Емкостной датчик. Емкостные датчики: принцип работы, виды и применение в промышленности

Как работают емкостные датчики. Какие бывают виды емкостных датчиков. Где применяются емкостные датчики в промышленности. Каковы преимущества и недостатки емкостных датчиков.

Принцип работы емкостных датчиков

Емкостные датчики относятся к бесконтактным датчикам, которые обнаруживают объекты по изменению электрической емкости. Как работает емкостный датчик?

• Датчик создает электрическое поле между двумя электродами
• При попадании объекта в зону чувствительности меняется диэлектрическая проницаемость среды
• Это вызывает изменение емкости конденсатора, образованного электродами датчика
• Электронная схема фиксирует изменение емкости и формирует выходной сигнал

Таким образом, емкостные датчики способны обнаруживать как электропроводящие, так и диэлектрические материалы. Расстояние срабатывания зависит от диэлектрической проницаемости объекта.

Основные виды емкостных датчиков

По конструктивному исполнению выделяют следующие виды емкостных датчиков:

1. Цилиндрические датчики

Имеют цилиндрический корпус диаметром от 12 до 30 мм. Могут устанавливаться заподлицо или незаподлицо. Расстояние срабатывания до 15-30 мм.

2. Прямоугольные датчики

Выполнены в прямоугольном корпусе шириной 20-30 мм. Бывают утапливаемого и неутапливаемого исполнения. Дистанция обнаружения до 25-30 мм.

3. Плоские датчики

Имеют особо плоскую конструкцию толщиной 6-8 мм. Монтируются заподлицо. Расстояние срабатывания до 15 мм. Удобны для установки в ограниченном пространстве.

Преимущества емкостных датчиков

Емкостные датчики обладают рядом важных достоинств:

• Бесконтактный принцип работы обеспечивает высокую надежность и долговечность
• Способны обнаруживать различные материалы — металлы, пластик, жидкости, сыпучие среды
• Не зависят от цвета, прозрачности и отражающих свойств поверхности объекта
• Нечувствительны к пыли и загрязнениям
• Компактные размеры позволяют встраивать в оборудование
• Простая конструкция обеспечивает низкую стоимость

Недостатки емкостных датчиков

К ограничениям емкостных датчиков можно отнести:

• Небольшое расстояние срабатывания (до 30-40 мм)
• Чувствительность к электромагнитным помехам
• Зависимость от температуры и влажности окружающей среды
• Необходимость экранирования для повышения помехозащищенности

Применение емкостных датчиков в промышленности

Благодаря своим преимуществам, емкостные датчики широко используются в различных отраслях:

Машиностроение и робототехника

• Контроль положения деталей на конвейерах
• Обнаружение заготовок в станках с ЧПУ
• Определение наличия деталей в захватах роботов

Пищевая промышленность

• Контроль уровня жидкостей и сыпучих продуктов в емкостях
• Проверка наполнения тары и упаковки
• Подсчет количества изделий на конвейерах

Химическая промышленность

• Измерение уровня агрессивных жидкостей в резервуарах
• Контроль наличия химикатов в трубопроводах
• Обнаружение утечек и разливов

Сравнение емкостных датчиков с другими типами

Как соотносятся характеристики емкостных датчиков с другими распространенными типами бесконтактных датчиков?

Параметр	Емкостные	Индуктивные	Оптические
Дистанция срабатывания	До 30-40 мм	До 60-80 мм	До нескольких метров
Обнаруживаемые материалы	Любые	Только металлы	Любые непрозрачные
Помехоустойчивость	Средняя	Высокая	Низкая
Стоимость	Низкая	Средняя	Высокая

Как видно, емкостные датчики занимают промежуточное положение по своим характеристикам, сочетая универсальность с доступной ценой.

Особенности выбора и установки емкостных датчиков

При выборе и монтаже емкостных датчиков нужно учитывать следующие факторы:

• Материал и свойства объекта обнаружения
• Требуемое расстояние срабатывания
• Наличие электромагнитных помех
• Температура и влажность среды
• Способ монтажа (заподлицо/незаподлицо)
• Тип выходного сигнала

Правильный подбор датчика и соблюдение рекомендаций по монтажу обеспечат его надежную работу.

Перспективы развития емкостных датчиков

Основные направления совершенствования емкостных датчиков включают:

• Увеличение дистанции обнаружения
• Повышение помехозащищенности
• Расширение диапазона рабочих температур
• Миниатюризация конструкции
• Интеграция интеллектуальных функций

Это позволит расширить области применения емкостных датчиков и повысить их конкурентоспособность на рынке промышленной автоматизации.

Емкостные датчики. Виды и устройство. Работа и применение

Емкостные датчики – преобразователи параметров. Их работа заключается в изменении емкостного сопротивления путем изменения измеряемого параметра. Емкостный датчик преобразовывает такие величины, как влажность, давление, сила механического воздействия, уровень жидкости в изменение электрической емкости.

По исполнению емкостные датчики делятся на:

• Одноемкостные.
• Двухъемкостные.

Одноемкостнй датчик имеет простое устройство и выполнена в виде конденсатора с изменяемой емкостью. Его недостатком является большое влияние внешних воздействий. К ним относятся температура и влажность. Чтобы компенсировать такие неточности, применяют дифференциальные двухъемкостные модели.

В отличие от одноемкостных датчиков, минусом дифференциальных моделей является то, что требуется минимум три соединительных экранированных проводника между измерительным устройством и датчиком, для погашения паразитных емкостей. Однако это компенсируется стабильностью, значительным увеличением точности и расширением сферы использования таких датчиков.

Иногда трудно спроектировать дифференциальный датчик емкостного типа из соображений его устройства. Особенно, если это датчик с изменяемым зазором. Но при расположении образцового конденсатора вместе с рабочим, и выполнении их конструкции одинаковыми, включая все материалы, то будет создана намного меньшая чувствительность устройства к наружному воздействию различных факторов. В этих случаях идет речь о полудифференциальной модели, относящейся к 2-х емкостным приборам.

Специфическая особенность параметра выхода двухъемкостных датчиков, представленная в виде безразмерного соотношения 2-х емкостей, позволяет назвать такие устройства датчиками отношения.

Линейные датчики

Неэлектрические параметры, которые требуется измерять на практике, очень разнообразны и многочисленны. На базе конденсатора, у которого равномерно распределено электрическое поле в рабочем промежутке, создаются устройства емкостных датчиков перемещения следующих видов:

• С изменяемой площадью электродов.
• С изменяемым промежутком между обкладками.

Датчики с переменной площадью удобнее для контроля значительных перемещений, а датчики с изменяемым промежутком удобнее для контроля незначительных перемещений.

Датчики угловых перемещений имеют принцип работы, аналогичный линейным датчикам. При этом эти датчики также рекомендуются для малых интервалов перемещений угла. Для таких целей часто используют в эксплуатации многосекционные модели с изменяемой площадью пластин.

Подобные датчики имеют крепление одного электрода на валу контролируемого объекта. При угловом смещении вала изменяется площадь пластин конденсатора, что приводит к изменению емкости. Это изменение обрабатывается электронной схемой.

Инклинометры

Другими словами такое устройство называют датчиком крена. Они получили название инклинометров, выполнены в виде дифференциального емкостного датчика наклона. Эта конструкция имеет чувствительный компонент в виде капсулы.

Чувствительная капсула включает в себя подложку с планарными электродами (1), которые покрыты диэлектрическим слоем, а также корпус (2), герметично зафиксированный на подложке. Частично внутренняя часть корпуса заполнена токопроводящей жидкостью (3). Она является общим выводом чувствительного компонента.

Общий электрод создает с электродами своеобразный дифференциальный конденсатор. Сигнал выхода датчика прямо зависит от размера емкости, которая зависит от расположения корпуса.

Инклинометр сконструирован с линейной зависимостью сигнала выхода от угла наклона в рабочей плоскости и не меняет значения в нерабочей плоскости. В этом случае сигнал имеет незначительную зависимость от изменения температуры. Чтобы определить расположение плоскости применяется два инклинометра, находящихся между собой под прямым углом.

Инклинометры небольшого размера с сигналом, зависящим от угла наклона датчика, нашли применение совсем недавно. Они имеют высокую точность, малые габариты, у них нет движущихся деталей. Стоимость их также невысока. Все эти достоинства позволяют рекомендовать их для применения датчиками наклона, а также для замены угловых датчиков, в том числе и на движущихся объектах.

Датчики уровня токонепроводящих веществ, находящихся в жидком состоянии, представляют собой схему из двух соединенных параллельно емкостей. Они стали популярными в различных отраслях, системах проверки, при работе с сыпучими и вязкими материалами, в условиях конденсата.

Датчики давления

Конструкция таких датчиков отличается устройством преобразователя. Он выполнен в виде воздушного конденсатора. Одна его пластина является неподвижной, а вторая передвигается под воздействием упругого преобразователя.

Устройство и работа

1 — Корпус датчика обеспечивает возможность установки выключателя, защиту от внешних воздействий различных факторов. Материалом корпуса обычно является полиамид или латунь. В комплект входят крепежные изделия.
2 — Компаунд, состоящей из специальной смолы, создает защиту элементов датчика от попадания влаги и других посторонних веществ.
3 — Триггер создает необходимую крутизну сигнала коммутации и величину гистерезиса.
4 — Подстроечный элемент.
5 — Светодиод обеспечивает оперативность настройки, показывает положение выключателя.
6 — Усилитель повышает сигнал выхода до требуемой величины.
7 — Демодулятор модифицирует изменение колебаний высокой частоты в изменение напряжения.
8 — Генератор создает электрическое поле для воздействия на объект.
9 — Электроды.

Рабочая поверхность датчика выполнена в виде двух металлических электродов. Они играют роль обкладок конденсатора, которые подключены в цепь обратной связи автогенератора высокой частоты. Генератор настроен на приближение объекта к активной поверхности.

При приближении контрольного объекта он меняет емкость, вследствие чего генератор вступает в работу и образует колебания с увеличивающейся амплитудой по приближению к объекту. Повышение амплитуды обрабатывается электронной схемой, которая создает сигнал выхода.

Емкостные датчики приводятся в действие от электропроводных объектов и диэлектриков. При приближении токопроводящих объектов расстояние срабатывания Sr значительно больше, чем при воздействии диэлектриков. Расстояние срабатывания снижается, и зависит от диэлектрической проницаемости диэлектрика Er.

Особенности конструкции

Чаще всего емкостные датчики выполняются в виде цилиндрического или плоского конденсатора. Подвергаемое контролю перемещение испытывает одна обкладка. При этом она создает изменение емкости, которая выражается:

где ε является диэлектрической проницаемостью материала, d – зазор, S – площадь пластин.

Емкостные датчики способны работать при замере разных параметров по трем направлениям, зависящим от связи контролируемой величины с параметрами:

• Переменным расстоянием между пластинами.
• Площадью перекрытия пластин.
• Изменяемой диэлектрической проницаемости материала.

В случае с диэлектрической проницаемостью входным параметром будет состав, который заполняет объем между обкладками. Такие емкостные датчики стали популярными при контроле размеров малых объектов, влажности тел.

Достоинства

Емкостные датчики имеют множество преимуществ в отличие от других видов. К ним можно отнести:

• Форма датчика легко совмещается с разными конструкциями и поставленными задачами.
• Не требуется больших усилий для передвижения чувствительного компонента.
• Длительная эксплуатация.
• Отсутствие подвижных контактов.
• Повышенная чувствительность.
• Малый расход электроэнергии.
• Небольшие габаритные размеры и масса.
• Технологичность при изготовлении, применение дешевых материалов и веществ.

Емкостные датчики славятся своей простой конструкцией, что дает возможность создания надежных и прочных устройств. Свойства конденсатора зависят всего лишь от геометрических параметров, и не имеют зависимости от свойств применяемых материалов, при условии их правильного подбора. Поэтому при проектировании пренебрегают влиянием температуры на площадь поверхности и размера между пластинами, при правильном выборе изоляции и металла.

Недостатки

• Работа на высокой частоте.
• Повышенные требования к экранированию элементов.
• Малый коэффициент преобразования.

При использовании емкостных датчиков необходимо обеспечивать защиту от ложных сработок. Они возникают из-за случайного касания работника, атмосферными осадками, различными жидкостями.

Применение

Емкостные датчики используются в разных сферах производства и деятельности человека. Они применяются в управлении технологическими процессами и системах регулировки во всех промышленных производствах. Сегодня наиболее популярными датчиками стали датчики присутствия, которые являются надежными конструкциями. Они имеют невысокую цену, и широкий спектр направлений по использованию.

Основными областями применения датчиков стали:

• Подсчет штучного товара.
• Регулировка натяжения конвейера.
• Сигнализация обрыва проводника при намотке.
• Контроль наполнения упаковки.
• Сигнализация при заполнении стеклянных и пластиковых сосудов.

Похожие темы:

• Индуктивные датчики. Виды. Устройство. Параметры и применение
• Датчики Холла. Виды и применения. Работа и подключения
• Тензометрические датчики (Тензодатчики). Виды и работа. Устройство
• Датчики давления. Виды и работа. Как выбрать и применение
• Датчики температуры. Виды и принцип действия, Как выбрать
• Ультразвуковые датчики часть 1. Устройство и работа
• Ультразвуковые датчики часть 2. Типы и работа. Применение

Все продукты | Schneider Electric Россия

• Распределение электроэнергии низкого напряжения

• se.com/ru/ru/work/products/building-automation-and-control/»>

  Автоматизация и безопасность зданий

• Распределение электроэнергии среднего напряжения и автоматизация электроснабжения

• Системы резервного питания и охлаждения

• Электроустановочное оборудование и системы управления домом

• se.com/ru/ru/work/products/industrial-automation-control/»>
  Автоматизация и промышленный контроль

• Солнечная энергетика

Самые популярные серии

Самые популярные серии

Самые популярные серии

Самые популярные серии

Самые популярные серии

Самые популярные серии

Самые популярные серии

• Серии: 65

• Серии: 25

• Серии: 22

• Серии: 25

• Серии: 11

• Серии: 46

• Серии: 26

• Серии: 1

• Серии: 35

Емкостные датчики | Баумер США

2. Обзор продукта
3. Обнаружение объекта
4. Емкостные датчики

Ассортимент продукции

Датчики в металлическом корпусе

• Цилиндрические (от Ø12 до 30 мм) и прямоугольные (20 мм) конструкции датчиков
• Монтаж заподлицо
• Чувствительность
• настраиваемое расстояние переключения с определенным значением по умолчанию004 до 15 мм

Открыть в селекторе продуктов

Датчики в пластиковом корпусе

• Цилиндрические (от Ø12 до 30 мм) и прямоугольные (30 мм) датчики
• Монтаж заподлицо/не заподлицо
• Конфигурируемая чувствительность
• Варианты с определенной точкой переключения по умолчанию
• 0 Расстояние переключения до 30 мм

Открыть в селекторе продуктов

Особо плоская конструкция

• 52,4 × 25 × 6 мм
• Монтаж заподлицо
• Гибкая и простая установка благодаря уникальной монтажной раме
• Возможность каскадного подключения нескольких датчиков
• Расстояние срабатывания до 15 мм

Открыть в селекторе продуктов

Ваши преимущества

• Исключительная долговечность и высокая безопасность процесса благодаря бесконтактному принципу измерения
  • Расстояние срабатывания до 30 мм и особенно плоская конструкция позволяют устанавливать в защищенном месте и близко к процессу
• Надежное обнаружение множество различных материалов объекта
  • Независимо от цвета, блеска или свойств поверхности
  • Нечувствительны к пыли и грязи
  • Датчики с установкой заподлицо особенно рекомендуются для непроводящих (диэлектрических) сред
  • Исполнения для установки заподлицо идеально подходят для обнаружения проводящих сред и уровней заполнения

Применение

Обнаружение наличия пластиковых коробок

• Простая установка датчика в защищенном месте
• Большое расстояние срабатывания обеспечивает надежное обнаружение коробок
• Устойчивость к пыли и грязи

Обнаружение пластин на предприятиях по производству солнечных элементов

• Надежное обнаружение пластин благодаря большому расстоянию срабатывания
• Возможен утопленный монтаж благодаря плоской конструкции
9 прозрачности или яркости объектов

Обнаружение сыпучих материалов в установках для литья под давлением

• Благодаря прочной конструкции эти датчики защищены от механического износа.
• Обнаружение, не зависящее от поверхности
• Быстрая и простая установка
  

Технология

Емкостной датчик в основном работает как открытый конденсатор. Между измерительным электродом и заземляющим электродом образуется электрическое поле. Если в электрическое поле попадает материал с диэлектрической проницаемостью εr больше, чем у воздуха, емкость поля увеличивается в зависимости от εr этого материала. Электроника измеряет это увеличение мощности, генерируемый сигнал преобразуется во время последующей обработки сигнала и вызывает переключение выхода с соответствующей величиной.

Процедура монтажа заподлицо и заподлицо
Утопленный монтаж емкостных датчиков для скрытого монтажа возможен во всех материалах. Необходимо соблюдать минимальное расстояние между датчиками. Для емкостных датчиков, не устанавливаемых заподлицо, вокруг головки датчика должна быть создана свободная зона, в которой не должно быть демпфирующего материала.

Загрузки

показать все

Вас также может заинтересовать

Дополнительные датчики

Аксессуары объект/расстояние/датчики 2D/3D

Датчики предельного уровня емкостные

Датчики уровня

Ультразвуковые датчики

Обнаружение объекта

Датчики уровня

Датчики процесса

Наверх Введение в емкостный датчик

Введение в емкостный датчик

Что такое емкостный датчик?

Емкостный датчик — это датчик приближения, который обнаруживает близлежащие объекты. своим влиянием на электрическое поле, создаваемое датчик. Простые емкостные датчики были доступны на рынке в течение многих лет и нашли свою нишу в обнаружение неметаллических объектов, но ограничено короткими дистанциями, обычно менее 1 см.

Емкостные датчики имеют некоторое сходство с радарами в их способности обнаруживать проводящие материалы, видя сквозь изоляционные материалы например, дерево или пластик. На практике отличия значительный; По сравнению с радаром, емкостные датчики:

• Проще, поэтому потенциально меньше, дешевле и меньше жадный до власти.
• Датчики приближения, а не датчики дальности. Они делают нет дают прямую индикацию того, как далеко находится обнаруженный объект. А более удаленная сильная цель может давать такой же ответ, как и ближайшая слабая цель.
• Ненаправленные и с малым радиусом действия.

При использовании для обнаружения объектов вокруг транспортного средства некоторые из недостатки емкостного датчика менее проблематичны. А практичная система имеет множество датчиков, регулярно расположенных снаружи транспортного средства. Это означает, что всегда есть датчик рядом, так что большой дальности не требуется, и объекты можно приблизительно локализовать с помощью в каком датчике они обнаружены. Ненаправленный отклик на самом деле желательно, так как он может обнаруживать объекты, которые находятся между датчиками, но очень близко к машине.

Что он может обнаружить?

Из-за своей ненаправленности емкостной датчик измеряет некоторые емкость от объектов в окружающей среде, которые всегда присутствуют и поэтому не интересны. При установке на автомобиль, датчик определяет сам автомобиль и землю. Неизвестный объекты обнаруживаются по мере увеличения этого фона емкость.

Коммерческие емкостные датчики обычно работают на расстоянии 1 см или меньше. В этих диапазонах емкость объекта приближается к фоновой емкости. Однако на 1 м. изменение емкости на порядки меньше, и намного меньше чем фоновая емкость. необходимо определить какие эта фоновая емкость такова, что ее можно вычесть из измерение.

Так как фоновая емкость велика по сравнению с емкость объекта, а также подвержен дрейфу, гораздо проще использовать датчик для обнаружения изменений в окружающей среде, чем для обнаружения абсолютное присутствие или отсутствие неизвестного объекта. Количество изменение фоновой емкости зависит от того, насколько стабильна среда является. В относительно плохо контролируемой среде, такой как вне автомобиля, обнаружение абсолютного присутствия человека вероятно, ограничено 30 см или меньше.

В этом режиме детектора изменений датчик не столько присутствие детектор как датчик изменения присутствия, что-то вроде пассивный инфракрасный датчик движения (PIR.)   Однако из-за его емкостный датчик движения может быть использован в ситуации, когда ИК-детектор будет ложно реагировать на очевидные фон меняется. Это верно в предлагаемом автомобиле применение безопасности, когда движение транспортного средства вызывает изменения в тепловой фон.

Спектр распространения:

Концепция работы с расширенным спектром широко используется в современных системы связи, потому что она имеет многочисленные преимущества перед традиционные узкополосные системы связи. Подход здесь обсуждается прямо спектр расширения последовательности, где код псевдослучайного шума (PN) передается, а затем наличие кода обнаруживается корреляция между принятым сигналом и известным кодом последовательность. Применение расширенного спектра прямой последовательности к емкостным датчикам особенно просто, потому что передатчик и приемник расположены в одном и том же месте, поэтому синхронизация кода передачи и приема тривиальный.

Есть большой много хорошего вводного материала в Интернете, который я не буду дубликат. Вот несколько ссылок: Азбука распространения Спектр, Распространение Спектр (СС) — Введение, Распространять Спектральные методы.

Ключевым свойством системы с расширенным спектром является усиление обработки, что является мерой того, насколько широк спектр. Обработка прирост — отношение ширины полосы занимаемого спектра расширенного сигнала к фактической полосе пропускания сигнала. В радиочастотных системах связи, прирост обработки от 10 до 1000 является типичным. В этой системе в полоса пропускания демодулятора составляет примерно 100 кГц, а на выходе полоса пропускания составляет 1,5 Гц, поэтому выигрыш в обработке составляет 67 000, или 96 дБ.

Для емкостных датчиков расширение спектра имеет три основных преимущества:

1. Существенная невосприимчивость к узкополосным мешающим сигналам.