ทำให้ไม่แนะนำให้ใช้เป็นเซ็นเซอร์ม้วนเท่านั้น แต่ยังควรใช้แทนเซ็นเซอร์วัดมุมด้วย ไม่เพียงเฉพาะกับที่ แต่ยังใช้ในการเคลื่อนที่ด้วย วัตถุ

เซ็นเซอร์ระดับของเหลวแบบ Capacitive

เครื่องส่งสัญญาณแบบคาปาซิทีฟสำหรับการวัดระดับของของเหลวที่ไม่นำไฟฟ้าประกอบด้วยตัวเก็บประจุสองตัวที่เชื่อมต่อแบบขนาน

เซ็นเซอร์ความดัน

หนึ่งในการออกแบบพื้นฐานของทรานสดิวเซอร์แรงดันแบบคาปาซิทีฟคือสเตเตอร์เดี่ยว ซึ่งใช้ในการวัดแรงดันสัมบูรณ์ (เซ็นเซอร์แรงดันไฟฟ้า).

เซ็นเซอร์ดังกล่าวประกอบด้วยเซลล์โลหะที่แบ่งออกเป็นสองส่วนด้วยไดอะแฟรมโลหะแบนที่ยืดแน่น ซึ่งด้านหนึ่งมีอิเล็กโทรดคงที่ซึ่งแยกออกจากร่างกายอิเล็กโทรดไดอะแฟรมสร้างความจุแปรผันซึ่งรวมอยู่ในวงจรการวัด เมื่อความดันเท่ากันทั้งสองด้านของไดอะแฟรม ทรานสดิวเซอร์จะสมดุล การเปลี่ยนแปลงของความดันในห้องใดห้องหนึ่งทำให้ไดอะแฟรมเสียรูปและเปลี่ยนความจุ ซึ่งถูกกำหนดโดยวงจรการวัด

ในการออกแบบแบบสองสถานี (ดิฟเฟอเรนเชียล) ไดอะแฟรมจะเคลื่อนที่ระหว่างเพลตคงที่สองแผ่นและแรงดันอ้างอิงจะถูกส่งไปยังหนึ่งในสองแชมเบอร์ ซึ่งให้การวัดโดยตรงของแรงดันดิฟเฟอเรนเชียล (ส่วนเกินหรือดิฟเฟอเรนเชียล) โดยมีข้อผิดพลาดน้อยที่สุด