Емкостной датчик принцип работы. Емкостные датчики: принцип работы, типы и применение

Что такое емкостные датчики. Как работают емкостные датчики. Какие бывают типы емкостных датчиков. Где применяются емкостные датчики. Каковы преимущества и недостатки емкостных датчиков.

Что такое емкостные датчики и как они работают

Емкостные датчики — это устройства, принцип действия которых основан на изменении емкости конденсатора при воздействии измеряемой физической величины. Они преобразуют изменение емкости в электрический сигнал, который можно измерить и обработать.

Работа емкостного датчика основана на следующем принципе:

1. Датчик содержит конденсатор, емкость которого зависит от измеряемого параметра (например, расстояния, уровня жидкости и т.д.)
2. При изменении измеряемой величины меняется емкость конденсатора
3. Изменение емкости преобразуется в изменение электрического сигнала с помощью специальной схемы
4. Полученный сигнал обрабатывается для определения значения измеряемого параметра

Таким образом, емкостные датчики позволяют косвенно измерять различные физические величины путем преобразования их в изменение емкости.

Основные типы емкостных датчиков

Существует несколько основных типов емкостных датчиков:

1. Однопластинчатые емкостные датчики

Содержат одну пластину конденсатора, вторая пластина — измеряемый объект. Применяются для измерения расстояния, положения, уровня.

2. Дифференциальные емкостные датчики

Имеют три пластины — одну центральную подвижную и две неподвижные. Позволяют повысить точность и линейность измерений.

3. Емкостные датчики с изменяемой площадью пластин

Площадь перекрытия пластин меняется в зависимости от измеряемой величины. Используются для измерения угловых перемещений.

4. Емкостные датчики с изменяемым зазором

Расстояние между пластинами меняется под действием измеряемого параметра. Применяются для измерения давления, силы.

Области применения емкостных датчиков

Емкостные датчики нашли широкое применение в различных отраслях промышленности и техники:

• Измерение уровня жидкостей и сыпучих материалов в резервуарах
• Контроль положения и перемещения деталей
• Измерение давления и силы
• Определение влажности воздуха и материалов
• Сенсорные панели и кнопки в бытовой технике
• Системы безопасности и охраны
• Автомобильная электроника
• Медицинское оборудование

Емкостные датчики особенно эффективны для бесконтактных измерений в агрессивных средах.

Преимущества и недостатки емкостных датчиков

Емкостные датчики обладают рядом важных достоинств:

• Высокая чувствительность и точность измерений
• Возможность бесконтактного измерения
• Простота конструкции
• Высокая надежность и долговечность
• Низкое энергопотребление
• Устойчивость к вибрациям и ударам

К недостаткам можно отнести:

• Чувствительность к паразитным емкостям
• Зависимость показаний от температуры и влажности
• Сложность измерительной схемы
• Ограниченный диапазон измерений

Конструкция и принцип действия емкостного датчика уровня

Рассмотрим подробнее конструкцию и работу емкостного датчика уровня жидкости как одного из наиболее распространенных типов:

1. Датчик состоит из двух коаксиальных цилиндрических электродов, погруженных в резервуар с жидкостью
2. Жидкость выступает в роли диэлектрика между электродами
3. При изменении уровня жидкости меняется площадь перекрытия электродов
4. Это приводит к изменению емкости конденсатора, образованного электродами
5. Измерительная схема преобразует изменение емкости в выходной сигнал
6. По величине сигнала определяется текущий уровень жидкости в резервуаре

Таким образом, емкостной метод позволяет эффективно измерять уровень различных жидкостей, в том числе агрессивных и электропроводящих.

Применение емкостных датчиков в системах безопасности

Емкостные датчики широко используются в охранных системах и системах контроля доступа. Их применение основано на следующих принципах:

• Человеческое тело обладает электрической емкостью
• При приближении человека к датчику меняется емкость системы
• Это изменение регистрируется датчиком
• Формируется сигнал о присутствии человека в контролируемой зоне

Такие датчики позволяют обнаруживать проникновение в охраняемые помещения, контролировать доступ, управлять освещением и т.д. Они отличаются высокой надежностью и устойчивостью к ложным срабатываниям.

Особенности применения емкостных датчиков в промышленности

В промышленных условиях емкостные датчики имеют ряд особенностей применения:

• Необходимость защиты от электромагнитных помех
• Использование специальных материалов для работы в агрессивных средах
• Применение взрывозащищенных исполнений во взрывоопасных зонах
• Повышенные требования к точности и надежности измерений
• Интеграция в системы автоматического управления

Правильный выбор и установка емкостных датчиков позволяет эффективно решать широкий спектр измерительных задач в промышленности.

Перспективы развития емкостных датчиков

Емкостные датчики продолжают активно развиваться. Основные направления совершенствования:

• Повышение точности и расширение диапазона измерений
• Миниатюризация конструкции
• Создание интеллектуальных датчиков с функциями самодиагностики
• Разработка беспроводных емкостных датчиков
• Применение новых материалов для повышения надежности
• Интеграция с технологиями Интернета вещей

Развитие емкостных датчиков открывает новые возможности для измерений и автоматизации в различных областях науки и техники.

типы и принцип работы, схемы подключения

Повышенная влажность в помещении может привести к раскисанию обоев, создает благоприятную среду для образования грибков и плесени, размножения насекомых и т.д. При недостатке влаги в воздухе пересыхают стены, ухудшается самочувствие жильцов, происходит преждевременное растрескивание материалов. Для предотвращения негативных последствий из-за несоблюдения микроклимата в помещении производится постоянный контроль концентрации воды в воздухе. Неоценимую помощь в решении данной задачи оказывает датчик влажности.

Типы и принцип работы

Количество влаги в окружающем пространстве вычисляется как масса воды в кубометре воздуха и определяется, как процент насыщения. В основе работы любого датчика влажности лежит перевод физического количества влаги в электрический сигнал. По способу определения количества воды датчики влажности могут использовать прямой или косвенный метод измерения.  В зависимости от принципа действия все устройства условно подразделяются на шесть типов, которые мы и рассмотрим более подробно.

Резистивный

Рис. 1. Устройство резистивного датчика влажности

Представляет собой один из наиболее дешевых типов датчиков влажности. В основе его работы лежит свойство некоторых проводящих материалов впитывать влагу, за счет чего изменяется омическое сопротивление элемента.

В качестве таких материалов применяются порошковые пористые структуры, чаще всего, оксид алюминия. Порошок наносят на плату между двумя электродами, выполненными в виде дорожек, и запекают до состояния пленки. Наличие пленочной поверхности предотвращает последующее растворение керамического порошка и образование конденсата в его структуре. Однако  при взаимодействии с молекулами воды, содержащимися в воздухе, пленка меняет физические свойства.

Так, в  относительно сухом состоянии проводимость датчика влажности характеризуется номинальной величиной. Но, по мере накопления влаги на поверхности пленки сопротивление такого резистора пропорционально уменьшиться, проводимость возрастет, как и величина протекающего в цепи тока.

За счет измерения тока или падения напряжения на резистивном элементе осуществляется контроль влажности.

Емкостной

Рис. 2. Принцип действия емкостного датчика влажности

Емкостной датчик влажности функционирует по принципу классического конденсатора, обкладки которого взаимодействуют с воздухом окружающего пространства. Всего выделяют три основных вида емкостных сенсоров, отличающихся конструктивными особенностями:

• Первый тип представляет собой две пластины, между которыми находится воздушное пространство. В сухом состоянии воздух является диэлектриком, поэтому емкость конденсатора максимальная. По мере насыщения воздуха влагой повысятся его проводящие свойства и емкость пропорционально уменьшиться.  
• Второй тип – представляет собой тот же конденсатор, между пластинами которого находится чувствительный диэлектрик, активно реагирующий на влагу. К выводам конденсатора подаются импульсы установленной частоты, что позволяет точнее вычислять степень влажности.
• Третий тип – представляет собой пластины на плате, изготовленные в форме гребенки. Такие модели требуют дополнительной температурной компенсации в ходе измерений.

Термисторный

В основе работы такого датчика влажности лежит термистор – нелинейный резистор, чье сопротивление напрямую зависит от температуры окружающей среды. Термистор обладает нелинейной вольтамперной характеристикой, при малейшем изменении температуры элемента омическое сопротивление также меняется.

Рис. 3. Термисторный датчик влажности

Принцип действия термисторного датчика влажности основывается на сравнении показаний двух термисторов. Один из них размещается в герметичной капсуле с сухим воздухом и является базисным параметром. Второй термистор устанавливается в перфорированную капсулу, которая взаимодействует с воздушными массами. Оба термистора располагаются в плечах измерительного моста для сравнения показаний.

При увлажнении воздушного пространства термистор в перфорированной капсуле покрывается влагой. Слой жидкости начинает испаряться с поверхности резистора, благодаря чему он быстрее остывает, в результате чего меняются характеристики устройства. В виду наличия разницы сопротивления двух термисторов мост выйдет из состояния равновесия. Чем больше влажность, тем сильнее изменится электрическая величина, по мере изменения тока или напряжения будет определяться степень влажности.

Оптический

Рис. 4. Принцип действия оптического датчика влажности

Оптический датчик влажности работает по принципу определения точки росы – состояния среды, при котором парообразная влага из воздуха оседает в виде капель на поверхности.

Принцип действия такого устройства основан на такой последовательности операций:

• С одной стороны зеркало нагревается или охлаждается для получения точки росы на его поверхности.
• С другой стороны на него подается луч света, излучаемый, как правило, отдельно установленным светодиодом.
• Свет отражается от зеркала и попадает на фотодиод или другой светочувствительный элемент, реагирующий на интенсивность светового потока.
• При появлении капель на поверхности зеркала свет будет преломляться, интенсивность потока снизится и величина тока, пропускаемом фотодиодом изменится.

Оптический датчик влажности считается наиболее точным, но и наиболее дорогим. Основной сложностью в эксплуатации такого устройства является необходимость содержания поверхности в чистоте, иначе точность измерений существенно снизится.

Электронный

В основу работы электронного датчика влажности заложен принцип изменения состояния электролита, в зависимости от фактора влажности. Такое устройство оснащается зондом, как правило, с двумя разнесенными электродами. Электроды помещаются в  контролируемое пространство и при подаче напряжения начинают проводить электрический ток. По мере увлажнения промежутка между электродами проводимость увеличится и возрастет сила тока.

Таки модели отлично подходят для электронных систем в качестве измерительного органа, анализирующего уровень влажности. Они могут подключаться к простейшим микроконтроллерам или реле.

Механический

Рис. 5. Механический датчик влажности

В отличи от предыдущих типов датчиков  осуществляют измерение влажности посредством механических перемещений. Наиболее популярными являются весоизмерительные и волосные.

Первый тип включает в себя трубки, наполненные гигроскопичным веществом, как правило, хлоридом кальция или перхлоратом магния. Которое впитывает влагу из окружающей среды и увеличивает свою массу. По мере увеличения веса механически перемещается стрелка весов.

Волосные функционируют по принципу удлинения человеческого волоса по мере воздействия на него влаги. Механические датчики отличаются низкой себестоимостью, им не требуется дополнительный источник питания, но они имеют относительно большую погрешность.

Схемы подключения

Датчик влажности может иметь самое различное назначение, от чего и будет зависеть схема его подключения. В качестве простейшего примера рассмотрим вариант подключения к вытяжке.

Рис. 6. Пример подключения датчика влажности к вытяжке

Как видите на схеме, фазный проводник L подключается через коммутатор сенсора. При насыщении воздуха влагой до установленного предела контакты замкнуться и питание будет подано в цепь питания вентилятора. Что приведет к принудительному проветриванию помещения.

Рис. 7. Схема подключения датчика влажности к микроконтроллеру

Как видите, на данной схеме представлен принцип работы датчика влажности через аналоговый сигнал. Здесь подключение производится подключение выводов сенсора к клеммам микроконтроллера Ардуино:

• VCC к разъему 7 Arduino;
• GND к разъему GND;
• A0 к одноименному A0.

Также рекомендую ознакомиться с проектом метеостанции на Ардуино.

Особенности датчиков влажности

В повседневной жизни человеку приходится решать ряд как производственных, так и бытовых задач. И для каждой из них необходимо подбирать соответствующий тип датчика влажности. Наиболее существенным критерием для  измерения является контролируемая среда.

Для почвы.

Рис. 8. Использование датчика влажности для почвы

За счет установки датчика влажности можно обеспечивать автоматический полив грядок или горшков с рассадой. Для этого чаще всего используют электронные датчики, зонд которых устанавливаются в грунт растения.

При поливе содержание влаги в земле повышается, что существенно увеличивает проводимость грунта. Как только вода испарится, почва высохнет, и сопротивление между электродами датчика снова увеличится.

Для воздуха.

Для воздуха отлично подходят емкостные, резистивные, термисторные и оптические датчики. Внутри которых или вокруг чувствительных элементов легко обеспечивается циркуляция газа с измеряемой влагой.

Датчики с закрытыми или герметичными зондами обладают меньшей реакцией на изменения влажности. Поэтому подойдут для той среды,  где концентрация влаги изменяется плавно без резких перепадов.

Сферы применения

Вода играет немаловажную роль не только в жизни человека, но и в ряде технологических процессов. Поэтому сфера применения датчика влажности достаточно обширна:

• Производство химических реагентов и сырья;
• При транспортировке горюче-смазочных материалов;
• В соответствии с п.5.7.2 ГОСТ Р 54082-2010 датчики влажности используются в испытательных камерах для определения концентрации паров воды;
• Для фармацевтических целей производства и хранения препаратов;
• В целях обслуживания холодильных установок;
• На фабриках по переработке бумажной и целлюлозной продукции;
• В сфере производства и переработки продуктов питания;
• Для контроля микроклимата в лабораториях, хранилищах, жилых помещениях и т.д.;
• Для сельского хозяйства и отраслей легкой промышленности.

Список использованной литературы

1. Берлинер М. А. «Измерения влажности»  1973
2. Виглеб Г.  «Датчики» 1989
3. Фрайден Дж. «Современные датчики. Справочник» 2005
4. РМГ 75-2014 ГСИ

Введение в емкостные датчики прикосновения

Добавлено 5 ноября 2016 в 15:30

Сохранить или поделиться

В данной статье мы подробно (но не слишком) рассмотрим принципы электричества, которые позволяют нам обнаруживать прикосновение человеческого пальца, используя немного больше, чем просто конденсатор.

Конденсаторы могут быть сенсорными

В течение последнего десятилетия или около того стало действительно трудно представить себе мир с электроникой без сенсорных датчиков прикосновений. Смартфоны являются тому наиболее заметным и распространенным примером, но, конечно, существуют и другие многочисленные устройства и системы, которые обладают датчиками прикосновений. Для построения сенсорных датчиков прикосновений могут использоваться и емкость, и сопротивление; в данной статье мы будем обсуждать только емкостные датчики, которые более предпочтительны в реализации.

Хотя применения, основанные на емкостных датчиках, могут быть довольно сложными, фундаментальные принципы, лежащие в основе данной технологии, достаточно просты. На самом деле, если вы понимаете суть емкости и факторы, которые определяют емкость конкретного конденсатора, вы стоите на правильном пути в понимании работы емкостных сенсорных датчиков прикосновения.

Емкостные сенсорные датчики касания делятся на две основные категории: на основе взаимной емкости и на основе собственной емкости. Первый из них, в котором конденсатор датчика состоит из двух выводов, которые действуют как излучающий и приемный электроды, является более предпочтительным для сенсорных дисплеев. Последний, в котором один вывод конденсатора датчика подключен к земле, является прямым подходом, который подходит для сенсорной кнопки, слайдера или колеса. В данной статье мы рассмотрим датчики на основе собственной емкости.

Конденсатор на базе печатной платы

Конденсаторы могут быть различных типов. Мы все привыкли видеть емкость в виде компонентов с выводами или корпусов поверхностного монтажа, но на самом деле, всё, что вам действительно необходимо, это два проводника, разделенных изолирующим материалом (т.е. диэлектриком). Таким образом, довольно просто создать конденсатор, используя лишь электропроводные слои, разделенные печатной платой. Например, рассмотрим следующие вид сверху и вид сбоку печатного конденсатора, используемого в качестве сенсорной кнопки прикосновения (обратите внимание на переход на другой слой печатной платы на рисунке вида сбоку).

Сенсорная кнопка

Изолирующее разделение между сенсорной кнопкой и окружающей медью создает конденсатор. В этом случае, окружающая медь подключена к земле, и, следовательно, наша сенсорная кнопка может быть смоделирована, как конденсатор между сенсорной сигнальной площадкой и землей.

Возможно, сейчас вы захотите узнать, какую емкость реально обеспечивает такая разводка печатной платы. Кроме того, как мы рассчитаем ее точно? Ответ на первый вопрос: емкость очень мала, может составлять около 10 пФ. Что касается второго вопроса: не беспокойтесь, если забыли электростатику, потому что точное значение емкости конденсатора не имеет никакого значения. Мы ищем только изменения в емкости, и мы можем обнаружить эти изменения без знания номинального значения емкости печатного конденсатора.

Влияние пальца

Так что же вызывает эти изменения емкости, которые контроллер датчика прикосновений собирается обнаружить? Ну, конечно же, человеческий палец.

Влияние пальца на сенсорную кнопку

Прежде, чем мы обсудим, почему палец изменяет емкость, важно понимать, что здесь нет прямого электрического контакта; палец изолирован от конденсатора лаком на печатной плате и, как правило, слоем пластика, который отделяет электронику устройства от внешней среды. Так что палец не разряжает конденсатор, и, кроме того, количество заряда, хранимое в конденсаторе в определенный момент, не представляет интереса – скорее интерес представляет емкость в определенный момент.

Итак, почему же присутствие пальца изменяет емкость? Есть две причины: первая включает в себя диэлектрические свойства пальца, а вторая включает в себя его проводящие свойства.

Палец как диэлектрик

Обычно мы думаем о конденсаторе, как имеющем фиксированную величину, определяемую площадью двух проводящих пластин, расстоянием между ними и диэлектрической проницаемостью материала между пластинами. Мы, конечно, не можем изменить физические размеры конденсатора, просто прикоснувшись к нему, но мы можем изменить диэлектрическую проницаемость, так как палец человека обладает диэлектрическими характеристиками, отличающимися от материала (предположительно воздуха), который он вытесняет. Это правда, что палец не будет находиться в настоящей области диэлектрика, т.е. в изолирующем пространстве непосредственно между проводниками, но такое «вторжение» в конденсатор необязательно:

Влияние пальца на сенсорную кнопку в качестве диэлектрика

Как показано на рисунке, чтобы изменить диэлектрические характеристики, нет необходимости помещать палец между пластинами, поскольку электрическое поле конденсатора распространяется в окружающую среду.

Оказывается, что человеческая плоть является довольно хорошим диэлектриком, потому что наши тела состоят в основном из воды. Относительная диэлектрическая проницаемость вакуума равна 1, а относительная диэлектрическая проницаемость воздуха лишь немного выше (около 1,0006 на уровне моря при комнатной температуре). Относительная диэлектрическая проницаемость воды намного выше, около 80. Таким образом, взаимодействие пальца с электрическим полем конденсатора представляет собой увеличение относительной диэлектрической проницаемости, и, следовательно, приводит к увеличению емкости.

Палец как проводник

Любой, кто испытал на себе удар электрического тока, знает, что кожа человека проводит ток. Я уже упоминал выше, что прямого контакта между пальцем и сенсорной кнопкой (то есть ситуации, когда палец разряжает печатный конденсатор) нет. Тем не менее, это не означает, что проводимость пальца не имеет значения. Она на самом деле весьма важна, так как палец становится второй проводящей пластиной в дополнительном конденсаторе:

Влияние пальца на сенсорную кнопку в качестве проводника

На практике мы можем предположить, что этот новый конденсатор, созданный пальцем, подключен параллельно существующему печатному конденсатору. Эта ситуация немного сложнее, потому что человек, использующий сенсорное устройство, электрически не соединен с землей на печатной плате, и, таким образом, эти два конденсатора не включены параллельно в обычном для анализа цепей смысле.

Тем не менее, мы можем думать о человеческом теле, как об обеспечивающем виртуальную землю, поскольку оно имеет относительно большую емкость, чтобы поглощать электрический заряд. В любом случае, нам не нужно беспокоиться о точной электрической связи между конденсатором с пальцем и печатным конденсатором; важным моментом является то, что псевдопараллельное соединение этих двух конденсаторов означает, что палец будет увеличивать общую емкость, так как конденсатор добавляется параллельно.

Таким образом, мы можем увидеть, что оба механизма влияния при взаимодействии пальца и емкостного датчика касания способствуют увеличению емкости.

Близкое расстояние или контакт

Предыдущее обсуждение приводит нас к интересной особенности емкостных датчиков касаний: измеряемое изменение емкости может быть вызвано не только контактом между пальцем и датчиком, но и близким расстоянием между ними. Я обычно думаю о сенсорном устройстве, как о замене механического переключателя или кнопки, но емкостная технология датчиков касаний на самом деле представляет собой новый уровень функциональности, позволяя системе определять расстояние между датчиком и пальцем.

Оба механизма изменения емкости, описанные выше, оказывают влияние, которое зависит от расстояния. Для механизма на базе диэлектрической проницаемости количество «мясного» диэлектрика взаимодействие с электрическим полем конденсатора увеличивается при приближении пальца к проводящим частям печатного конденсатора. Для механизма на базе проводящих свойств емкость конденсатора с пальцем (как и любого другого конденсатора) обратно пропорциональна расстоянию между проводящими пластинами.

Имейте в виду, что этот метода не подходит для измерения абсолютного расстояния между датчиком и пальцем; емкостные датчики не предоставляют тех данных, которые необходимы для выполнения точных вычислений абсолютных расстояний. Я полагаю, что можно было бы откалибровать емкостную сенсорную систему для грубых измерений расстояний, но так как схема емкостных датчиков была разработана для обнаружения изменения емкостей, то отсюда следует, что эта технология особенно подходит для обнаружения изменения в расстояниях, т.е. когда палец приближается или удаляется от датчика.

Заключение

Теперь вы должны точно понимать фундаментальные основы, на базе которых строятся емкостные сенсорные системы. В следующей статье мы рассмотрим методы реализации этих основ, которые помогут вам перейти от теории к практике.

Следующая статья в серии: Схемы и методы реализации емкостных датчиков касаний

Надеюсь, статья оказалась полезной. Оставляйте комментарии!

Оригинал статьи:

Теги

ДатчикЕмкостной датчик касанияЕмкостьПаразитная емкостьПечатный конденсатор

Сохранить или поделиться

Емкостной датчик уровня-полное описание,применение

Современную промышленность невозможно представить себе без различного рода электроники. Приборы помогают во всем, а некоторые процедуры без них выполнить вообще не представляется возможным.

К таковым помощникам относятся емкостные датчики. Так называются преобразователи, разработанные по параметрическому принципу.

Измерение некоего объема подобными приборами осуществляется колебаниями емкостного сопротивления по ходу измерения необходимых параметров. Оценивается изменение емкостей конденсаторов под влиянием внешних факторов.

Применение

Области их возможного использования чрезвычайно разнообразны. Во всех областях промышленности могут встречаться операции, которые выполняются именно такими приборами.

Их применяют для стабилизации уровней заполнения различных резервуаров с жидким, сыпучим или даже газообразным содержимым.

Распространенность их в промышленности и простой производственной деятельности тем выше, чем проще и надежнее конструкция подобных приборов.

По совокупности своих характеристик датчики настолько хороши, что могут быть использованы даже в особо агрессивных условиях, например, в трюмах нефтеналивных танкеров.

Емкостной датчик можно использовать как конечный выключатель на линии конвейера или станке производственного цеха. Устройство потребуется для повышения точности позиционирования разнообразных механизмов.

Устройство

Емкостные бecконтакные датчики функционируют следующим образом:

• Генератором обеспечивается электрическое поле.
• Демодулятором преобразуется изменение амплитуд высокочастотных колебаний генераторов в изменение постоянного напряжения.
• Триггером обеспечивается необходимая крутизна фронта сигналов переключения, а также значение гистерезиса.
• Усилители увеличивают выходной сигнал до необходимых значений.
• Светодиодные индикаторы показывают состояние выключателей, обеспечивают работоспособность и оперативность настройки.
• Компаунды обеспечивают защиту от проникновения твердых частей и жидкостей.
• Корпуса обеспечивают монтаж выключателя, защищают от механических воздействий. Создаются из полиамида или латуни, комплектуются метизными изделиями.

Виды датчиков

Применяемые в промышленности методы их производства позволяют делить все выпускаемые виды датчиков на два основных типа: одноемкостные и двухъемкостные.

Двухъемкостная разновидность делится на дифференциальные и полудифференциальные.

Одноемкостный прибор. В данном примере схемы датчиков могут быть до крайности простыми, так как их основой может послужить применение обычного конденсатора с переменными емкостями.

К сожалению, даже минимально повышенная температура и влажность оказывают на точность показаний довольно ощутимое влияние. По этой причине довольно часто возникают различные сбои в работе датчиков.

Для нивелирования величин таких погрешностей, используются дифференцированные конструкции. Двухъемкостные датчики являются конкретным примером дифференцированной структуры.

Очень часто встречаются емкостные датчики уровня, изготовленные именно по этой схеме. Такие приборы избавлены от многих недостатков предыдущих моделей, но имеют свои слабые стороны. Одним из самых значимых их недостатков является необходимость применения между поверхностью и самим устройством нескольких экранированных проводов.

Только таким способом можно подавлять паразитные емкости. На сложные устройства емкостных датчиков можно не обращать внимания потому, что вы получаете довольно точное и чувствительное устройство.

Пишите комментарии,дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

Поделиться ссылкой:

Похожее

Емкостный датчик и преобразователь

и его приложения

Что такое емкостной датчик и его приложения

Что такое конденсатор?

Конденсатор — это электрический компонент, используемый для хранения энергии и, следовательно, используемый при проектировании схем. Они хранят электроны. Конденсаторы еще называют конденсаторными. Его можно найти в различных диапазонах значений. Конденсатор имеет два вывода и действует как пассивный элемент.

Конденсатор состоит из двух проводниковых пластин, между которыми размещена диэлектрическая среда.Один конец вывода конденсатора хранит положительную энергию, а другой вывод — отрицательную. Конденсатор начинает заряжаться, когда к нему добавляется электрическая энергия, и разряжается, когда энергия перестает поступать в конденсатор. Итак, это означает, что когда конденсатор накапливает ток, он заряжается, и конденсатор начинает разряжаться, когда ток разряжается. Электрический ток, накопленный в конденсаторе, выражается в единицах Фарада.

Модель конденсатора

Конструкция конденсатора

Емкостные преобразователи:

Емкостный преобразователь используется для измерения смещения, давления и многих других физических величин.Он действует как пассивный преобразователь, поэтому не требует внешнего источника питания. Как обсуждалось выше, емкостный преобразователь имеет две параллельные пластины с диэлектрической средой между пластинами. Диэлектрическая среда может быть воздухом, газом или жидкостью. Электрический заряд конденсатора используется для преобразования механического смещения в электрический сигнал.

Принцип действия:

Во время зарядки конденсатора ни на одной из пластин не будет заряда.Это приводит к нулевой напряженности электрического поля между двумя пластинами.

Q = CV

Где C — константа пропорциональности, известная как емкость конденсатора. Величина C зависит от размера пластины и диэлектрического материала, расположенного между пластинами. Это зависит от площади поверхности пластины, расстояния между двумя пластинами и диэлектрической проницаемости материала. В емкостных преобразователях значение емкости варьируется. Емкостной преобразователь в основном используется для измерения линейного смещения.Емкостной преобразователь использует следующие три эффекта.

• Изменение емкости преобразователя из-за изменения площади пластин конденсатора. → A
• Изменение емкости связано с изменением расстояний между пластинами → d
• Емкость изменяется из-за диэлектрической проницаемости. → ε

Емкость — это пропорция количества энергии, накопленной на одной из пластин, к уровню напряжения на конденсаторе.Емкость прямо пропорциональна области пластины и обратно пропорциональна их диапазону.

ε — константа пропорциональности и называется проницаемостью материала, разделяющего пластины конденсатора

Когда используется изоляционный материал, емкость задается как

Где

• ε ₀ — диэлектрическая проницаемость свободного пространства (8,85 x 10 ^-12 Ф / м)
• εr — диэлектрическая проницаемость изоляционной среды (εr = 1 для воздуха)
• A — площадь пластины (м ² )
• d — расстояние между двумя пластинами (м)

Соответствующий пост: Типы резистивных датчиков — преобразователь, потенциометр и тензодатчик

Измерение смещения с помощью емкостного датчика

Для измерения смещения можно использовать следующие методы с использованием емкостного преобразователя

Преобразователь с использованием изменения площади пластин

Следующее уравнение показывает, что емкость является прямой y пропорционально области пластины.Соответственно меняется и емкость пластин. Емкостные преобразователи используются для измерения большого смещения от 1 мм до нескольких см. Емкость и смещение области емкостного преобразователя изменяются линейно. Изначально из-за ребер в схеме происходит нелинейность. В противном случае будет дан линейный ответ.

Емкость параллельных пластин задается как

• , где x — длина пластин конденсатора
• W = ширина пластин

Чувствительность смещения постоянна, и поэтому она дает линейную зависимость между емкостью и смещение.

Емкостной преобразователь, используемый для измерения углового смещения

Когда пластины полностью перекрываются друг с другом, емкость будет максимальной. 180 градусов — это максимальное смещение, которое может произвести конденсатор. Угловое перемещение изменяет емкость преобразователей. Максимальное значение емкости выражается как

Емкость под углом θ выражается как

• θ — угловое смещение в радианах

Преобразователь, использующий изменение расстояния между пластинами

Емкость преобразователя обратно пропорциональна диапазону пластины.Одна пластина преобразователя неподвижна, а другая пластина подвижна. Измеряемое смещение связано с подвижными пластинами. Емкость обратно пропорциональна расстоянию из-за нелинейного отклика конденсатора. Этот тип преобразователя используется для измерения крошечных перемещений.

Емкость задается как,

Приложения для емкостных датчиков

Емкостный датчик влажности

Датчик влажности (или гигрометр) определяет, измеряет и записывает температуру. влажности и воздуха.Отношение влажности воздуха при определенной температуре воздуха к максимальной влажности называется относительной влажностью. В поисках удобства относительная влажность становится важной переменной. Поместив тонкую полоску оксида металла между двумя электродами, емкостной датчик влажности измеряет относительную влажность. Датчики емкостного типа являются линейными и могут измерять относительную влажность от 0 до 100%.

Поскольку влажность в атмосфере изменяет свою диэлектрическую проницаемость, простой емкостной датчик относительной влажности может быть изготовлен из конденсатора, заполненного воздухом.Однако воздух как диэлектрик непригоден для практического применения. Поэтому пространство между пластинами конденсатора обычно заполняется подходящим диэлектрическим материалом (изолятором), диэлектрическая проницаемость которого изменяется при изменении влажности. Использование гигроскопической полимерной пленки в качестве диэлектрика и нанесение двух слоев электродов с каждой стороны является распространенным подходом к созданию емкостного датчика относительной влажности.

Емкостные датчики перемещения

Емкостные датчики перемещения используются в качестве эталонной системы для других датчиков диапазона для измерения диапазона при низкой температуре.Другие типичные области применения включают испытания на допуск при массовом производстве, измерение вибрации, измерение деформации, измерение толщины и контроль толщины тонкой металлической фольги, измерение толщины пластиковой фольги во время производства, изгиб пластин при производстве полупроводников и многое другое.

Измерение Тормозной диск

Автомобильные тормозные диски подвержены очень большим кратковременным нагрузкам . Механическое истирание и чрезмерное нагревание тормозного диска оказывают значительное влияние на микроструктуру тормозного диска.Используемый материал должен выдерживать эти заряды как можно дольше без изменения своей микроструктуры. При повторном приложении нагрузки мелкие трещины приводят к поломке и создают опасность для автомобиля. Для измерения деформации тормозного диска используются емкостные датчики. Очень немногие датчики подходят для работы вблизи объекта измерения из-за повышенного роста температуры. Емкостные преобразователи обнаруживают изменения в нанометровом диапазоне и оценивают износ тормозов.

Емкостные преобразователи — динамические измерения в турбинах или двигателях

Центробежные силы, действующие на лопатки турбины, приводят к расширению лопаток.Важно, чтобы в конструкции и конструкции лопаток турбины не возникало дисбалансов, которые нарушают балансировку системы. Емкостные преобразователи обнаруживают изменения диапазона манометра и предоставляют важную информацию для оценки FEM.

Измерение толщины

Обычное применение емкостных детекторов — измерение толщины материала бесконтактным способом. Двухканальная дифференциальная система является наиболее полезным приложением, в котором для каждой стороны измеряемого объекта используется отдельный датчик.Технология емкостных датчиков используется для измерения толщины в следующих областях: толщина кремниевой пластины, толщина тормозного ротора и толщина диска диска.

Тестирование сборки

Емкостные датчики гораздо более чувствительны к драйверам, чем непроводники. Таким образом, их можно использовать в готовых сборках для определения наличия / отсутствия металлических узлов. Примером является установкой разъема, который требует внутреннего металлического стопорного кольца, которое невозможно увидеть в окончательной сборке.Онлайн-емкостное зондирование может обнаружить неисправный участок и передать сигнал от линии к системе.

Связанная публикация: Схема, работа и применение инфракрасного датчика движения PIR

Преимущества и недостатки емкостных датчиков

Преимущества емкостных датчиков

• Для работы требуется внешняя сила, поэтому он очень полезен. для миниатюрных устройств.
• Емкостный преобразователь очень хрупкий.
• Обеспечивает хорошую частотную реакцию для динамических исследований.
• Преобразователь имеет высокий входной импеданс и поэтому оказывает незначительное воздействие на нагрузку.
• Требуется минимальная выходная мощность.

Недостатки емкостных датчиков

• Металлические компоненты преобразователя включают изоляцию.
• Рама конденсатора нуждается в заземлении, чтобы уменьшить влияние паразитного магнитного поля.
• Преобразователь иногда демонстрирует нелинейное поведение из-за краевого эффекта, регулируемого с помощью защитного кольца.
• Ошибка вызвана кабелем, подключенным к датчику.

Об авторе: Vidya.M

— Бакалавр технологий (B.Tech) в области электроники и приборостроения 2011 — Магистр технологий (M.Tech) в области биомедицинской инженерии 2014 — В настоящее время работает доцентом кафедры приборостроения и приборостроения. Control Engineering, Индия.

Обновлено: Electrical Technology

Вы также можете прочитать:

Датчик емкости, емкостной датчик, измерение разрешения в нанометрах, расстояние, смещение, нано-метрология, емкостный датчик, PI

Измерение нанометров: емкостные датчики / для нано-измерений / нанометрологии Емкостные датчики (емкостные датчики) являются предпочтительной нанометрической технологией для наиболее требовательных приложений точного позиционирования, сканирования и измерения, когда речь идет об измерении небольших расстояний с нанометровым разрешением и ниже .Емкостные датчики PI обеспечивают высочайшую точность, разрешение, линейность и долгосрочную стабильность. Эти бесконтактные устройства абсолютного измерения обнаруживают движение на субнанометровом уровне без контакта, напрямую. Они обеспечивают комбинацию точности, линейности, разрешения, стабильности и ширины полосы, превосходящую обычные датчики, такие как LVDT и датчики тензометрического типа (пьезорезистивные датчики). Для максимальной производительности доступны серии двухпластинчатых датчиков D-015 — D-100.Серия D-510 с одним датчиком обеспечивает аналогичную точность и оснащена встроенным разъемом LEMO для упрощения монтажа и замены в полевых условиях. Емкостный датчик положения с одним зондом для нанометрических приложений Одноэлектродные емкостные датчики смещения PISeca ™ семейства D-510 выполняют высокоточные бесконтактные измерения геометрических величин, представляющих смещение, разделение, положение, длину или другие линейные размеры относительно любого типа электропроводящей цели.Эти однозондовые нанометрические датчики сочетают в себе превосходное разрешение и линейность с очень широкой полосой пропускания для динамических измерений. D-510 Емкостный с одним датчиком Датчик положения для Нанометрология Приложения Характеристики и преимущества Субнанометрическое разрешение, диапазоны измерения до 500 м Абсолютное бесконтактное измерение расстояния / движения / вибрации Возможны многоосевые измерения Превосходная линейность измерения до 0.1% Plug & Play: простая установка и интеграция Очень стабильная температура Полоса пропускания до 10 кГц Конструкция электрода с защитным кольцом для лучшей линейности датчика Система линеаризации ILS в электронике формирователя сигналов улучшает линейность выходного сигнала Все системы откалиброваны на заводе для обеспечения максимально возможной линейности / точности Повышенная линейность благодаря конденсатору с защитным кольцом и электронике ILS Не все емкостные датчики одинаковы.Поскольку конструкция датчика сильно влияет на линейность, PI использует специальный защитный кольцевой электрод для защиты электрода датчика от граничных эффектов. Это обеспечивает однородное электрическое поле в зоне измерения и приводит к более высокой линейности измерения. Кроме того, электроника формирования сигнала датчика E-852 оснащена собственной схемой линеаризации ILS компании PI. Простая установка и настройка Емкостные датчики являются устройствами plug and play.Высокопроизводительный кабель с разъемом LEMO подключается непосредственно к головке датчика, что упрощает установку или замену в полевых условиях. Установка дополнительно упрощается за счет дисплея в электронике датчика формирования сигнала E-852, который показывает оптимальное расстояние между зондом и целью. E-852 Электроника формирователя сигналов для D-510 E-509.E03 E-509.E3 Трехканальная электроника для датчиков PISeca D-510

Прямая метрология, конфигурации параллельной метрологии Датчики емкости, предлагаемые PI, являются наиболее точными измерительными системами для приложений с нанопозиционированием в настоящее время на рынке.В отличие от датчиков с высоким разрешением, измеряющих деформацию трансмиссии, таких как тензодатчики или пьезорезистивные датчики, емкостные датчики являются бесконтактными приборами прямой метрологии — факт, который дает им много преимуществ:

Лучшая точность фазирования Более широкая полоса пропускания Нет периодической ошибки Бесконтактный Идеально для параллельной метрологии Высшая линейность Лучшая воспроизводимость Более высокая долгосрочная стабильность

Емкостные датчики положения в сверхточном, шестиосном Система нанопозиционирования, разработанная PI для Немецкого института стандартов (PTB).Применение: сканирующая микроскопия

Емкостные датчики особенно хорошо подходят для параллельных метрологических конфигураций. В многоосном нанопозиционировании систем параллельная метрология означает, что контроллер контролирует все контролируемые степени свободы относительно «земли» ( фиксированная рама) и использует каждый привод для автоматической компенсации нежелательного внеосевого движения других ( активная траектория контроль ).В результате можно сохранять отклонения в субнанометровом и субмикрорадианальном диапазоне.

---

Разрешение

Разрешение порядка пикометров достигается с помощью двухэлектродных емкостных датчиков положения ближнего действия. Теоретическое разрешение измерений ограничено только квантовым шумом. В практических приложениях паразитное излучение, шум, вызванный электроникой и геометрические эффекты являются ограничивающими факторами.Например, для диапазона 100 м емкостной пробник Д-100.00 и E-509.C1A, эффективный коэффициент шума 0,02 нм / √Гц. Это соответствует 0,2 нм при полосе пропускания 100 Гц. Максимальная стандартная пропускная способность (выбирается перемычкой) составляет 3 кГц.

На рисунке 1 показаны емкостной датчик положения D-015, 15 м и интерферометр, оба измерительных цикла привода в нанометровом диапазоне. Графики ясно показывают превосходное разрешение емкостного определения положения. Датчики емкости D-050.		Рис. 1. Пьезо система нанопозиционирования с шагом 0,3 нм, измеренная с помощью емкостного датчика PI (нижняя кривая) и лазерного интерферометра. Емкостной датчик может обеспечить даже более высокое разрешение, чем интерферометр.
		Прочтите или перейдите к Руководству по выбору емкостного датчика

---

Стабильность и линейность датчиков положения PI226 9024

Электроника емкостного датчика положения PI имеет запатентованную конструкцию, обеспечивающую превосходная линейность, низкая чувствительность к емкости кабеля, низкий фоновый шум и низкий дрейф. Интегрированная система линеаризации (ILS) компенсирует влияния, вызванные ошибками, например, непараллельность пластин. При использовании с цифровыми контроллерами PI (которые добавляют методы полиномиальной линеаризации) достижима линейность позиционирования до 0,003%. На рис. 2 показана линейность пьезопозиционирующего столика P-752.11C со встроенным емкостным датчиком положения, работающего в замкнутый режим с аналоговым контроллером. Все ошибки, вносимые механикой, приводом PZT, датчиками и электроникой, включаются в результирующую линейность лучше 0.02%. Еще более высокая линейность достигается с помощью цифровых контроллеров PI . Исключительная долговременная стабильность емкостного датчика положения PI и конструкции электроники показана на рисунке 3.

Рис. 2. Линейность пьезопозиционного столика P-752.11C, 15 м, работающего с управляющей электроникой E-500 / E-509.C1. Дальность хода 15 м, усиление 1,5 м / В. Линейность лучше 0.02%; еще более высокая линейность достигается с помощью цифровых контроллеров PI		Рис. 2
Рис. 3. Стабильность измерений платы управления емкостным датчиком положения и E-509.C1 с опорным конденсатором 10 пФ 3,5 часа (после прогрева контроллера).		Рис.3
		Прочтите или перейдите к руководству по выбору датчика емкости	Специальная конструкция исключает влияние кабеля

		При измерении расстояния путем обнаружения изменений емкости колебания емкости кабеля могут отрицательно сказываются на точности.Вот почему большинство емкостных измерительных систем дают удовлетворительные результаты только при использовании коротких кабелей определенной длины. В PI Systems используется особая конструкция, исключающая влияние кабеля, что позволяет без труда использовать кабель длиной до 3 м. Для достижения оптимальных результатов мы рекомендовать калибровку системы датчик-исполнительный механизм в метрологической лаборатории PI Metrology Lab . Пути сигнала до 15 метров и более Более длинные расстояния между датчиком и электроникой могут быть покрыты специальными протоколами цифровой передачи без потерь. Для цифровых контроллеров PI доступен интерфейсный блок удаленного датчика.

---

Характеристики и преимущества, приложения
Принцип работы емкостного датчика с двумя пластинами. Контроль качества и долгосрочные испытания стабильности емкостных датчиков перемещения на ИП. Заказная 7-канальная емкостная электроника датчика положения. Принцип работы СТМ (сканирующего туннельного микроскопа) с встроенные емкостные датчики положения		Свойства датчиков PI Наивысшее разрешение (0,01 нанометра) среди всех имеющихся в продаже датчиков положения Диапазон измерения до 1 мм Идеально подходит для параллельных метрологических приложений Линейность до 0,003% Чрезвычайно высокая долговременная стабильность (лучше 0.1 нм / 3 часа) Совместимость с вакуумом Полоса пропускания до 10 кГц Инварные версии для максимальной температурной стабильности (5 x 10-6 / K) Доступна многоканальная цифровая электроника Совместимость с сервоконтроллерами системы нанопозиционирования PI Двух- и однопластинчатые датчики Пользовательские модели Причины выбора PI Более 30 лет опыта в разработке высокоточной механики Собственное проектирование и производство датчиков и электроники Современное оборудование для моделирования, производства и тестирования Современная метрологическая лаборатория с несколькими тепловыми, акустическими и сейсмическая изоляция для значимых субнанометровых измерений Разработка внутреннего контроллера PI имеет самые опытные команды разработчиков и производителей систем нанопозиционирования в этой области. ISO-9001 сертифицирован с 1994 г.
		Литература PI / Системы нанопозиционирования

---

Учебное пособие: емкостные датчики положения Измерение смещения с субнанометрической точностью

Глоссарий
Диапазон измерения
Диапазон измерения зависит от размера активной области датчика, а также от используемой электроники. Благодаря собственной конструкции электроники формирователя сигналов PI, расстояние до середины диапазона всегда идентично выбранному диапазону измерения. Зазор между зондом и мишенью может варьироваться от 50% до 150% диапазона измерения (см. Рис. 14). Емкость датчика такая же, как у эталонной емкости в электронике. Для расширения номинального (стандартного) диапазона измерения можно использовать сканирование другой эталонной емкости (см. Рис. 15).		Рис.14: Определения: диапазон измерения и среднее расстояние имеют одинаковые значения
Target
Двухэлектродные емкостные датчики состоят из двух электродов, названных датчиком и целью. Одноэлектродные датчики измеряют по поверхности, которая называется целью. Целевая поверхность, в принципе, представляет собой проводящий материал, электрически связанный с землей. Также возможно измерение с полупроводниками. В то время как емкостные датчики с двумя пластинами состоят из двух четко определенных высококачественных плоскостей, с датчиками с одной пластиной характеристики поверхности цели могут влиять на результаты. Изогнутая или шероховатая поверхность ухудшит разрешение, поскольку результаты относятся к среднему зазору (см. Рис. 16 и 17). Форма поверхности также влияет на однородность электрического поля и тем самым на линейность измерения. Для заводской калибровки используется целевая плоскость, значительно превышающая площадь сенсора.		Рис.15: Диапазоны измерения различных емкостных датчиков положения PI (стандартные диапазоны синего цвета, расширенные диапазоны черного цвета)
Окружающая среда
Прецизионные измерения с нанометровой точностью требуют минимизации влияние окружающей среды. Постоянство температуры и влажности во время измерения так же важно, как и чистота. Электроника от PI в основном очень термостабильна.Температурный дрейф составляет менее 0,2% от полного диапазона измерения при изменении температуры на 10 ° C. Изменения температуры также вызывают расширение или сжатие всего материала в системе, что приводит к изменению фактического измеренного зазора. Влияние изменения относительной влажности на 30 процентных пунктов составляет менее 0,5% диапазона измерения. Всегда следует избегать конденсации. Пыльные или поврежденные поверхности сенсора также ухудшают качество измерения. Условия окружающей среды на момент калибровки указаны в калибровочном листе, который PI предоставляет для каждой отдельной системы.		Рис.16: Шероховатость целевой поверхности снижает разрешение и линейность Рис.17: Криволинейные поверхности приводят к усредненному измерению расстояния

Решения PI для наноизмерений / Позиционирование
Введение
Диапазон измерения от 10 до 500 м и более Субнанометрическое разрешение положения Бесконтактное абсолютное измерение смещения / движения / вибрации Иммунитет к износу и разрыву Идеально для многоосных приложений Улучшенная линейность с помощью сигнальной электроники ILS Высокая полоса пропускания до 10 кГц Измеряет положение перемещаемого интерфейса (прямая метрология) Высокая температура и долговременная стабильность Компактные датчики с 1 и 2 электродами, совместимые с вакуумом, индивидуальный дизайн Электрод с защитным кольцом устраняет граничные эффекты

Одно- и двухпластинчатые датчики Емкостные датчики выполняют бесконтактные измерения геометрических величин, представляющих расстояние, смещение, разделение, положение, длину или другие линейные размеры с субнанометровой точностью.Компания PI предлагает емкостные датчики для интеграции в пользовательские приложения в версиях с двумя пластинами и конденсаторами для обеспечения максимальной производительности и одноэлектродных датчиков asPISeca для большей гибкости и упрощения интеграции. Нанопозиционирование и нанометрология PI предлагает самый широкий спектр высокодинамичных систем нанопозиционирования с высоким разрешением по всему миру. Достигнутые точность и повторяемость были бы невозможны без измерительных устройств с самым высоким разрешением. Емкостные датчики — это метрологическая система, которую выбирают для самых требовательных приложений нанопозиционирования.Датчики и столь же важная электроника возбуждения и считывания данных разрабатываются и производятся в PI группой экспертов с многолетним опытом. Принцип измерения Принцип измерения в обоих случаях одинаковый: два		проводящие поверхности создают однородное электрическое поле; для коротких расстояний приложенное напряжение пропорционально расстоянию между пластинами. Датчики с двумя пластинами измеряют расстояние между двумя четко определенными пластинами датчика с тщательно выровненными поверхностями, которые генерируют наиболее точное электрическое поле и, следовательно, обеспечивают оптимальные результаты.Емкостные датчики с одной пластиной измеряют емкость относительно проводящих эталонов, таких как металлические пластины, и очень удобны в установке и подключении. Испытания и калибровка Нанометрические калибровочные лаборатории PIs сейсмически, электромагнитно и термически изолированы и соответствуют современным международным стандартам. PI калибрует каждую емкостную измерительную систему индивидуально, оптимизируя производительность для приложений заказчика.Такая точность лежит в основе всех продуктов PI, стандартных и индивидуальных, и обеспечивает оптимальные результаты в самых различных областях применения.

Функция, свойства, преимущества
Введение
В области нанопозиционирования и измерительных систем, а также для систем измерения и измерения от PI обеспечивают высочайшую точность в различных диапазонах измерения.Емкостные датчики обеспечивают максимально возможную линейность измерений и превосходную долговременную стабильность. Датчики обеспечивают бесконтактное измерение фактического положения подвижной части (прямая метрология) с точностью до нанометра. Точность, линейность, разрешение, стабильность и полоса пропускания намного лучше, чем у обычных нанометрических датчиков, таких как LVDT или тензометрические датчики. Бесконтактный режим работы означает отсутствие паразитных сил, влияющих на применение, и результаты измерения без трения и гистерезиса. Защитное кольцо для улучшенной линейности Конструкция сенсора сильно влияет на линейность. Превосходная конструкция PI использует электрод с защитным кольцом, который устраняет граничные эффекты сенсорного электрода. Это обеспечивает однородное поле в зоне измерения и приводит к более высокой линейности измерения. Одно- и многоканальная электроника Электроника формирователя сигналов PIs специально разработана для обеспечения высокой полосы пропускания, линейности и сверхмалого шума и идеально подходит для различных датчиков PI-датчиков.Компания PI предлагает электронику формирователя сигналов и контроллеры от одного до трех каналов. Многоканальные модули E-509 подключаются к шасси модульного контроллера E-500 / E-501. Полоса пропускания и диапазон измерения могут быть настроены на заводе-изготовителе для удовлетворения конкретных потребностей каждого приложения. Электроника одноканального формирователя сигнала E-852 для однопластинчатых датчиков PISeca разработана как автономная система с выбираемой пользователем шириной полосы и настройкой диапазона и может быть синхронизирована для работы в многоканальных приложениях. Повышение линейности с помощью электроники ILS Вся электроника формирования сигнала PIs оснащена собственной схемой линеаризации ILS PI, которая минимизирует ошибки непараллельности. Простота использования и интеграции Одноэлектродные датчики PISeca особенно просты в установке в измерительную систему. На одноканальной электронике светодиодная полоса показывает оптимальный зазор между зондом и мишенью для различных настроек диапазона измерения.Многоканальная электроника опционально поставляется с дисплеями и / или интерфейсом ПК на модуле в том же корпусе. Идеально для замкнутого цикла пьезонанопозиционирования Системы нанопозиционирования с замкнутым контуром могут управляться модулями датчиков / сервоконтроллеров серии ИП E-500. Такие модули доступны для подключения до трех датчиков положения, как автономных, так и интегрированных в систему движения. Замкнутый контур устраняет дрейф и гистерезис, которые в противном случае влияют на пьезоприводы. Для задач нанопозиционирования с самыми строгими требованиями к точности компания PI предлагает цифровые контроллеры высшего класса.		Емкостные двухпластинчатые датчики от PI, здесь D-100.00

9028 9028 Ширина полосы Разрешение в нанопозиционировании относится к наименьшему изменению смещения, которое все еще может быть обнаружено измерительными устройствами.

Для емкостных датчиков разрешение в принципе не ограничено и на практике ограничено электронным шумом. Формирователь сигналов PI Электроника оптимизирована для обеспечения высокой линейности, полосы пропускания и минимального шума, что позволяет разрешать сенсор вплоть до пикометрового диапазона.

Электронный шум и полоса сигнала датчика взаимозависимы. Ограничение полосы пропускания снижает шум и тем самым улучшает разрешение. Рабочее расстояние также влияет на разрешение: чем меньше рабочее расстояние системы, тем ниже абсолютное значение электронного шума.

На рисунке 1 показаны измерения циклов исполнительного механизма в нанометровом диапазоне, выполненные с помощью емкостного датчика положения D-015, 15 м и лазерного интерферометра. Графики ясно показывают превосходные характеристики метода емкостного определения положения.

На рис. 2 показано влияние полосы пропускания на разрешение: одноэлектродные датчики PISeca демонстрируют превосходное разрешение вплоть до субнанометрового диапазона даже при большой полосе пропускания.

Линейность и стабильность ПИ-датчиков
Линейность измерения означает степень постоянства пропорционального отношения между изменением расстояния между зондом и целью и выходным сигналом.Обычно линейность определяется как погрешность линейности в процентах от полного диапазона измерения. Погрешность линейности 0,1% при дальности 100 м дает максимальную ошибку 0,1 м. Ошибка линейности никак не влияет на разрешение и повторяемость измерения.

Линейность в значительной степени зависит от однородности электрического поля и, следовательно, от любой непараллельности зонда и цель в приложении. Электроника емкостного датчика положения PI включает в себя запатентованную конструкцию, обеспечивающую превосходную линейность, низкую чувствительность к емкости кабеля, низкий фоновый шум и низкий дрейф.Интегрированная система линеаризации (ILS) компенсирует влияние непараллельности.

Сравнение традиционной системы емкостных датчиков положения и системы PI ILS показано на рисунке 3. При использовании с цифровыми контроллерами PI (которые добавляют полиномиальную линеаризацию) достижима линейность позиционирования до 0,003%.

На рисунке 4 показана линейность пьезопозиционирующего столика P-752.11C со встроенным емкостным датчиком положения, работающего в режиме замкнутого контура с аналоговым контроллером.Включены все ошибки, связанные с механикой, приводом PZT, датчиками и электроникой. в результате линейность лучше 0,02%. Еще более высокая линейность достигается с помощью цифровых контроллеров PI, таких как E-710.

Стабильность измерения ограничивается главным образом тепловым и электронным дрейфом. Таким образом, из соображений точности и повторяемости необходимо поддерживать постоянные условия окружающей среды. Исключительная долговременная стабильность емкостного датчика положения PI и конструкции электроники показана на рисунке 5.

Принцип измерения
Пропорциональность сигнал / смещение
Когда напряжение подается на две пластины идеального конденсатора, оно создает однородное электрическое поле. Этот принцип лежит в основе измерения смещения с помощью емкостных датчиков положения. Для небольших зазоров приложенное напряжение пропорционально расстоянию между пластинами. Плоскости поверхности датчика (зонда) и мишени образуют две обкладки конденсатора. Цель не должна быть меньше определенного размера из-за граничных эффектов.Это важно для приложений, например, с вращающимся барабаном в качестве мишени. Для металлических материалов толщина мишени не влияет на измерение.

Геометрия / конструкция защитного кольца
Упомянутая пропорциональность основана на однородности электрического поля. Чтобы устранить граничные эффекты, в улучшенной конструкции PI используется защитный кольцевой электрод, который окружает активную область датчика и активно поддерживает тот же потенциал (см. Рис. 7). Такая конструкция экранирует активную область сенсора и обеспечивает отличную изоляцию зоны измерения.Таким образом достигается оптимальная линейность измерения во всем диапазоне с заданной точностью.

Калибровка для максимальной точности
Калибровочные лаборатории нанометров ИП предлагают оптимальные условия для заводской калибровки. В качестве эталона используются инкрементальные датчики сверхвысокой точности, такие как лазерные интерферометры.

Системы PISeca калибруются в PI с помощью системы позиционирования NEXLINE, имеющей разрешение замкнутого контура лучше 0,01 нм на испытательном стенде с управлением изгибом без трения и инкрементным эталонным датчиком с разрешением лучше 0.1 нм (рис.8 и 9).

Специальная конструкция исключает влияние кабеля
При измерении расстояния путем обнаружения изменений емкости колебания емкости кабеля могут отрицательно сказаться на точности. Вот почему большинство емкостных измерительных систем дают удовлетворительные результаты только при использовании коротких кабелей определенной длины.

В системах PI используется особая конструкция, исключающая влияние кабеля, что позволяет без труда использовать кабель длиной до 3 м.Для получения оптимальных результатов мы рекомендуем калибровку системы датчик-исполнительный механизм в метрологической лаборатории PI. Более длинные расстояния между датчиком и электроникой могут быть покрыты специальными протоколами цифровой передачи без потерь.

Геометрия электрода, плоскостность сенсорной поверхности и отделка
При производстве сенсоров большое внимание уделяется соблюдению критических механических допусков. Измерительные поверхности обрабатываются алмазом с использованием сложных методов управления технологическим процессом. В результате получаются гладкие, ультраплоские зеркальные поверхности, необходимые для получения самого высокого разрешения, доступного на рынке.

Параллельность измерительных поверхностей
Для получения оптимальных результатов пластины мишени и зонда должны оставаться параллельными друг другу во время измерения. Для небольших расстояний измерения и малых активных областей любое расхождение сильно влияет на результаты измерения. Наклон отрицательно влияет на линейность и усиление, но не на разрешение или повторяемость (см. Рис. 12). Системы позиционирования с многозвенной системой управления изгибом уменьшают наклон и наклон до незначительного уровня (см. Рис. 13) и обеспечивают выдающуюся точность.

Рис.10: Емкостные датчики положения в сверхточное шестиосевое нанопозиционирование система, разработанная PI для Немецкий национальный метрологический институт (ПТБ). Применение: сканирующая микроскопия

Рис.11: Передача сигнала цифрового датчика (DST) допускает расстояние до 15 м между устройством позиционирования и контроллером, здесь многоосевой цифровой пьезоэлектрический датчик E-710 контролер

Нанопозиционирование / Нанопозиционирование / измерение нанометров

Фиг.1: Пьезо-нанопозиционная система с шагом 0,3 нм, измеренная с помощью емкостного датчика PI (нижняя кривая) и высокоточного лазерного интерферометра. Емкостной датчик обеспечивает значительно более высокое разрешение, чем интерферометр Рис. 2: Разрешение значительно ниже 1 нм достигается при использовании PISeca 20 м. одноэлектродный датчик (D-510.020) и электронику формирователя сигнала E-852. Слева: шаг 0,2 нм в квазистатических условиях (полоса пропускания 10 Гц), справа: с шагом 1 нм с максимальной полосой пропускания (6.6 кГц) Рис.3: Линейность традиционной системы емкостных датчиков положения по сравнению с PI ILS (интегрированная система линеаризации), показанная до цифровой линеаризации Рис. 4: Линейность пьезопозиционного столика P-752.11C, 15 м, работающего с Управляющая электроника E-500 / E-509.C1A. Дальность хода 15 м, усиление 1,5 м / В. Линейность лучше 0,02%; еще более высокая линейность достигается с помощью PI digital контроллеры Рис. 5: Стабильность измерений E-509.Модуль управления емкостным датчиком положения C1A с эталонным конденсатором 10 пФ в течение 3,5 часов (после прогрева контроллера) Рис.6: Принцип работы емкостного датчика Рис.7: Емкостные датчики с защитным кольцом обеспечивают превосходную линейность Рис. 8: Погрешность линейности выхода одноэлектродной системы PISeca обычно составляет менее 0,1% во всем диапазоне измерений. Рис. 9: Сверхточная система позиционирования NEXLINE с инкрементным датчиком в калибровочном и испытательном стенде для датчиков PISeca.Разрешение значительно лучше, чем у лазерного интерферометра. Рис. 12: Нелинейность в зависимости от наклона. Наклон не влияет на разрешение и воспроизводимость. Рис. 13. Системы нанопозиционирования с изгибом, такие как P-752, предлагают субмикрорадиан. точность управления и оптимально подходят для емкостных датчиков Продолжение учебного пособия.

---

Приложения для емкостных датчиков положения
Измерение смещения с точностью до нанометра		Нано-позиционирование / замкнутая высокоточная параллельная система Многопозиционная система -Измерения оси Емкостные датчики перемещения измеряют кратчайшие расстояния с высочайшей надежностью.Измеряемая величина представляет собой изменение емкости между пластиной датчика и целевой поверхностью с использованием однородного электрического поля. Обычно достигается точность в субнанометровом диапазоне. Абсолютное измерение возможно с помощью хорошо отрегулированной, откалиброванной системы. Одно из применений измерения смещения с высоким разрешением — нанопозиционирование. Двухпластинчатые емкостные датчики могут измерять расстояние и, следовательно, положение движущегося объекта с превосходной точностью. Высокая полоса пропускания датчика позволяет осуществлять управление по замкнутому контуру с высокой точностью. приложения динамики. Задачи многоосевого нано-позиционирования с замкнутым контуром реализуются с помощью высокопроизводительных позиционеров, которые используют прямую метрологию и параллельную кинематику. Это позволяет измерять все степени свободы одновременно, что компенсирует ошибки наведения (концепция активного управления траекторией). В данном случае емкостные измерители являются наиболее точными доступными системами измерения и дают наилучшие результаты разрешения положения. Измерение и компенсация наклона / наклона Толщина слоя с субмикронной точностью Измерение вне плоскости / за пределами плоскости Круговое измерение Интеграция емкостных датчиков в систему — хороший способ точно измерить наклон / наклон.Угол наклона движущихся объектов измеряется дифференциально и, при необходимости, компенсируется. Измерение толщины пленки или слоя непроводящего материала на движущейся проводящей поверхности (например, вращающемся барабане) — идеальная задача для емкостных датчиков из-за их бесконтактной работы и их высоких динамических характеристик. Компенсация волнообразных и колебательных движений, например Сканирование с постоянной высотой или интерферометрия в белом свете — это области применения, для которых особенно хорошо подходят емкостные датчики. Измерение прямолинейности и плоскостности / Активная компенсация перекрестных помех Датчики силы с микроньютонной чувствительностью Вибрация, плоскостность 9025 9022 9022 9022 9022 9022 9022 9022 Превосходное разрешение при измерениях прямолинейности и плоскостности на больших расстояниях достигается с помощью емкостных одноэлектродных датчиков.Одно из приложений — измерение перекрестных помех в нанопозиционировании. Перекрестные помехи, внеосевое движение одного привода в направлении движения другого, обнаруживаются немедленно и активно компенсируются сервоконтурами. Высокая пропускная способность сенсора обеспечивает отличные динамические характеристики. Одноэлектродные емкостные датчики, которые измеряют субнанометровое смещение на расстоянии без контакта, часто используются в качестве датчиков силы с высоким разрешением. В системе, имеющей достаточно хорошо определенную жесткость, измеренные смещения переводятся в силы с разрешением в диапазоне микроньютонов, и все это без влияния на измеряемый процесс. Высокая динамика емкостной измерительной системы PISeca позволяет даже измерять вибрации и колебания с превосходным разрешением. Можно определить плоскостность вращающейся детали или разницу в толщине в нанометровом диапазоне. Одна из областей применения — производство дисководов или активная компенсация вибрации.

Принцип действия измерения уровня емкости

Измерение уровня емкости:

Емкостной датчик уровня — пример косвенного измерения уровня

Датчики уровня емкости используются для широкого спектра твердых, водных и органических жидкостей и шламов.Этот метод часто называют RF , так как радиочастотные сигналы поступают в емкостную цепь. Датчики могут быть сконструированы так, чтобы определять материалы с диэлектрической проницаемостью от 1,1 (кокс и летучая зола) до 88 (вода) или более. Также можно определять шламы и суспензии, такие как обезвоженный кек и шлам сточных вод (диэлектрическая проницаемость около 50), а также жидкие химические вещества, такие как негашеная известь (диэлектрическая постоянная около 90). Двойной зонд Емкостные датчики уровня также могут использоваться для определения границы раздела двух несмешивающихся жидкостей с существенно разными диэлектрическими постоянными.

Поскольку емкостные датчики уровня являются электронными устройствами, фазовая модуляция и использование более высоких частот делают датчик подходящим для приложений, в которых диэлектрическая проницаемость аналогична.

Принцип работы :

Принцип емкостного измерения уровня основан на изменении емкости. Изолированный электрод действует как одна пластина конденсатора, а стенка резервуара (или электрод сравнения в неметаллическом сосуде) действует как другая пластина.Емкость зависит от уровня жидкости. Пустой резервуар имеет меньшую емкость, а заполненный резервуар имеет более высокую емкость.

Простой конденсатор состоит из двух электродных пластин, разделенных небольшой толщиной изолятора, такого как твердый, жидкий, газовый или вакуумный. Этот изолятор еще называют диэлектриком.

Значение C зависит от используемого диэлектрика, площади пластины, а также расстояния между пластинами.

Где:

C = емкость в пикофарадах (пФ)

E = постоянная, известная как абсолютная диэлектрическая проницаемость свободного пространства

K = относительная диэлектрическая проницаемость изоляционного материала

A = полезная площадь проводов

d = расстояние между проводниками

Это изменение емкости можно измерить с помощью моста переменного тока.

Размер:

Измерение выполняется путем подачи радиочастотного сигнала между проводящим зондом и стенкой сосуда.

РЧ-сигнал приводит к очень слабому току, протекающему через диэлектрический технологический материал в резервуаре от датчика к стенке резервуара. Когда уровень в резервуаре падает, диэлектрическая проницаемость падает, вызывая падение показаний емкости и небольшое падение тока.

Это изменение обнаруживается внутренней схемой реле уровня и преобразуется в изменение состояния реле реле уровня в случае обнаружения предельного уровня.

В случае детекторов постоянного уровня выходом является не состояние реле, а масштабированный аналоговый сигнал.

Измерение уровня можно разделить на три категории:

• Измерение непроводящего материала
• Измерение проводящего материала
• Бесконтактное измерение

Непроводящий материал:

Для измерения уровня непроводящих жидкостей используется неизолированный датчик, поскольку сопротивление жидкости достаточно велико, чтобы сделать ее диэлектрической.Поскольку электрод и резервуар зафиксированы на месте, расстояние (d) постоянно, емкость прямо пропорциональна уровню материала, действующего как диэлектрик.

Проводящий материал:

В проводящих жидкостях пластины зонда изолированы тонким слоем из стекла или пластика, чтобы избежать короткого замыкания. Проводящий материал действует как пластина заземления конденсатора.

Измерения приближения (измерения бесконтактного типа):

In Измерение уровня близости — площадь емкостных пластин является фиксированной, но расстояние между пластинами меняется.

Измерение уровня приближения не дает линейного выхода и используется, когда уровень изменяется на несколько дюймов.

Преимущества емкостного измерения уровня:

1. Сравнительно недорого
2. Универсальный
3. Надежный
4. Требует минимального обслуживания
5. Не содержит движущихся частей
6. Прост в установке и легко адаптируется к судам разного размера
7. Хороший диапазон измерений, от нескольких сантиметров до примерно 100 м
8. Прочный
9. Простота использования
10. Легко чистится
11. Может быть разработан для работы с высокими температурами и давлением.

Приложения:

Датчики уровня емкости

используются для измерения уровня

1. Жидкости
2. Сухие и гранулированные продукты
3. Жидкие металлы при очень высокой температуре
4. Сжиженные газы при очень низкой температуре
5. Коррозионные вещества, такие как плавиковая кислота
6. Промышленные процессы под очень высоким давлением.

Недостатки:

Легкие материалы с плотностью менее 20 фунтов / фут3 и материалы с размером частиц более 1/2 дюйма.в диаметре могут быть проблемой из-за их очень низкой диэлектрической проницаемости (вызванной большим количеством воздушного пространства между частицами).

.