Kapacitiv sensor: apparat och funktion. Kapacitiva sensorer: ansökan

Modern industri, och vardagliga mänskliga mänskliga aktiviteter också, är det omöjligt att föreställa sig utan alla typer av elektroniska apparater. De hjälper oss på alla sätt, och vissa tillverkningsprocesser för att utföra inte lyckas utan dem. Till dessa "hjälpare" bör även omfatta en kapacitiv sensor.

Så kallade omvandlare som gjorts av parametrisk typ. Mätning av en volym sådana anordningar sker genom variationer av kapacitans vid byte av några viktiga parametrar. Enkelt uttryckt, den uppskattade förändringen i kapacitans under påverkan av vissa yttre faktorer.

Arbetsprincipen hos den kapacitiva sensorn

Det är vad de kapacitiva sensorer. Principen för operationen är de inte så svårt, men att förstå det du behöver veta något. Till att börja med vi minns principen att bestämma kondensatorns kapacitans. Denna åtgärd är uttryckt genom följande formel:

C = εεₒS / δ.

Detta uttryck är känd för många från skolans fysik naturligtvis, men det skulle inte skada att friska upp minnet och minns, vilket innebär att varje av variablerna:

• S - område av kondensatorplattorna.
• E - relativa permittiviteten hos det dielektriska materialet som används i kondensatorkonstruktion.
• εₒ - som i fysik för att beteckna permittiviteten ledigt utrymme.
• δ - så det kan utses eller tjockleken hos den dielektriska plattan, eller avståndet mellan de olika skikten av material.

Således, från ovanstående formel att kapacitansen ändras lätt. Räcker det på något sätt verka på arean av plattan av dielektriskt material, ett avstånd mellan plattorna eller direkt med permeabiliteten som används vid tillverkningen av materialet. Således valet av särskilt värde beror enbart på listan över uppgifter som designers enhets har fastställts.

Således kan vi även göra en kapacitiv sensor med händerna, som ett konstruktivt perspektiv det är - den vanliga plana eller cylindriska kondensator, en platta av vilka ständigt upplever en kontrollerad rörelse i rymden, vilket leder till en förändring i kapacitans. Man bör komma ihåg att ovanstående formel är giltiga endast om du är helt försummar kanteffekter. Vi pratar mer om detta i det sista avsnittet i den här artikeln.

Det bör vara känt att sådana elektroniska apparater används i stor utsträckning för att mäta vinkel och linjära förskjutningar av objekt, beräkning av den storlek, den applicerade arbete, luftfuktighet, koncentration av aktiv substans och andra egenskaper. Med avseende på de strukturella aspekterna av frågan, då nämnda balar är tillverkade planparallell, i cylindriska höljen med stiftelektroder, med ett foder av ett dielektriskt material, och även utan den.

Så här fungerar kapacitiva sensorer. Principen för driften av vissa av dem behöver veta i detalj. I den här artikeln ger vi några formler som kan vara användbara för dig.

Formel för att beskriva principen för driften av vissa typer av sensorer

Nivåsensor med möjlig variation av kvadraten dielektriska plattor kan vara ganska enkelt beskrivs med följande ekvation:

C = εεₒaH / δ.

Med "X" i detta fall hänför sig till längden av överlappningen av elektroderna som används. I enlighet därmed, "a" betecknar bredden av plattorna i kondensatorn. Det bör noteras att sådana anordningar har använts i olika områden av industrin, där de används för noggrann mätning av vinkelvärden. kapacitet av omvandlaren i ett sådant fall hittas genom följande uttryck:

C = εεₒ (r₂- r ^) / 2δ * (φₒ-φ).

För att noggrant mäta känsligheten, bör du använda en något annorlunda formel:

K = εεₒ (r₂- r ^) / 2δ.

Låt oss se vad som menas med de variabler som ingår i dessa ekvationer:

• r ^ - innerradie av kondensatorplattorna;
• rj - yttre radie av samma platta;
• φ - mätt vid ögonblicket (verkliga) värdet av överlappningsvinkeln;
• φₒ - det initiala värdet på överlappningsvinkeln.

Slutligen förklarar vi det matematiska uttryck som beskriver den operativa principen om den kapacitiva mätare med justerbar luftspalt:

C = εεₒS / (δₒ-X).

Förutsägbart, en primär clearance δₒ förstås, bokstaven X är samma mängd av förskjutning av plattan. Var uppmärksam! Eftersom statiska egenskaper är inte strikt linjär, typiskt nivåsensorn av typen som används för att mäta mycket små förskjutningar, som inte kommer att överstiga den kvantitet 0,1δₒ. Naturligtvis är dessa enheter eftertraktad i finmekanik, där även små fel kan orsaka mycket allvarliga problem.

Där kan de användas?

Områden av eventuell tillämpning är oerhört varierande. Sålunda, i praktiskt taget alla branscher kan möta operationen, vilka styrs av dessa anordningar. De används för att styra fyllningen av de olika tankarna, och deras innehåll kan vara flytande, gasformig eller partikel (gassensor).

Förekomsten av industriella och normal mänsklig industriell verksamhet är högre, mer tillförlitlig och enklare att utforma sådana anordningar. Från kombinationen av dessa symtom, de är så bra att de kan användas även i extremt aggressiva förhållanden håller oljetankfartyg.

Vidare kan den kapacitiva sensorn användas som en gränslägesbrytare på transportörlinjen eller maskintillverkning butik. Det är nödvändigt och för den mest exakta placeringen av olika mekanismer.

närhetssensorer

Men nu i stora efterfrågan sensorer, som är gjorda av exakt samma princip. Utbudet av deras användning är ännu större. Detta beror på att öre kostnads enheter som kan arbeta i nästan alla typer av industri. Men det är typiska bransch där denna typ av utrustning är de mest populära:

• Kontroll av de vätskefyllda transparenta behållare av plast eller glas.
• En liknande funktion utförs av dem vid tillverkning av livsmedelsprodukter (inklusive barn), där den färdiga produkten förpackas i behållare av transparenta material. På samma princip baserade och arbetet av balen som en kapacitiv bränslegivare.
• För att övervaka riskområden, där det är möjligt brutna lindningstråd.
• Styr liknande ställen där transportören transportband kan skadas.
• Individuellt kontrollera den typ av produkter som produceras (omvandling av burkar, flaskor, förpackningar).

Inte överraskande, dessa elektroniska enheter är den vanligaste i finmekanik, kraftproduktion och många andra industrier olika sensorer.

inklinometrar

Enheter som blivit förhärskande endast i relativt senaste åren är liten storlek kapacitiv lutningsmätare som ger överföring elektrisk utsignal vars storlek är direkt proportionell mot vinkelsensor används.

Den vanligaste större användningsområde för dessa enheter: plattformsinriktningssystem, bestämning av deformationen och deformation av olika typer av teknisk support balkar, samt noggrann kontroll av väg, järnväg avvikelse vid tidpunkten för deras konstruktion.

Dessutom använder sådana anordningar bestämma roll av tunga lastbilar och andra fordon, hissar och industri grävmaskiner och fastställa graden av vinkelförskjutning för agrikulturella och industriella maskiner särskilt stora.

Mycket viktigt kapacitiva sensorer bränslenivån inom oljeindustrin. De används även i supertankers som bär på en resa tiotals och hundratals tusentals ton av raffinerade oljeprodukter. Dessa anordningar är extremt effektiva även i mycket riklig bildning av kondensat och en hög grad av dammproduktionsområde (samma gassensor).

De finner sin användning i mätvärdena i absoluta och relativa trycknivåer liksom tjockleken på det dielektriska materialet, vilket är oerhört viktigt i nästan alla branscher där verkligt kraftfulla kondensatorer används.

De främsta fördelarna med kapacitiva sensorer

Det bör noteras att den kapacitiva sensorn har många fördelar i jämförelse med liknande anordningar som är utformade på något olika principer. Låt oss lista de viktigaste fördelarna med dessa kip:

• Inom tillverkningsindustrin, de är extremt enkel. Dessutom kan de mest enkla och billiga material användas i produktionen. Även kapacitiva bränslenivågivare som används inom petroleumindustrin viktiga föremål har extremt blygsamma storlek har den lägsta möjliga förbrukning av elektrisk energi. Med alla dessa egenskaper, de skiljer sig utmärkt nivå av känslighet, vilket ofta är ouppnåeligt för de dyrare enheter.
• I princip kan det vara en kapacitiv sensor med händerna, använda som bas mer eller mindre tillförlitlig och hög kvalitet industriell kondensator.
• Kontakterna de har (mycket sällan en strömavtagare), vilket är mycket fördelaktigt för arbetet i förhållanden med hög damm och fukt.
• extremt lång livslängd, klarar enheten upprepade gånger för att "återta" deras låga kostnad. Följaktligen är den kapacitiva sensorn (vars pris är i intervallet 1200-1700 rubel) mycket lönsamt förvärvet.
• För att förflytta den rörliga delen av anordningen som krävs för att göra förvånansvärt liten ansträngning.
• Enheten är mycket lätt att kombinera med nästan alla typer av utrustning som används endast i industriell verksamhet.

negativa aspekter

Olyckligtvis har varje kapacitiv sensor vissa nackdelar, som i viss mån komplicerar den utbredda användningen av denna typ av utrustning. Vi listar dem mer i detalj:

• omvandlingsfaktor (dvs sändning) är relativt låg.
• Liten storlek och enkelhet av design bidrar till det faktum att de nominerade ganska höga krav på kvaliteten på screening enheter.
• God kapacitiv nivågivare (och andra liknande mätinstrument) kan fungera effektivt endast vid en frekvens som är mycket högre än standardvärdet på 50 Hz.

viktiga meddelanden

Men allt är inte så illa. Många tillverkare söker utmärkta skärmegenskaper sensorerna genom att göra mindre förändringar i sin struktur. Som för användningsfrekvensen, i praktiken de visar utmärkta resultat i omfattande industriell värde av 400 Hz.

Vi har redan talat om lojalitet till grundformeln endast om ignorera kanteffekten. Men det är bra att veta att det verkligen kan ha en negativ effekt endast i händelse av att avståndet mellan de dielektriska plattorna är jämförbar med sin egen storlek. Dessutom kan den negativa effekten till stor del neutralisera helt enkelt använda skyddsringen. I detta fall kan effekten av effekterna gräns inte överföra långt utöver de använda plattorna.

Än en gång kan vi konstatera att samma trycksensorer kännetecknas av en anmärkningsvärd enkelhet, vilket gör det möjligt att skapa ett fantastiskt stabil, hållbar och billig konstruktion. Om du väljer rätt geometriska dimensioner som används dielektrikum används vid tillverkning av en sådan kondensator material kan inte särskilt orolig.

Sålunda, korrekt plocka upp metallstämpel för framställning av sensorhuset, är det praktiskt taget försumbara även starka temperatursvängningar som kan resultera i en förändring i kapacitans hos anordningen och dess otillräckliga avläsningar. Naturligtvis är detta inte undanröja behovet att utföra noggranna isolerade tryckgivare och andra sådana indikatorer för aggressiva miljöfaktorer. Trots sin enkelhet, kan hög fuktighet och förhöjda nivåer av strålning påverkar tillförlitligheten hos anordningen negativt.

klassificering av sensorer

Används i industriella processer för deras framställning gör att du kan dela alla typer av sensorer som tillverkas i två stora grupper: odnoemkostnye och dvuhemkostnye. Det senare slaget är uppdelad i differential- och poludifferentsialnye. Låt oss betrakta dem mer i detalj.

Odnoemkostny anordning. I detta fall den kapacitiva sensorkretsen extremt enkel, eftersom deras huvudsakliga delen är den vanligaste kondensator med variabel kapacitans. Tyvärr, även en något ökad fuktighet och temperatur har på noggrannheten indikationer mycket påtagliga effekter. På grund av detta finns det olika sensorer ofta fel. För att neutralisera omfattningen av sådana fel, är det nödvändigt att använda differentierad struktur.

Dvuhemkostny sensor. Egentligen är det just en sådan differentierad struktur. Det är ofta möjligt att uppfylla den kapacitiva nivågivaren är tillverkad av ett sådant system. Dessa enheter levereras från de viktigaste nackdelarna med den tidigare modellen, men har sina egna svagheter. Den mest betydande nackdel är behovet att använda två eller tre skärmade ledare mellan själva anordningen och ytan, eftersom det endast på detta sätt kan undertrycka den s.k. parasitkapacitans.

Men en ganska sofistikerad system av kapacitiva sensorer i detta fall är det lätt att ignorera, eftersom i gengäld får du en extremt noggrann och känslig anordning.

konstruera sensorer Specificitet

I många fall (från designsynpunkt) skapandet av sådana anordningar är problematisk. Detta gäller särskilt när du vill skapa en sensor med varierande nivåer av kapacitet. Erfarenheten visar dock att många av de problem löses nästan helt korrekt kalibrering och högpresterande material som används i produktionen. Oftast dessa svårigheter producenterna står inför dvuhemkostnyh sensorer.

I allmänhet, specificiteten för denna typ av mätanordningar är att de kan representeras som en dimensionslös förhållande av två fysikaliska storheter (behållare), som har en exakt fysisk uttryck och mening. Så att de säkert kan kallas "sonder relationen." Fördelen med dessa enheter (dem stort plus!) Är att de i allmänhet inte kan ha i sin design några extraordinära åtgärder som kyler förbättrar tillförlitligheten i riktigt extrema situationer och förhållanden.

Karakterisering av längdmätsystem

Alla icke-elektriska värden, som ofta krävs för att styra i en industriell miljö, är det extremt varierande och mångfacetterat. En betydande del av de åtgärder som är föremål för stränga kontroller, gör vinkel- och linjära rörelser även olika typer av ytor i rymden. Om du använder en kondensator som har absolut likformigt elektriskt fält i gapet, är det inte så svårt att göra elektroniska sensorer två av följande typer:

• I vilket område av elektroderna är variabel.
• De som har en variabel gap mellan elektroderna.

Det är lätt att förstå att den första typen är mest lämpad för att fixa riktigt stora förskjutningar, medan med hjälp av den andra typen kan man även märka sådana rörelser i kroppen i rymden, vars storlek bara är några mikron!

Vinkelförskjutningssensorer

I allmänhet är de genom design och syfte nästan helt identiska med den typ som just beaktats. Likheten manifesteras i det faktum att sensorer med ett varierande område av elektroder också bör användas för stora mätningar och med ett avstånd mellan elektroderna själva för små. Sådana anordningar görs som regel i flera sektioner, med möjlighet att ändra kondensatorplattans yta.

För att uppnå detta är den första elektroden fäst vid den rörliga axeln, vid rotation av vilken den ändrar sin position i förhållande till den andra, vilket säkerställer en ändring i de dielektriska plattornas överlappningsområde i kondensatorn. Naturligtvis är kapacitansförändringen på samma gång fixerad.

rön

Så vi undersökte de viktigaste egenskaperna hos enheter på denna nivå, lärde sig om användningsområdena, designens egenskaper, principen om drift och möjliga tekniska lösningar. Som du kan förstå från artikeln är utbredningen av kapacitiva sensorer och deras extremt höga popularitet baserade på det mycket attraktiva priset för sådana apparater och den långa livslängden även i svåra miljöer.

Allt detta är möjligt tack vare det faktum att alla dessa mätare från en konstruktiv synpunkt bara är standardkondensatorer, som kännetecknas av ett något ovanligt sätt att använda dem. Men du kan själv ta reda på det här genom att titta igen på matematiska formler som generellt sett speglar principerna för instrumentationens funktion.