Kapacitatīvie sensori

Kapacitatīvo sensoru sauc par parametriskā tipa devēju, kur izmērītās vērtības izmaiņas tiek pārvērstas kapacitātes izmaiņās.

Kapacitatīvo sensoru lietojumprogrammas

Iespējamie kapacitatīvo sensoru pielietojumi ir ļoti dažādi. Tos izmanto rūpniecisko procesu regulēšanas un kontroles sistēmās gandrīz visās nozarēs. Kapacitatīvos sensorus izmanto, lai kontrolētu tvertņu piepildīšanu ar šķidrām, pulverveida vai granulētām vielām, piemēram, gala slēdži uz automatizētajām līnijām, konveijeri, roboti, apstrādes centri, metāla griešanas mašīnas, signālu sistēmās, dažādu mehānismu pozicionēšanai u.c.

Šobrīd visizplatītākie ir tuvuma (klātbūtnes) sensori, kuriem papildus uzticamībai ir arī plašs priekšrocību klāsts. Ar salīdzinoši zemām izmaksām tuvuma sensori aptver plašu virziena diapazonu, to pielietojot visās nozarēs. Šāda veida kapacitatīvo sensoru tipiskās lietošanas jomas ir:

• signalizācija plastmasas vai stikla taru pildīšanai;

• caurspīdīgo iepakojumu pildījuma līmeņa kontrole;

• spoles pārrāvuma signalizācija;

• jostas spriegojuma regulēšana;

• jebkāda veida daļējs konts utt.

Kapacitatīvie lineārie un leņķa kodētāji ir visizplatītākās ierīces, ko plaši izmanto inženierzinātnēs un transportā, celtniecībā un enerģētikā, dažādos mērīšanas kompleksos.

Salīdzinoši jaunas ierīces, kas pēdējos gados ir plaši izmantotas rūpniecībā, ir kļuvušas par maza izmēra kapacitatīviem inklinometriem ar elektrisko izejas signālu, kas ir proporcionāls sensora slīpuma leņķim. Par galvenajām var uzskatīt šādas slīpuma mērītāju pielietojuma jomas: izmantošana platformu nivelēšanas sistēmās, dažāda veida balstu un siju noviržu un deformāciju noteikšana, autoceļu un dzelzceļu slīpuma leņķu kontrole to būvniecības, remonta un ekspluatācijas laikā, automašīnu, kuģu un zemūdens robotu, pacēlāju un celtņu, ekskavatoru, lauksaimniecības tehnikas rites noteikšana, dažāda veida rotējošo priekšmetu - vārpstu, riteņu, ātrumkārbu mehānismu - leņķiskā nobīdes noteikšana gan uz nekustīgiem, gan kustīgiem objektiem .

Kapacitatīvos līmeņa sensorus izmanto vadības sistēmās, ražošanas procesu regulēšanā un vadībā pārtikas, farmācijas, ķīmijas, naftas pārstrādes nozarēs. Tie ir efektīvi, strādājot ar šķidrumiem, beztaras materiāliem, suspensijām, viskozām vielām (vadošām un nevadošām), kā arī kondensācijas, putekļu apstākļos.

Kapacitatīvos sensorus izmanto arī dažādās nozarēs, lai mērītu absolūto un manometrisko spiedienu, dielektrisko materiālu biezumu, gaisa mitrumu, deformāciju, leņķisko un lineāro paātrinājumu utt.

Kapacitatīvo sensoru priekšrocības salīdzinājumā ar citiem sensoru veidiem

Kapacitatīvie sensori piedāvā vairākas priekšrocības salīdzinājumā ar citiem sensoru veidiem. To priekšrocības ietver:

• ražošanas vienkāršība, lētu materiālu izmantošana ražošanai; — mazs izmērs un svars; — zems enerģijas patēriņš; - augsta jutība;

• kontaktu trūkums (dažos gadījumos - viens strāvas kolektors);

• ilgs kalpošanas laiks;

• nepieciešamība pēc ļoti maziem spēkiem, lai pārvietotu kapacitatīvā sensora kustīgo daļu;

• sensora formas pielāgošanas vieglums dažādiem uzdevumiem un dizainiem;

Kapacitatīvo sensoru trūkumi

Kapacitatīvo sensoru trūkumi ietver:

• salīdzinoši mazs pārneses (pārveidošanas) koeficients;

• augstas prasības ekranēšanas daļām;

• nepieciešamība strādāt ar lielāku (salīdzinājumā ar 50 Hz) frekvenci;

Tomēr vairumā gadījumu pietiekamu ekranējumu var panākt, pateicoties sensora konstrukcijai, un prakse rāda, ka kapacitatīvie sensori dod labus rezultātus pie plaši izmantotās 400 Hz frekvences. Raksturīgs kondensatori malas efekts kļūst nozīmīgs tikai tad, ja attālums starp plāksnēm ir salīdzināms ar aplūkojamo virsmu lineārajiem izmēriem. Šo efektu zināmā mērā var novērst ar aizsarggredzena palīdzību, kas ļauj novirzīt tā ietekmi ārpus mērījumiem faktiski izmantoto plākšņu virsmas robežām.

Kapacitatīvie sensori ir izcili ar savu vienkāršību, kas nodrošina robustu un uzticamu dizainu. Kondensatora parametri ir atkarīgi tikai no ģeometriskajiem raksturlielumiem un nav atkarīgi no izmantoto materiālu īpašībām, ja šie materiāli ir pareizi izvēlēti. Tāpēc temperatūras ietekme uz virsmas izmaiņām un plākšņu atstatumu var būt niecīgi maza, izvēloties atbilstošas ​​markas metālu plāksnēm un izolāciju to stiprināšanai. Atliek tikai aizsargāt sensoru no tiem vides faktoriem, kas var pasliktināt izolāciju starp plāksnēm — no putekļiem, korozijas, mitruma, jonizējošā starojuma.

Kapacitatīvo sensoru vērtīgās īpašības — neliels mehāniskā spēka daudzums, kas nepieciešams, lai pārvietotu tās kustīgo daļu, spēja pielāgot izsekošanas sistēmas izvadi un augsta darbības precizitāte — padara kapacitatīvos sensorus par neaizstājamiem ierīcēm, kurās kļūdas ir tikai simtdaļas un pat ir atļautas tūkstošdaļas.

Kapacitatīvo pārveidotāju veidi un to konstrukcijas īpatnības

Parasti kapacitatīvs sensors ir plakans vai cilindrisks kondensators, kura viena no plāksnēm tiek kontrolēta kustībā, izraisot kapacitātes izmaiņas. Neņemot vērā gala efektus, plakanā kondensatora kapacitāti var izteikt šādi:

kur ε Starp plāksnēm esošās vides relatīvā dielektriskā konstante, C un e - aplūkojamo plākšņu laukums un attiecīgi attālums starp tām.

Kapacitatīvos devējus var izmantot dažādu lielumu mērīšanai trīs virzienos atkarībā no izmērītā neelektriskā lieluma funkcionālās attiecības ar šādiem parametriem:

• vides mainīgā dielektriskā konstante ε;

• plākšņu C pārklāšanās laukums;

• atšķirīgs attālums starp plāksnēm e.

Pirmajā gadījumā, lai analizētu vielas sastāvu, var izmantot kapacitatīvos devējus, jo dielektriskā konstante ir atkarīga no vielas īpašībām. Šajā gadījumā pārveidotāja dabiskā ievades vērtība būs vielas sastāvs, kas aizpilda telpu starp plāksnēm. Šāda veida kapacitatīvos devējus īpaši plaši izmanto cietvielu un šķidrumu mitruma satura, šķidruma līmeņa mērīšanā, kā arī nelielu priekšmetu ģeometrisko izmēru noteikšanā. Vairumā kapacitatīvo devēju praktiskās izmantošanas gadījumu to dabiskā ievades vērtība ir elektrodu ģeometriskais pārvietojums vienam pret otru Pamatojoties uz šo principu, lineārās un leņķiskās nobīdes sensori, ierīces spēku, vibrāciju, ātruma un paātrinājuma mērīšanai, sensori tuvuma, spiediena un deformācijas sensori (ekstensometri).

Kapacitatīvā sensora klasifikācija

Īstenošanas ziņā visus kapacitatīvos mērpārveidotājus var iedalīt vienkapacitatīvos un divkapacitatīvos sensoros. Pēdējie ir diferenciāli un daļēji diferenciāli.

Vienam kapacitātes sensoram ir vienkārša konstrukcija, un tas ir viens mainīgs kondensators. Tās trūkumi ietver būtisku ārējo faktoru, piemēram, mitruma un temperatūras, ietekmi.Lai kompensētu šīs kļūdas, pielietojiet diferenciālas konstrukcijas... Šādu sensoru trūkums salīdzinājumā ar vienas kapacitātes sensoriem ir nepieciešamība pēc vismaz trim (nevis diviem) ekranētiem savienojošajiem vadiem starp sensoru un mērierīci, lai nomāktu tā. sauc par parazitārām kapacitātēm. Tomēr šis trūkums atmaksājas, ievērojami palielinot precizitāti, stabilitāti un šādu ierīču pielietojuma jomas paplašināšanos.

Dažos gadījumos diferenciālo kapacitatīvo sensoru ir grūti izveidot konstrukcijas iemeslu dēļ (tas jo īpaši attiecas uz mainīgas spraugas diferenciālajiem sensoriem). Taču, ja tajā pašā korpusā tiek ievietots paraugkondensators ar strādājošu un tie ir pēc iespējas identiski pēc konstrukcijas, izmēriem un izmantotajiem materiāliem, tad visas ierīces jutība pret ārējām destabilizējošām ietekmēm būs daudz mazāka. nodrošināts. Šādos gadījumos var runāt par pusdiferenciālo kapacitatīvo sensoru, kas, tāpat kā diferenciālais, attiecas uz bikapacitatīvu.

Divu tilpumu sensoru izejas parametra specifika, kas tiek attēlota kā divdimensiju fizisko lielumu (mūsu gadījumā kapacitātes) bezdimensiju attiecība, dod pamatu tos saukt par attiecību sensoriem. Izmantojot dubultās kapacitātes sensorus, mērierīcē var nebūt standarta kapacitātes mērījumu, kas veicina mērījumu precizitātes palielināšanos.

Lineārās nobīdes kodētāji

Mērāmie un kontrolējamie neelektriskie lielumi ir daudz un dažādi. Ievērojama daļa no tiem ir lineāras un leņķiskās nobīdes. Pamatojoties uz kondensatoru, kas elektriskais lauks darba spraugā vienmērīgi var izveidot divus galvenos kapacitatīvo nobīdes sensoru veidus:

• ar mainīgu elektrodu laukumu;

• ar mainīgu atstarpi starp elektrodiem.

Ir pilnīgi skaidrs, ka pirmie ir ērtāki lielu pārvietojumu (vienības, desmitiem un simtiem milimetru) mērīšanai, bet otrie - mazu un īpaši mazu pārvietojumu (milimetra daļas, mikrometri un mazāk) mērīšanai.

Leņķiskie kodētāji

Leņķa nobīdes kapacitatīvie devēji principā ir līdzīgi lineārās nobīdes kapacitatīviem devējiem, un arī mainīga laukuma sensori ir piemērotāki ne pārāk maziem mērījumu diapazoniem (sākot no grādu vienībām) un mainīga leņķa spraugas kapacitatīviem sensoriem. var veiksmīgi izmantot nelielu un īpaši mazu leņķisko noviržu mērīšanai. Parasti leņķiskām nobīdēm izmanto daudzsekciju devējus ar mainīgu kondensatora plāksnes laukumu.

Šādos sensoros viens no kondensatora elektrodiem ir piestiprināts pie objekta vārpstas, un rotācijas laikā tas tiek pārvietots attiecībā pret stacionāro, mainot kondensatora plākšņu pārklāšanās laukumu. Tas, savukārt, izraisa kapacitātes izmaiņas, ko uztver mērīšanas ķēde.

Inklinometri

Inklinometrs (slīpuma sensors) ir diferenciāli kapacitatīvs slīpuma devējs, kas ietver kapsulas formas sensoru.

Kapacitatīvs slīpuma mērītājs

Kapsula sastāv no substrāta ar diviem plakaniem elektrodiem 1, kas pārklāti ar izolācijas slāni, un korpusa 2, kas hermētiski piestiprināts pie pamatnes. Korpusa iekšējais dobums ir daļēji piepildīts ar vadošu šķidrumu 3, kas ir kopējais elektrods jutīgs elements.Kopējais elektrods ar plakanajiem elektrodiem veido diferenciālo kondensatoru. Sensora izejas signāls ir proporcionāls diferenciālā kondensatora kapacitātes vērtībai, kas ir lineāri atkarīga no korpusa stāvokļa vertikālajā plaknē.

Inklinometrs ir veidots tā, lai izejas signālam būtu lineāra atkarība no slīpuma leņķa vienā tā sauktajā apstrādes plaknē un praktiski nemaina rādījumus otrā (nedarba) plaknē, savukārt tā signāls ir vāji atkarīgs no temperatūras. izmaiņas. Lai noteiktu plaknes stāvokli telpā, tiek izmantoti divi slīpuma mērītāji, kas atrodas viens pret otru 90 ° leņķī.

Maza izmēra inklinometri ar elektrisko izejas signālu, kas ir proporcionāls sensora slīpuma leņķim, ir salīdzinoši jaunas ierīces. To augstā precizitāte, miniatūrais izmērs, kustīgu mehānisko vienību trūkums, uzstādīšanas vienkāršība uz vietas un zemās izmaksas liek tos izmantot ne tikai kā ripošanas sensorus, bet arī aizstāt ar tiem leņķa sensorus, ne tikai stacionāros, bet arī kustīgos. objektus.

Kapacitatīvie šķidruma līmeņa sensori

Kapacitatīvs raidītājs nevadoša šķidruma līmeņa mērīšanai sastāv no diviem paralēli savienotiem kondensatoriem

Spiediena sensori

Viens no kapacitatīvā spiediena devēja pamatkonstrukcijām ir viens stators, ko izmanto absolūtā spiediena mērīšanai (elektriskie spiediena sensori).

Šāds sensors sastāv no metāla elementa, kas sadalīta divās daļās ar cieši izstieptu plakanu metāla diafragmu, kuras vienā pusē ir no korpusa izolēts fiksēts elektrods.Diafragmas elektrods veido mainīgu kapacitāti, kas ir iekļauta mērīšanas ķēdē. Ja spiediens abās diafragmas pusēs ir vienāds, devējs ir līdzsvarots. Spiediena maiņa vienā no kamerām deformē diafragmu un maina kapacitāti, kas tiek fiksēta ar mērīšanas ķēdi.

Divu staciju (diferenciālā) konstrukcijā diafragma pārvietojas starp divām fiksētām plāksnēm, un vienā no abām kamerām tiek piegādāts atskaites spiediens, kas nodrošina tiešu diferenciālā (pārmērīgā vai diferenciālā) spiediena mērījumu ar mazāko kļūdu.