Penderia kapasitif

Sensor kapasitif dipanggil transduser jenis parametrik di mana perubahan dalam nilai yang diukur ditukar kepada perubahan dalam kapasiti.

Aplikasi Sensor Kapasitif

Aplikasi yang mungkin untuk penderia kapasitif sangat pelbagai. Ia digunakan dalam peraturan proses industri dan sistem kawalan di hampir semua industri. Penderia kapasitif digunakan untuk mengawal pengisian tangki dengan cecair, serbuk atau bahan berbutir, seperti suis had pada talian automatik, penghantar, robot, pusat pemesinan, mesin pemotong logam, dalam sistem isyarat, untuk meletakkan pelbagai mekanisme, dsb.

Pada masa ini, yang paling meluas ialah sensor kedekatan (kehadiran), yang, sebagai tambahan kepada kebolehpercayaan mereka, juga mempunyai pelbagai kelebihan. Dengan kos yang agak rendah, penderia kehampiran meliputi pelbagai hala tuju dalam aplikasinya dalam semua industri. Bidang penggunaan biasa untuk sensor kapasitif jenis ini ialah:

• isyarat untuk mengisi bekas plastik atau kaca;

• kawalan tahap pengisian bungkusan telus;

• penggera pecah gegelung;

• pelarasan ketegangan tali pinggang;

• akaun separa dalam apa jua bentuk, dsb.

Pengekod linear dan sudut kapasitif ialah peranti yang paling biasa, digunakan secara meluas dalam kejuruteraan dan pengangkutan, pembinaan dan tenaga, dalam pelbagai kompleks pengukur.

Peranti yang agak baharu yang telah digunakan secara meluas dalam industri sejak beberapa tahun kebelakangan ini telah menjadi inklinometer kapasitif bersaiz kecil dengan isyarat keluaran elektrik berkadar dengan sudut kecondongan penderia…. Bidang penggunaan inklinometer berikut boleh dianggap sebagai yang utama: penggunaan dalam sistem perataan platform, penentuan sisihan dan ubah bentuk pelbagai jenis sokongan dan rasuk, kawalan sudut kecondongan jalan dan kereta api semasa pembinaan, pembaikan dan operasinya, menentukan gulungan kereta, kapal dan robot bawah air, angkat dan kren, jengkaut, jentera pertanian, menentukan anjakan sudut pelbagai jenis objek berputar - aci, roda, mekanisme kotak gear pada kedua-dua objek pegun dan bergerak .

Penderia tahap kapasitif digunakan dalam sistem kawalan, pengawalseliaan dan pengurusan proses pengeluaran dalam industri makanan, farmaseutikal, kimia, penapisan minyak. Mereka berkesan apabila bekerja dengan cecair, bahan pukal, penggantungan, bahan likat (konduktif dan bukan konduktif), serta dalam keadaan pemeluwapan, debu.

Penderia kapasitif juga digunakan dalam pelbagai industri untuk mengukur tekanan mutlak dan tolok, ketebalan bahan dielektrik, kelembapan udara, terikan, pecutan sudut dan linear, dsb.

Kelebihan sensor kapasitif berbanding jenis sensor lain

Penderia kapasitif menawarkan beberapa kelebihan berbanding jenis penderia lain. Kelebihan mereka termasuk:

• kemudahan pengeluaran, penggunaan bahan murah untuk pengeluaran; - saiz kecil dan berat; - penggunaan tenaga yang rendah; - sensitiviti tinggi;

• kekurangan kenalan (dalam beberapa kes - satu pengumpul semasa);

• hayat perkhidmatan yang panjang;

• keperluan untuk daya yang sangat kecil untuk menggerakkan bahagian bergerak sensor kapasitif;

• kemudahan menyesuaikan bentuk sensor kepada tugas dan reka bentuk yang berbeza;

Kelemahan sensor kapasitif

Kelemahan sensor kapasitif termasuk:

• pekali pemindahan (penukaran) yang agak kecil;

• keperluan tinggi untuk bahagian pelindung;

• keperluan untuk bekerja pada frekuensi yang lebih tinggi (berbanding 50 Hz);

Walau bagaimanapun, dalam kebanyakan kes, perisai yang mencukupi boleh dicapai disebabkan reka bentuk penderia, dan amalan menunjukkan bahawa penderia kapasitif memberikan hasil yang baik pada frekuensi 400 Hz yang digunakan secara meluas. Inheren kapasitor kesan tepi menjadi ketara hanya apabila jarak antara plat adalah setanding dengan dimensi linear permukaan yang sedang dipertimbangkan. Kesan ini boleh dihapuskan sedikit sebanyak melalui cincin pelindung, yang memungkinkan untuk mengalihkan pengaruhnya melebihi had permukaan plat yang sebenarnya digunakan untuk pengukuran.

Penderia kapasitif adalah luar biasa kerana kesederhanaannya, yang membolehkan reka bentuk yang mantap dan boleh dipercayai. Parameter kapasitor hanya bergantung pada ciri geometri dan tidak bergantung pada sifat bahan yang digunakan, jika bahan ini dipilih dengan betul. Oleh itu, kesan suhu pada perubahan permukaan dan jarak plat boleh diabaikan kecil dengan memilih gred logam yang sesuai untuk plat dan penebat untuk lampirannya. Ia kekal hanya untuk melindungi sensor daripada faktor persekitaran yang boleh merosakkan penebat antara plat - daripada habuk, kakisan, kelembapan, sinaran mengion.

Kualiti berharga penderia kapasitif — sejumlah kecil daya mekanikal yang diperlukan untuk menggerakkan bahagian alihnya, keupayaan untuk melaraskan output sistem penjejakan, dan ketepatan operasi yang tinggi — menjadikan penderia kapasitif amat diperlukan dalam peranti yang ralat hanya seperseratus dan bahkan perseribu peratus dibenarkan.

Jenis penukar kapasitif dan ciri reka bentuknya

Biasanya, sensor kapasitif ialah kapasitor rata atau silinder, salah satu daripada platnya mengalami pergerakan terkawal, menyebabkan perubahan dalam kapasiti. Mengabaikan kesan akhir, kapasitansi untuk kapasitor rata boleh dinyatakan seperti berikut:

di mana ε Pemalar dielektrik relatif bagi medium yang tertutup di antara plat, C dan e - luas plat yang dipertimbangkan dan, dengan itu, jarak antara mereka.

Transduser kapasitif boleh digunakan untuk mengukur pelbagai kuantiti dalam tiga arah, bergantung pada hubungan fungsi kuantiti bukan elektrik yang diukur dengan parameter berikut:

• pemalar dielektrik pembolehubah bagi medium ε;

• kawasan bertindih plat C;

• jarak yang berbeza antara plat e.

Dalam kes pertama, transduser kapasitif boleh digunakan untuk menganalisis komposisi bahan, kerana pemalar dielektrik adalah fungsi sifat bahan. Dalam kes ini, nilai input semula jadi penukar akan menjadi komposisi bahan yang mengisi ruang antara plat. Transduser kapasitif jenis ini digunakan secara meluas terutamanya dalam mengukur kandungan lembapan pepejal dan cecair, paras cecair, serta dalam menentukan dimensi geometri objek kecil. Dalam kebanyakan kes penggunaan praktikal transduser kapasitif, nilai input semula jadinya ialah anjakan geometri elektrod berbanding satu sama lain. Berdasarkan prinsip ini, penderia anjakan linear dan sudut, peranti untuk mengukur daya, getaran, kelajuan dan pecutan, penderia untuk kedekatan, tekanan dan penderia terikan (ekstensometer).

Klasifikasi Penderia Kapasitif

Dari segi pelaksanaan, semua transduser pengukur kapasitif boleh dibahagikan kepada sensor kapasitif tunggal dan dua kapasitif. Yang terakhir adalah pembezaan dan separa pembezaan.

Penderia kapasitans tunggal adalah mudah dalam reka bentuk dan merupakan kapasitor boleh ubah tunggal. Kelemahannya termasuk pengaruh ketara faktor luaran seperti kelembapan dan suhu.Untuk mengimbangi ralat ini, gunakan reka bentuk pembezaan... Kelemahan penderia tersebut berbanding dengan kapasitans tunggal ialah keperluan untuk sekurang-kurangnya tiga (bukannya dua) wayar penyambung berperisai antara penderia dan peranti pengukur untuk menekan so- dipanggil kapasitans parasit. Walau bagaimanapun, kelemahan ini dilunaskan dengan peningkatan ketara dalam ketepatan, kestabilan dan pengembangan bidang aplikasi peranti sedemikian.

Dalam sesetengah kes, penderia kapasitif pembezaan sukar dibuat atas sebab reka bentuk (ini terutama berlaku untuk penderia pembezaan jurang pembolehubah). Walau bagaimanapun, jika pada masa yang sama sebuah kapasitor teladan diletakkan di dalam perumahan yang sama dengan yang berfungsi dan ia adalah sama seperti yang mungkin dalam reka bentuk, dimensi dan bahan yang digunakan, maka kepekaan yang jauh lebih rendah dari keseluruhan peranti kepada pengaruh ketidakstabilan luaran akan menjadi. dipastikan . Dalam kes sedemikian, kita boleh bercakap tentang sensor kapasitif separa pembeza, yang, seperti pembezaan, merujuk kepada penderia bi-kapasitif.

Kekhususan parameter keluaran bagi penderia dua volum, yang diwakili sebagai nisbah tak berdimensi bagi kuantiti fizik dua dimensi (dalam kes kami, kapasitansi), memberikan sebab untuk memanggilnya sebagai penderia nisbah. Apabila menggunakan penderia kapasitans dwi, ​​peranti pengukur mungkin tidak mengandungi sebarang ukuran kapasitans standard sama sekali, yang menyumbang kepada peningkatan ketepatan pengukuran.

Pengekod anjakan linear

Kuantiti bukan elektrik yang perlu diukur dan dikawal adalah banyak dan pelbagai. Sebahagian penting daripadanya ialah anjakan linear dan sudut. Berdasarkan kapasitor yang medan elektrik dua jenis utama penderia anjakan kapasitif boleh dibuat secara seragam dalam jurang kerja:

• dengan kawasan elektrod berubah-ubah;

• dengan jurang pembolehubah antara elektrod.

Agak jelas bahawa yang pertama lebih mudah untuk mengukur anjakan besar (unit, puluhan dan ratusan milimeter), dan yang kedua untuk mengukur anjakan kecil dan ultra-kecil (bahagian milimeter, mikrometer dan kurang).

Pengekod sudut

Transduser kapasitif anjakan sudut pada dasarnya serupa dengan transduser kapasitif anjakan linear, dan sensor kawasan berubah-ubah juga lebih sesuai dalam kes julat ukuran yang tidak terlalu kecil (bermula dari unit darjah), dan sensor kapasitif sudut-jurang berubah. boleh berjaya digunakan untuk mengukur anjakan sudut kecil dan ultra-kecil. Biasanya, transduser berbilang bahagian dengan luas plat kapasitor berubah digunakan untuk anjakan sudut.

Dalam sensor sedemikian, salah satu elektrod kapasitor dilekatkan pada aci objek, dan semasa putaran ia disesarkan berbanding dengan pegun, mengubah kawasan pertindihan plat kapasitor. Ini, seterusnya, menyebabkan perubahan dalam kapasiti yang ditangkap oleh litar pengukur.

Inclinometers

Inclinometer (sensor kecondongan) ialah transduser kecondongan kapasitif pembezaan yang merangkumi elemen penderiaan berbentuk kapsul.

Inclinometer kapasitif

Kapsul terdiri daripada substrat dengan dua elektrod rata 1, ditutup dengan lapisan penebat, dan badan 2, diikat secara hermetik pada substrat. Rongga dalaman badan sebahagiannya diisi dengan cecair konduktif 3, yang merupakan elektrod biasa bagi unsur sensitif.Elektrod biasa membentuk kapasitor pembezaan dengan elektrod rata. Isyarat keluaran sensor adalah berkadar dengan nilai kapasitansi kapasitor pembezaan, yang secara linear bergantung pada kedudukan perumahan dalam satah menegak.

Inclinometer direka bentuk untuk mempunyai pergantungan linear isyarat keluaran pada sudut kecondongan dalam satu satah kerja yang dipanggil dan secara praktikal tidak mengubah bacaan dalam satah lain (tidak berfungsi), manakala isyaratnya bergantung pada suhu yang lemah. perubahan. Untuk menentukan kedudukan satah di angkasa, dua inklinometer digunakan, terletak pada sudut 90 ° antara satu sama lain.

Inclinometer bersaiz kecil dengan isyarat keluaran elektrik yang berkadar dengan sudut kecondongan sensor adalah peranti yang agak baharu. Ketepatan tinggi, saiz kecil, kekurangan unit mekanikal boleh alih, kemudahan pemasangan di tapak dan kos rendah menjadikannya dinasihatkan untuk menggunakannya bukan sahaja sebagai penderia roll, tetapi juga untuk menggantikan penderia sudut dengannya, bukan sahaja pegun tetapi juga bergerak. objek.

Penderia aras cecair kapasitif

Pemancar kapasitif untuk mengukur tahap cecair bukan konduktif terdiri daripada dua kapasitor yang disambungkan secara selari

Penderia tekanan

Salah satu reka bentuk asas transduser tekanan kapasitif ialah pemegun tunggal, yang digunakan untuk mengukur tekanan mutlak (penderia tekanan elektrik).

Sensor sedemikian terdiri daripada sel logam yang dibahagikan kepada dua bahagian oleh diafragma logam rata yang diregangkan dengan ketat, di satu sisinya terdapat elektrod tetap yang diasingkan dari badan.Elektrod diafragma membentuk kapasiti pembolehubah, yang termasuk dalam litar pengukur. Apabila tekanan adalah sama pada kedua-dua belah diafragma, transduser adalah seimbang. Perubahan dalam tekanan dalam salah satu ruang mengubah bentuk diafragma dan menukar kapasitansi, yang ditetapkan oleh litar pengukur.

Dalam reka bentuk dua stesen (pembezaan), diafragma bergerak antara dua plat tetap dan tekanan rujukan dibekalkan kepada salah satu daripada dua ruang, yang menyediakan pengukuran langsung tekanan pembezaan (lebihan atau pembezaan) dengan ralat terkecil.