Co je to kapacitní senzor?

Stejně jako některé jiné typy senzorů (například indukční senzory) fungují kapacitní senzory bez fyzického kontaktu s vyšetřovaným objektem. Jinými slovy, tyto typy senzorů jsou bezkontaktní zařízení. S jejich pomocí lze detekovat elektricky i nevodivé materiály. Díky této vlastnosti lze kapacitní snímače použít na místech, kde například nejsou použitelné indukční snímače.

Co je to kapacitní senzor, jeho struktura a provozní režim

Tento typ senzoru není jako zařízení příliš složitý a obvykle se skládá z:

Krabičky

Tělo umožňuje shromáždit všechny prvky do jednoho celku. Kromě toho poskytuje spolehlivou ochranu prvků před vnějšími faktory, které mohou ovlivnit jeho účinnost. Tělo kapacitního snímače je obvykle vyrobeno z mosazi nebo polyamidu.

Konektor

Jedná se o speciální pryskyřici, která chrání prvky senzoru před vlhkostí nebo jinými škodlivými látkami.

Spoušť

Spoušť generuje požadovaný výkon spínacího signálu a velikost hystereze (to je rozdíl ve vzdálenosti před zapnutím).

LED diody

LED diody poskytují rychlé nastavení a indikují polohu spínače.

Zesilovač

Zesiluje výstupní signál na požadovanou hodnotu.

Demodulátor

Demodulátor mění vysokofrekvenční oscilace, dokud se nezmění napětí.

Generátor

Vytváří elektrické pole, které působí na objekt.

Elektrody

Pracovní plochou kapacitního snímače jsou obvykle dvě elektrody, které fungují jako kondenzátorové desky, které jsou připojeny k zpětnovazebnímu obvodu generátoru. Ten je zase nakonfigurován tak, aby změnil svou sílu, když se blíží ke kontrolovanému objektu.

V důsledku těchto vibrací, když se senzor přiblíží k objektu, generátor generuje rostoucí amplitudu, která je zpracována a produkuje výstupní signál.

Kapacitní snímače jsou poháněny elektricky vodivými předměty a dielektrikem. S přiblížením vodivého objektu se snímací vzdálenost stává mnohem větší, než když jsou testovanými objekty dielektrika (reakční vzdálenost závisí na dielektrické konstantě).

Použití
Použití senzorů tohoto typu je extrémně široké a rozmanité. Jsou široce používány v systémech řízení průmyslových procesů téměř ve všech průmyslových odvětvích.

Používají se v automobilových parkovacích senzorech a pro řízení plnění nádrží kapalnými, sypkými a plynnými látkami, pro spínače na automatických linkách, pro strojní centra, stroje, dopravníky, poplašné systémy a další.

Typy kapacitních senzorů a jejich aplikace

Senzory přiblížení

V současné době jsou jedním z nejběžněji používaných kapacitních senzorů senzory přiblížení, které mají kromě mimořádně spolehlivých vlastností také velmi širokou škálu výhod.

Senzory tohoto typu se používají téměř ve všech oblastech, protože mají velmi rozumnou cenu. Používají se k monitorování úrovně plnění různých nádob, řídicího napětí, k signalizaci v případě problémů na výrobních linkách a dalších.

Kapacitní enkodéry pro úhlové a lineární pohyby

Senzory tohoto typu se používají v průmyslových odvětvích, jako je strojírenství, energetika, doprava, stavebnictví a další.

Sklonoměry

Kapacitní sklonoměry se používají na ropných plošinách v nivelačních systémech, k určení deformace podpěr, ke sledování a kontrole sklonu silnic a železnic při jejich stavbě, ke stanovení kvality automobilů, lodí, výtahů, zdvihacích zařízení, zemědělských strojů k určení úhlového posunu rotujících předmětů, jako jsou jako hřídele, převody a mechanismy, stacionární i pohyblivé.

Kapacitní snímače hladiny

Senzory tohoto typu se používají v monitorovacích systémech, regulaci a řízení procesů v potravinářském, farmaceutickém, chemickém a ropném průmyslu.

Jsou mimořádně účinné při manipulaci s kapalinami, sypkými látkami, vodivými a nevodivými viskózními látkami a v drsném pracovním prostředí v místnostech nebo místech, kde se hromadí prach nebo kondenzace.

Kapacitní snímače jsou široce používány v průmyslových odvětvích, která vyžadují přesné měření celkového tlaku, tloušťky dielektrických materiálů, vlhkosti, lineárních a úhlových deformací a dalších.

Klasifikace kapacitních senzorů podle způsobu jejich implementace

Všechny typy kapacitních senzorů lze rozdělit do dvou skupin: senzory s jednou a dvěma nádržemi. Ty jsou dále rozděleny na diferenciální a semi-diferenciální.

Jedno kapacitní snímače mají jednoduchou konstrukci a jsou variabilními kondenzátory. Tento typ snímače má několik nevýhod, mezi něž patří významné vlivy prostředí, jako je vlhkost a teplota.

Nevýhodou senzorů s diferenciálním designem je to, že se liší od senzorů s jedinou kapacitou a diferenciální mají alespoň tři spojovací vodiče mezi senzorem a měřicím zařízením pro neutralizaci negativních účinků vlhkosti a teploty.

Kvůli této malé nevýhodě však diferenciální senzory výrazně zvyšují svou přesnost a stabilitu a tím rozšiřují své pole použití.

Pros kapacitních senzorů
Ve srovnání s konkurenčními optickými, indukčními a piezoelektrickými senzory mají kapacitní senzory mnoho výhod, včetně:

• jednoduchost výroby - pro výrobu kapacitních snímačů se používají levné materiály, což ovlivňuje konečnou cenu produktu;
• malá velikost a hmotnost;
• nízká spotřeba energie;
• vysoký stupeň citlivosti;
• bezkontaktní (nemusí být v blízkosti předmětu studia;
• dlouhá životnost;

Snadné přizpůsobení designu senzoru pro různé úkoly a měření.

Omezení
Mezi největší nevýhody kapacitních senzorů patří:

• relativně malý přepočítací koeficient (převod);
• potřeba pracovat na frekvenci nad 50 Hz;
• výkon může být ovlivněn prachem a vlhkostí a senzor může detekovat nesprávné měření;
• teplotní citlivost.

Kapacitní senzory se snadno navrhují, což má za následek odolný a spolehlivý design. Parametry kondenzátoru závisí pouze na jeho charakteristikách a nezávisí na vlastnostech použitých materiálů, pokud jsou správně vybrány.

Problém jejich citlivosti na teplotu lze vyřešit výběrem vhodného materiálu pro desky a vhodné izolace pro jejich upevnění. Zbývá jen zlepšit jejich ochranu před škodlivými účinky prachu, vlhkosti a iontového záření a tento typ senzorů bude mít ještě širší škálu aplikací.

A nakonec můžeme shrnout ...

Kapacitní snímače využívají velmi malou mechanickou sílu, kterou potřebují k pohybu pohyblivé části, nastavení výkonu systému a provozu s vysokou přesností. To vše činí tyto senzory nepostradatelnými pro přesné měření vodivých i nevodivých prvků.

Otázky a odpovědi:

Co jsou to kapacitní senzory? Jednokapacitní, dvoukapacitní. Dále se dělí na: lineární, úhlové, sklonoměry, hladinové snímače, tlakové převodníky.

K čemu jsou kapacitní snímače určeny a jak fungují? U takových snímačů se mění měřený parametr, díky čemuž se mění odpor. Tyto senzory se používají k převodu hodnot vlhkosti, tlaku, mechanické síly atd.

Jak funguje kapacitní snímač hladiny? U takového snímače se vlivem změny měřené hladiny mění i kapacita kondenzátoru (tvoří ho sonda a stěny rezervoáru - čím více kapaliny v zásobníku, tím vyšší kapacita).