Емкостные датчики
Емкостным датчиком называют преобразователь параметрического типа, в котором изменение измеряемой величины преобразуется в изменение емкостного сопротивления.
Области применения емкостных датчиков
Возможные области применения емкостных датчиков чрезвычайно разнообразны. Они используются в системах регулирования и управления производственными процессами почти во всех отраслях промышленности. Емкостные датчики применяются для контроля заполнения резервуаров жидким, порошкообразным или зернистым веществом, как конечные выключатели на автоматизированных линиях, конвейерах, роботах, обрабатывающих центрах, станках, в системах сигнализации, для позиционирования различных механизмов и т. д.
В настоящее время наиболее широкое распространение получили датчики приближения (присутствия), которые помимо своей надежности, имеют широкий ряд преимуществ. Имея сравнительно низкую стоимость, датчики приближения охватывают огромный спектр направленности по своему применению во всех отраслях промышленности. Типичными областями использования емкостных датчиков этого типа являются:
сигнализация заполнения емкостей из пластика или стекла;
контроль уровня заполнения прозрачных упаковок;
сигнализация обрыва обмоточного провода;
регулирование натяжения ленты;
поштучный счет любого вида и др.
Емкостные датчики линейных и угловых перемещений являются наиболее распространенными приборами, широко используемыми в машиностроении и на транспорте, строительстве и энергетике, в различных измерительных комплексах.
Емкостные датчики уровня находят применение в системах контроля, регулирования и управления производственными процессами в пищевой, фармацевтической, химической, нефтеперерабатывающей промышленности. Они эффективны при работе с жидкостями, сыпучими материалами, пульпой, вязкими веществами (проводящими и непроводящими), а также в условиях образования конденсата, запыленности.
Емкостные датчики также находят применение в различных отраслях промышленности для измерения абсолютного и избыточного давления, толщины диэлектрических материалов, влажности воздуха, деформации, угловых и линейных ускорений и др.
Преимущества емкостных датчиков по сравнению с датчиками других типов
Емкостные датчики обладают целым рядом преимуществ по сравнению с датчиками других типов. К их достоинствам относятся:
отсутствие контактов (в некоторых случаях – один токосъем);
долгий срок эксплуатации;
потребность весьма малых усилий для перемещения подвижной части емкостного датчика;
простота приспособления формы датчика к различным задачам и конструкциям;
Недостатки емкостных датчиков
К недостаткам емкостных датчиков следует отнести:
сравнительно небольшой коэффициент передачи (преобразования);
высокие требования к экранировке деталей;
необходимость работы на повышенной (по сравнению с 50 Гц) частоте;
Однако в большинстве случаев можно добиться достаточной экранировки за счет конструкции датчика, а практика показывает, что емкостные датчики дают хорошие результаты на широко распространенной частоте 400 Гц. Присущий конденсаторам краевой эффект становится значительным, лишь когда расстояние между обкладками сравнимо с линейными размерами рассматриваемых поверхностей. Этот эффект можно в некоторой степени устранить, использую защитное кольцо, позволяющее вынести его влияние за границы поверхности обкладок, реально используемой при измерении.
Емкостные датчики замечательны своей простотой, что позволяет создавать прочные и надежные конструкции. Параметры конденсатора зависят только от геометрических характеристик и не зависят от свойств используемых материалов, если эти материалы правильно подобраны. Следовательно, можно сделать пренебрежимым влияние температуры на изменения площади поверхности и расстояния между обкладками, правильно подбирая марку металла для обкладок и изоляцию для их крепления. Остается лишь защищать датчик от тех факторов окружающей среды, которые могут ухудшить изоляцию между обкладками, – от пыли, коррозии, влажности, ионизирующей радиации.
Ценные качества емкостных датчиков – малая величина механического усилия, необходимого для перемещения его подвижной части, возможность регулировки выхода следящей системы и высокая точность работы – делают емкостные датчики незаменимыми в приборах, в которых допускаются погрешности лишь в сотые и даже тысячные доли процента.
Типы емкостных преобразователей и их конструктивные особенности
Обычно емкостный датчик представляет собой плоский или цилиндрический конденсатор, одна из обкладок которого испытывает подвергаемое контролю перемещение, вызывая изменение емкости. Пренебрегая краевыми эффектами, можно выразить емкость для плоского конденсатора следующим образом:
где ε – относительная диэлектрическая проницаемость среды, заключенной между обкладками, S и d – площадь поверхности рассматриваемых обкладок и расстояние между ними соответственно.
Емкостные преобразователи могут быть использованы при измерении различных величин по трем направлениям в зависимости от функциональной связи измеряемой неэлектрической величины со следующими параметрами:
переменной диэлектрической проницаемостью среды ε ;
площадью перекрытия обкладок S ;
В первом случае емкостные преобразователи можно применять для анализа состава вещества, поскольку диэлектрическая проницаемость является функцией свойств вещества. При этом естественной входной величиной преобразователя будет состав вещества, заполняющего пространство между пластинами. Особенно широко емкостные преобразователи этого типа применяются при измерении влажности твердых и жидких тел, уровня жидкости, а так же определения геометрических размеров небольших объектов. В большинстве случаев практического использования емкостных преобразователей их естественной входной величиной является геометрическое перемещение электродов относительно друг друга. На основе этого принципа построены датчики линейных и угловых перемещений, приборы измерений усилий, вибраций, скорости и ускорения, датчики приближения, давления и деформации (экстензометры).
Классификация емкостных датчиков
По способу исполнения все емкостные измерительные преобразователи можно разделить на одноемкостные и двухъемкостные датчики. Последние бывают дифференциальными и полудифференциальными.
В некоторых случаях дифференциальный емкостный датчик создать затруднительно по конструкторским соображениям (особенно это относится к дифференциальным датчикам с переменным зазором). Однако если и при этом образцовый конденсатор разместить в одном корпусе с рабочим, выполнить их по возможности идентичными по конструкции, размерам, применяемым материалам, то будет обеспечена значительно меньшая чувствительность всего устройства к внешним дестабилизирующим воздействиям. В таких случаях можно говорить о полудифференциальном емкостном датчике, который, как и дифференциальный, относится к двухъемкостным.
Специфика выходного параметра двухъемкостных датчиков, который представляется как безразмерное соотношение двух размерных физических величин (в нашем случае – емкостей), дает основание именовать их датчиками отношения. При использовании двухъемкостных датчиков измерительное устройство может вообще не содержать образцовых мер емкости, что способствует повышению точности измерения.
Датчики линейных перемещений
Неэлектрические величины, подлежащие измерению и контролю, весьма многочисленны и разнообразны. Значительную их часть составляют линейные и угловые перемещения. На основе конденсатора, у которого электрическое поле в рабочем зазоре равномерно, могут быть созданы конструкции емкостных датчиков перемещения двух основных типов:
с переменной площадью электродов;
с переменным зазором между электродами.
Достаточно очевидно, что первые более удобны для измерения больших перемещений (единицы, десятки и сотни миллиметров), а вторые – для измерения малых и сверхмалых перемещений (доли миллиметра, микрометры и менее).
Датчики угловых перемещений
Емкостные измерительные преобразователи угловых перемещений подобны по принципу действия емкостным датчикам линейных перемещений, причем датчики с переменной площадью также более целесообразны в случае не слишком малых диапазонов измерения (начиная с единиц градусов), а емкостные датчики с переменным угловым зазором могут с успехом использоваться для измерения малых и сверхмалых угловых перемещений. Обычно для угловых перемещений используют многосекционные преобразователи с переменной площадью обкладок конденсатора.
В таких датчиках один из электродов конденсатора крепится к валу объекта, и при вращении смещается относительно неподвижного, меняя площадь перекрытия пластин конденсатора. Это в свою очередь вызывает изменение емкости, что фиксируется измерительной схемой.
Инклинометр (датчик крена) представляет собой дифференциальный емкостной преобразователь наклона, включающий в себя чувствительный элемент в форме капсулы.
Устройство емкостного инклинометра
Капсула состоит из подложки с двумя планарными электродами 1, покрытыми изолирующим слоем, и герметично закрепленным на подложке корпусом 2. Внутренняя полость корпуса частично заполнена проводящей жидкостью 3, которая является общим электродом чувствительного элемента. Общий электрод образует с планарными электродами дифференциальный конденсатор. Выходной сигнал датчика пропорционален величине емкости дифференциального конденсатора, которая линейно зависит от положения корпуса в вертикальной плоскости.
Инклинометр спроектирован так, что имеет линейную зависимость выходного сигнала от угла наклона в одной – так называемой рабочей плоскости и практически не изменяет показания в другой (нерабочей) плоскости, при этом его сигнал слабо зависит от изменения температуры. Для определения положения плоскости в пространстве используется два, расположенных под углом 90° друг к другу инклинометра.
Малогабаритные инклинометры с электрическим выходным сигналом, пропорциональным углу наклона датчика, являются сравнительно новыми приборами. Их высокая точность, миниатюрные размеры, отсутствие подвижных механических узлов, простота крепления на объекте и низкая стоимость делают целесообразным использовать их не только в качестве датчиков крена, но и заменять ими угловые датчики, причем не только на стационарных, но и на подвижных объектах.
Емкостные датчики уровня жидкости
Емкостной преобразователь для измерения уровня непроводящей жидкости представляет собой два параллельно соединенных конденсатора
Одной из основных конструкций емкостного преобразователя давления является одностаторная, которая применяется для измерения абсолютного давления (электрические датчики давления).
Такой датчик состоит из металлической ячейки, разделенной на две части туго натянутой плоской металлической диафрагмой, с одной стороны которой расположен неподвижный изолированный от корпуса электрод. Электрод с диафрагмой образуют переменную емкость, которая включена в измерительную схему. Когда давление по обеим сторонам диафрагмы одинаково, датчик сбалансирован. Изменение давления в одной из камер деформирует диафрагму и изменяет емкость, что фиксируется измерительной схемой.
В двухстаторной (дифференциальной) конструкции диафрагма перемещается между двумя неподвижными пластинами в одну из двух камер подается опорное давление, что обеспечивает прямое измерение дифференциального (избыточного или разностного) давления с наименьшей погрешностью.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Емкостные датчики — привлекательный вариант для бесконтактного измерения
Емкостное наблюдение или отслеживание – это метод бесконтактного наблюдения, который может работать с множеством различных приложений, таких как распознавание жестов, автомобильные датчики дождя, дистанционное измерение уровня жидкости при обработке различных материалов и других приложений.
Датчиком в системе емкостного наблюдения может быть любой проводник или металл, все будет зависеть от требований к гибкости системы. Благодаря низкому энергопотреблению, высоким разрешениям и низкой стоимости, емкостные датчики активно заменяют индуктивные, оптические и ультразвуковые во многих системах и устройствах.
Измерение без прикосновения
Емкостное измерение это не емкостной сенсор (похожая технология, оптимизированная для выполнения функций цифрового коммутатора)! Емкостная сенсорная система использует множества каналов в строке и столбце расположения (как на сенсорном экране телефона или планшете). Сенсорный экран требует непосредственного контакта и работает в течении очень короткого диапазона – в большинстве случаев это несколько миллиметров.
В отличии от похожей системы – сенсорного экрана, емкостной датчик является аналоговой системой и работает на расстоянии до 70 см. Он имеет гораздо большую чувствительность и точность, поскольку происходит изменение емкости всего в несколько пикофарад.
Принцип емкостного измерения
Емкость системы – это ее способность хранить электрический заряд, который является одним из основных электрических параметров. Самая простая модель конденсатора (устройство для хранения электрического заряда) будет состоять из двух электрических проводников или пластин, разделенных диэлектриком:
Для модели конденсатора представленной выше емкость (в фарадах) определяется по формуле:
Когда датчик заряжен, он создает электрическое поле:
Срабатывание емкостного датчика
Как превращается конденсатор в емкостной датчик? Смотрите ниже:
На рисунке а) показан датчик приближения, использующий палец в качестве «земли», на рисунке б) показано измерение уровня жидкости с параллельным датчиком и землей, а на рисунке с) показан датчик обнаружения и анализа материала.
Бесконтактный датчик формируется путем построения изолированного датчика пластины из проводящей области печатной платы и зарядки. Конденсатор будет формироваться в любое время в заземленном проводящем элементе или же в любом другом объекте, имеющем диэлектрическую проницаемость отличную от воздуха. Из рисунка а) видно, что такой принцип будет работать и в случае приближение части человеческого тела (в нашем случае пальца), так как, по сути, человеческое тело будет представлять собой потенциал земли.
По мере приближения пальца будет изменятся емкость. Даже с учетом того, что эта система нелинейна, обнаружение приближения не составит большого труда.
Для расширения возможностей данного измерительного устройства могут использовать несколько независимых датчиков – вниз/вверх и влево/вправо:
По мере перемещения пальца изменяется емкость всех четырех датчиков. Многоканальный детектор считывает эти показания и передает в микроконтроллер, который проводит вычисления скорости и направления перемещения.
Во многих системах, таких как хранения химических веществ, промышленные системы контроля и автоматизации или коммерческие машины необходимо измерять уровень жидкости. В этом случае пластины датчика могут располагаться рядом друг с другом (см. рисунок б)), в результате чего получается повышенная чувствительность вдоль вертикальной оси.
По мере изменения уровня жидкости будет меняться и диэлектрическое значение, соответственно изменится и емкость. Такая конфигурация позволяет использовать края силовых линий. Соответственно и расчеты изменения емкости в данном случае будут значительно сложнее, чем в случае простой пластины.
Датчик анализа материалов состоит из основной пластины, показанной на рисунке с). Для анализа материала используется эффект изменения проницаемости между пластинами при добавлении или удалении материала. Незагруженный датчик использует в качестве диэлектрика воздух. При попадании в этот воздушный зазор материала, например бумаги, электрическая емкость полученного таким образом конденсатора увеличится, соответственно изменение отслеживаются и передаются в контроллер, который и обрабатывает данные значения, вычисляя, таким образом, тип и свойства материала.
Экранирование и емкостные измерения
Одной из проблем емкостных приборов измерения приближений является то, что силовые линии будут распространятся на любые соседние ячейки с потенциалом земли. Многие паразитные явление (например, ground traces (путь на поверхности Земли оставленный самолетом или спутником )) влияют на чувствительность и расстояние обнаружения датчиком. Данное явление представляет собой проблему для чувствительных к шуму систем.
Паразитные эффекты на печатных платах (а), влияющие на качество работы устройства уменьшают с помощью защитных электродов. Драйверы защитного экрана включают в интерфейсные устройства емкостных датчиков и специализированных микроконтроллеров.
Добавление активного экрана может помочь избавится от паразитных влияний на окружающую среду и позволит использовать максимальный потенциал устройства. Хорошо спроектированный активный экран будет направлен на выход датчика и будет направлять его сигнал в нужном направлении.
Драйвер защиты является активным выходом, который работает от того же напряжения что и само устройство. Таким образом, не будет возникать никакой разности потенциалов между экраном и входом устройства. Любое внешнее вмешательство вызовет минимальное взаимодействие между экранированным электродом и измерительным электродом.
Блок диаграмма работы емкостного датчика
Специализированный аналоговый интерфейс преобразует сигнал от емкостного датчика в цифровую форму, которая пригодна для дальнейшей обработки:
Интерфейс периодически опрашивает измерительное устройство и подает сигнал, необходимый для зарядки сенсорной пластины. Частота дискретизации выходного сигнала относительно медленная, около 500 выборок в секунду, но с высоким разрешением. Это необходимо для определения небольших различий емкости. 16-разрядный сигма-дельта АЦП обеспечивает хороший компромисс между скоростью, разрешением и низким энергопотреблением.
Многоканальные устройства могут проводить дифференциальные измерения для точного представления разности емкости между двумя датчиками. Например, если на емкость оказывают существенное влияние погодные условия, то один канал может быть посвящен погодным условиям и отслеживать изменения в диэлектриках, вызванные температурой, влажностью, типом материала и так далее. Дифференциальное измерение способно повышать точность благодаря внесению правок, связанных с работой какого-то канала.
При измерении уровня жидкости один канал измеряет емкость, связанную с уровнем жидкости, а второй канал для опорного датчика, который измеряет электрическую емкость нулевого уровня. Так как емкость пропорциональна высоте уровня жидкости, то измеряемый уровень жидкости будет равен разности или отношению между датчиком уровня и датчиком нулевого уровня.
LC фильтры как основа емкостного измерения
Одной из главных проблем емкостного измерения является наличие паразитных шумов. Модификация измерительного устройства включающего в себя частотно-чувствительный компонент позволяет повысить помехоустойчивость. Дополнительно к датчику добавляется конденсатор и катушка индуктивности для формирования резонансного колебательного контура.
Где: а) схема фильтра; б) его характеристика.
Хотя архитектура LC фильтра проста, он имеет несколько существенных преимуществ при интеграции в состав емкостного измерительного устройства.
Во-первых, LC резонатор обеспечивает отличную устойчивость к электромагнитным помехам, а во-вторых, работающий на определенных частотах источник шума вполне может быть отфильтрована LC резонатором без использования внешних схем. Это уменьшает сложность системы и уменьшает ее стоимость.
Изменение емкости LC контура приведет к сдвигу резонансной частоты. Этот принцип использует FDC2214 в емкостно-цифровом преобразователе, который измеряет частоту колебаний LC фильтра. Устройство выдает цифровое значение, пропорциональное этой частоте. Данные измерения могут быть преобразованы в эквивалентную емкость нижестоящему микроконтроллеру.
Вывод
Емкостное измерение является гибкой технологией, которая становится все более популярна. Его низкая стоимость и низкое энергопотребление делают его идеальным выбором для широкого круга приложений, как в бытовой сфере, так и в промышленной.
