Sensor kapasitif

Sensor kapasitif disebut transduser tipe parametrik di mana perubahan nilai terukur diubah menjadi perubahan kapasitansi.

Aplikasi Sensor Kapasitif

Aplikasi yang mungkin untuk sensor kapasitif sangat beragam. Mereka digunakan dalam pengaturan proses industri dan sistem kontrol di hampir semua industri. Sensor kapasitif digunakan untuk mengontrol pengisian tangki dengan zat cair, bubuk atau butiran, seperti sakelar batas pada jalur otomatis, konveyor, robot, pusat permesinan, mesin pemotong logam, dalam sistem sinyal, untuk memposisikan berbagai mekanisme, dll.

Saat ini, sensor jarak (kehadiran) yang paling tersebar luas, yang selain keandalannya, juga memiliki berbagai keunggulan. Dengan biaya yang relatif rendah, sensor jarak mencakup berbagai arah dalam penerapannya di semua industri. Area penggunaan umum untuk sensor kapasitif jenis ini adalah:

• pensinyalan untuk mengisi wadah plastik atau kaca;

• kontrol tingkat pengisian paket transparan;

• alarm kerusakan koil;

• penyesuaian ketegangan sabuk;

• sebagian akun dalam bentuk apa pun, dll.

Encoder linier dan sudut kapasitif adalah perangkat yang paling umum, banyak digunakan dalam rekayasa dan transportasi, konstruksi dan energi, di berbagai kompleks pengukuran.

Perangkat yang relatif baru yang telah digunakan secara luas dalam industri dalam beberapa tahun terakhir telah menjadi inclinometer kapasitif berukuran kecil dengan sinyal keluaran listrik yang sebanding dengan sudut kemiringan sensor…. Area penerapan inklinometer berikut dapat dianggap sebagai yang utama: penggunaan dalam sistem leveling platform, penentuan penyimpangan dan deformasi berbagai jenis penyangga dan balok, kontrol sudut kemiringan jalan dan rel kereta api selama konstruksi, perbaikan, dan pengoperasiannya, menentukan gulungan mobil, kapal dan robot bawah air, kerekan dan derek, ekskavator, mesin pertanian, menentukan perpindahan sudut berbagai jenis benda berputar - poros, roda, mekanisme kotak roda gigi pada benda diam dan bergerak .

Sensor level kapasitif digunakan dalam sistem kontrol, regulasi, dan manajemen proses produksi di industri makanan, farmasi, kimia, penyulingan minyak. Mereka efektif saat bekerja dengan cairan, bahan curah, suspensi, zat kental (konduktif dan non-konduktif), serta dalam kondisi kondensasi, debu.

Sensor kapasitif juga digunakan di berbagai industri untuk mengukur tekanan absolut dan pengukur, ketebalan bahan dielektrik, kelembapan udara, regangan, percepatan sudut dan linier, dll.

Kelebihan sensor kapasitif dibandingkan jenis sensor lainnya

Sensor kapasitif menawarkan sejumlah keunggulan dibandingkan jenis sensor lainnya. Keuntungan mereka meliputi:

• kemudahan produksi, penggunaan bahan murah untuk produksi; — ukuran dan berat kecil; — konsumsi energi rendah; - sensitivitas tinggi;

• kurangnya kontak (dalam beberapa kasus — satu kolektor saat ini);

• umur panjang;

• kebutuhan akan gaya yang sangat kecil untuk menggerakkan bagian yang bergerak dari sensor kapasitif;

• kemudahan menyesuaikan bentuk sensor dengan tugas dan desain yang berbeda;

Kerugian dari sensor kapasitif

Kerugian dari sensor kapasitif meliputi:

• koefisien transfer (konversi) yang relatif kecil;

• persyaratan tinggi untuk melindungi bagian;

• kebutuhan untuk bekerja pada frekuensi yang lebih tinggi (dibandingkan dengan 50 Hz);

Namun, dalam kebanyakan kasus, pelindung yang memadai dapat dicapai karena desain sensor, dan praktik menunjukkan bahwa sensor kapasitif memberikan hasil yang baik pada frekuensi 400 Hz yang digunakan secara luas. Sifat yang permanen kapasitor efek tepi menjadi signifikan hanya jika jarak antara pelat sebanding dengan dimensi linier permukaan yang dipertimbangkan. Efek ini dapat dihilangkan sampai batas tertentu melalui cincin pelindung, yang memungkinkan untuk mengalihkan pengaruhnya di luar batas permukaan pelat yang sebenarnya digunakan untuk pengukuran.

Sensor kapasitif luar biasa karena kesederhanaannya, yang memungkinkan desain yang kuat dan andal. Parameter kapasitor hanya bergantung pada karakteristik geometris dan tidak bergantung pada sifat bahan yang digunakan jika bahan ini dipilih dengan benar. Oleh karena itu, pengaruh suhu pada perubahan permukaan dan jarak pelat dapat diabaikan dengan memilih kelas logam yang sesuai untuk pelat dan insulasi untuk pemasangannya. Tetap hanya untuk melindungi sensor dari faktor lingkungan yang dapat merusak isolasi antara pelat - dari debu, korosi, kelembaban, radiasi pengion.

Kualitas berharga dari sensor kapasitif - sejumlah kecil gaya mekanis yang diperlukan untuk menggerakkan bagian yang dapat digerakkan, kemampuan untuk menyesuaikan output dari sistem pelacakan, dan akurasi operasi yang tinggi - membuat sensor kapasitif sangat diperlukan dalam perangkat di mana kesalahan hanya seperseratus dan bahkan seperseribu persen diperbolehkan.

Jenis konverter kapasitif dan fitur desainnya

Biasanya, sensor kapasitif adalah kapasitor datar atau silinder, yang salah satu pelatnya mengalami gerakan terkontrol, menyebabkan perubahan kapasitansi. Mengabaikan efek akhir, kapasitansi untuk kapasitor datar dapat dinyatakan sebagai berikut:

dimana ε Konstanta dielektrik relatif dari medium yang tertutup di antara pelat, C dan e - luas pelat yang dipertimbangkan dan, karenanya, jarak di antara keduanya.

Transduser kapasitif dapat digunakan untuk mengukur berbagai besaran dalam tiga arah, bergantung pada hubungan fungsional besaran non-listrik yang diukur dengan parameter berikut:

• konstanta dielektrik variabel dari medium ε;

• luas tumpang tindih pelat C;

• perbedaan jarak antar pelat e.

Dalam kasus pertama, transduser kapasitif dapat digunakan untuk menganalisis komposisi zat, karena konstanta dielektrik merupakan fungsi dari sifat-sifat zat. Dalam hal ini, nilai input alami konverter adalah komposisi zat yang mengisi ruang di antara pelat. Transduser kapasitif jenis ini sangat banyak digunakan dalam mengukur kadar air padatan dan cairan, ketinggian cairan, serta dalam menentukan dimensi geometrik benda kecil. Dalam kebanyakan kasus penggunaan praktis transduser kapasitif, nilai input alaminya adalah perpindahan geometrik elektroda relatif satu sama lain Berdasarkan prinsip ini, sensor perpindahan linier dan sudut, perangkat untuk mengukur gaya, getaran, kecepatan dan percepatan, sensor untuk kedekatan, sensor tekanan dan regangan (ekstensometer).

Klasifikasi Sensor Kapasitif

Dalam hal implementasi, semua transduser pengukur kapasitif dapat dibagi menjadi sensor kapasitif tunggal dan kapasitif ganda. Yang terakhir adalah diferensial dan semi-diferensial.

Sensor kapasitansi tunggal memiliki desain yang sederhana dan merupakan kapasitor variabel tunggal. Kerugiannya termasuk pengaruh signifikan dari faktor eksternal seperti kelembaban dan suhu.Untuk mengkompensasi kesalahan ini, terapkan desain diferensial... Kerugian dari sensor semacam itu dibandingkan dengan kapasitansi tunggal adalah kebutuhan untuk setidaknya tiga (bukan dua) kabel penghubung berpelindung antara sensor dan alat pengukur untuk menekan so- disebut kapasitansi parasit. Namun, kelemahan ini terbayar dengan peningkatan yang signifikan dalam akurasi, stabilitas, dan perluasan bidang penerapan perangkat tersebut.

Dalam beberapa kasus, sensor kapasitif diferensial sulit dibuat karena alasan desain (ini terutama berlaku untuk sensor diferensial celah variabel). Namun, jika pada saat yang sama sebuah kapasitor teladan ditempatkan di rumah yang sama dengan yang berfungsi dan mereka seidentik mungkin dalam desain, dimensi dan bahan yang digunakan, maka sensitivitas seluruh perangkat yang jauh lebih rendah terhadap pengaruh destabilisasi eksternal akan terjadi. dipastikan. Dalam kasus seperti itu, kita dapat berbicara tentang sensor kapasitif semi-diferensial, yang, seperti sensor diferensial, mengacu pada sensor bi-kapasitif.

Kekhususan parameter keluaran sensor dua volume, yang direpresentasikan sebagai rasio tanpa dimensi dari kuantitas fisik dua dimensi (dalam kasus kami, kapasitansi), memberikan alasan untuk menyebutnya sensor rasio. Saat menggunakan sensor kapasitansi ganda, alat pengukur mungkin tidak mengandung ukuran kapasitansi standar sama sekali, yang berkontribusi pada peningkatan akurasi pengukuran.

Encoder perpindahan linier

Kuantitas non-listrik yang akan diukur dan dikendalikan banyak dan beragam. Bagian penting dari mereka adalah perpindahan linier dan sudut. Berdasarkan kapasitor itu Medan listrik dua jenis utama sensor perpindahan kapasitif dapat dibuat secara seragam di celah kerja:

• dengan area elektroda variabel;

• dengan celah variabel antara elektroda.

Sangat jelas bahwa yang pertama lebih nyaman untuk mengukur perpindahan besar (satuan, puluhan dan ratusan milimeter), dan yang terakhir untuk mengukur perpindahan kecil dan sangat kecil (bagian dari satu milimeter, mikrometer dan kurang).

Encoder sudut

Transduser kapasitif perpindahan sudut pada prinsipnya mirip dengan transduser kapasitif perpindahan linier, dan sensor area variabel juga lebih cocok dalam kasus rentang pengukuran yang tidak terlalu kecil (mulai dari satuan derajat), dan sensor kapasitif celah sudut variabel dapat berhasil digunakan untuk mengukur perpindahan sudut kecil dan ultra-kecil. Biasanya, transduser multi-bagian dengan luas pelat kapasitor variabel digunakan untuk perpindahan sudut.

Dalam sensor seperti itu, salah satu elektroda kapasitor dipasang ke poros objek, dan selama rotasi dipindahkan relatif ke stasioner, mengubah area tumpang tindih pelat kapasitor. Ini, pada gilirannya, menyebabkan perubahan kapasitansi yang ditangkap oleh rangkaian pengukur.

Inclinometer

Inclinometer (sensor kemiringan) adalah transduser kemiringan kapasitif diferensial yang mencakup elemen penginderaan berbentuk kapsul.

Inclinometer kapasitif

Kapsul terdiri dari substrat dengan dua elektroda datar 1, ditutupi dengan lapisan isolasi, dan badan 2, dipasang secara hermetis ke substrat. Rongga bagian dalam tubuh sebagian diisi dengan cairan konduktif 3, yang merupakan elektroda umum dari elemen sensitif.Elektroda umum membentuk kapasitor diferensial dengan elektroda datar. Sinyal keluaran sensor sebanding dengan nilai kapasitansi kapasitor diferensial, yang secara linier bergantung pada posisi rumahan pada bidang vertikal.

Inclinometer dirancang untuk memiliki ketergantungan linier dari sinyal keluaran pada sudut kemiringan di satu bidang kerja yang disebut dan secara praktis tidak mengubah pembacaan di bidang lain (tidak berfungsi), sementara sinyalnya sangat bergantung pada suhu. perubahan. Untuk menentukan posisi pesawat di ruang angkasa, digunakan dua inclinometer yang terletak pada sudut 90 ° satu sama lain.

Inclinometer berukuran kecil dengan sinyal keluaran listrik sebanding dengan sudut kemiringan sensor adalah perangkat yang relatif baru. Akurasi tinggi, ukuran mini, kurangnya unit mekanis yang dapat dipindahkan, kemudahan pemasangan di lokasi dan biaya rendah membuatnya disarankan untuk menggunakannya tidak hanya sebagai sensor gulungan, tetapi juga untuk mengganti sensor sudut dengannya, tidak hanya diam tetapi juga bergerak. objek.

Sensor level cairan kapasitif

Pemancar kapasitif untuk mengukur level cairan non-konduktif terdiri dari dua kapasitor yang terhubung secara paralel

Sensor tekanan

Salah satu desain dasar transduser tekanan kapasitif adalah stator tunggal, yang digunakan untuk mengukur tekanan absolut (sensor tekanan listrik).

Sensor semacam itu terdiri dari sel logam yang dibagi menjadi dua bagian oleh diafragma logam datar yang direntangkan rapat, di satu sisi terdapat elektroda tetap yang diisolasi dari tubuh.Elektroda diafragma membentuk kapasitansi variabel, yang termasuk dalam rangkaian pengukur. Ketika tekanan sama di kedua sisi diafragma, transduser seimbang. Perubahan tekanan di salah satu bilik merusak diafragma dan mengubah kapasitansi, yang ditetapkan oleh sirkuit pengukur.

Dalam desain dua stasiun (diferensial), diafragma bergerak di antara dua pelat tetap dan tekanan referensi disuplai ke salah satu dari dua ruang, yang menyediakan pengukuran langsung tekanan diferensial (kelebihan atau diferensial) dengan kesalahan terkecil.