Какво е капацитивен датчик?

Също като някой от другите видове сензори, (като индуктивните например), капацитивните датчици функционират, без да се налага да имат физически контакт с обекта, който изследват. Казано иначе, този вид сензори са безконтактни устройства. Чрез тях могат да бъдат открити както електропроводими, така и неелктропроводими материали. Поради това си свойство, капацитивните датчици могат да се прилагат на места, на които индуктивните датчици например биха били неприложими.

Какво е капацитивен датчик - устройство и начин на действие

Този вид сензор не е много сложен като устройство и като цяло се състои от:

Тяло

Тялото осигурява възможност всички елементи да бъдат събрани в едно цяло. Освен това осигурява надеждна защита на елементите от външни фактори, които биха им повлияли да вършат ефективно работата си. Тялото (корпуса) на капацитивния датчик обикновено се изработва от месинг или полиамид.

Съединение

Това е специална смола, която предпазва сензорните елементи от влага или други вредни вещества.

Спусък

Спусъкът създава необходимата сила на превключващия сигнал и величината на хистерезиса (това е разликата в разстоянието между включването).

Светодиоди

Светодиодите осигуряват бързо регулиране и показват позицията на превключвателя.

Усилвател

Той усилва изходния сигнал до желаната величина.

Демодулатор

Демодулаторът променя високочестотните колебания до промяна на напрежението.

Генератор

Той създава електрическо поле, което да повлияе на обекта.

Електроди

Работната повърхност на капацитивния датчик най-общо казано представлява два електрода, които играят ролята на кондензаторни пластини, които са свързани към веригата за обратна връзка на генератора. Той от своя страна е конфигуриран така, че с приближаването на контролирания обект да променя капацитета си.

В резултат на тези колебания, когато сензорът се доближи до обекта, генераторът генерира нарастваща амплитуда, която се обработва и създава изходен сигнал.

Капацитивните сензори се задвижват от електрически проводящи предмети и диелектрици. С приближаването на проводящ обект разстоянието на отговор е много по-голямо, отколкото когато обектите за изследване са диелектрици (разстоянието на реакцията зависи от диелактричната константа).

 

Приложение

Приложенията на този вид датчици са изключително много и разнообразни. Те се прилагат много широко в системи за регулиране на процесите на производство в почти всички отрасли на индустрията.

Използват се при парктрониците на автомобилите и за контрол при пълненето на резервоари с течни, гранулирани и газообразни вещества, за превключватели на автоматизирани линии, за машинни центрове, машини, конвейери, алармени системи и други.

 

 

Видове капацитивни датчици и тяхното приложение

Датчици за близост

Към момента едни от най-използваните капацитивни сензори са тези за близост, които освен, че са изключително надеждни имат много голям спектър от предимства.

Този вид сензори намират приложение в почти всички области, тъй като имат много приемливи разходи. Прилагат се за контрол на нивото на пълнене на различни опаковки, управление на опън, за сигнализация при проблеми в поточни линии и други.

Капацитивните датчици за ъглови и линейни измествания

Този вид датчици намират приложение в отрасли като машиностроене, енергетика, транспорт, строителство и други.

Инклинометри

Капацитивните инклинометри намират приложение на нефтени платформи в нивелиращите системи, за определяне на деформации на подпори, за наблюдение и контрол на наклона на пътищата и железопътните линии по време на тяхното изграждане, за определяне качествата на автомобили, кораби, асансьори, подемна техника, селскостопански машини, за определяне на ъгловото изместване на въртящи се обекти като валове, зъбни колела и механизми, без значение дали са стационарни или подвижни.

Капацитивни сензори за ниво

Този вид сензори се прилагат в системите за проследяване, за регулиране и контролиране на процесите в хранително - вкусовата, фармацевтичната, химическата и нефтената промишленост.

Те са изключително ефективни при работа с течности, насипни материали, проводими и непроводими вискозни вещества, както и при тежки работни условия в помещения или обекти, при които има натрупване на прах или конденз.

Капацитивните датчици намират голямо приложение и в отрасли, при които се изисква прецизно измерване на габаритното налягане, дебелината на диелектричните материали, влажността на въздуха, линейни и ъглови деформации и други.

 

Класификация на капацитивните датчици според начина им на изпълнение

Всички разновидности на капацитивните сензори могат да бъдат разделение на две групи: датчици с единичен капацитет и двукапацитетни. Последните се делят още на диференциални и полудиференциални.

Еднокапацитетните сензори са с прост дизайн и представляват един кондензатор с променлив капацитет. При този вид сензори се отчитат доста недостатъци, които включват значително влияние на външната среда като влажност и температура. За да бъдат компенсирани тези грешки се налага да се използва сензор с диференциална конструкция.

Недостатъкът на датчиците с диференциална конструкция се състои в това, че са разлика от сензорите с един капацитет, при диференциалните се налага има поне три свързващи проводника между сензора и устройството за измерване, за да бъдат неутрализирани негативните ефекти от влажността и температурата.

За сметка на този малък недостатък обаче, диференциалните датчици значително увеличават точността и стабилността си и така разширяват полето си на приложение.

Плюсове на капацитивните датчици

В сравнение с конкурентните оптични, индуктивни и пиезообразуващи датчици, капацитивните датчици имат много предимства, сред които са:

• лесно производство - за производството на капацитивни датчици се използват евтини материали, което оказва влияние върху крайната цена на продукта;
• малки размери и тегло;
• ниско потребление на енергия;
• висока степен на чувствителност;
• безконтактност (не се налага да са в близост до обекта на изследването;
• дълъг експлоатационен живот;
• лесно адаптиране на формата на дизайна на сензора за различни задачи и измервания.

Недостатъци

Някой от най-големите недостатъци на капацитивните датчици са:

• относително малкият процент на преобразуване (пренос);
• необходимостта да се работи на по-висока от 50 Hz честота;
• капацитетът може да бъде повлиян от прах и влага и датчика да отчете грешно измерване;
• чувствителност към температура.

Капацитивните датчици са забележителни в своята простота на изпълнение, която позволява да бъде създаден траен и надежден дизайн. Параметрите на кондензатора зависят единствено от неговите характеристики и не зависят от свойствата на използваните материали, ако са подходящо подбрани.

Проблемът с чувствителността им към температурата може да бъде преодолян чрез избиране на правилния материал на плочите и подходящата изолация за закрепването им. Остава само да се подобри защитата им от вредните влияния на прах, влага и йонни лъчения и този вид датчици ще имат още по-голямо приложение.

И съвсем накрая можем да обобщим…

Капацитивните датчици използват много малко механична сила, която им е необходима за придвижване на движещата се част, имат способност за регулиране на изхода на системата за проследяване и работят с висока точност. Всичко това прави тези сензори незаменими за прецизно измерване на проводими и непроводими елементи.