Принцип действия емкостного датчика. Емкостные датчики: принцип работы, устройство и применение

Как работают емкостные датчики. Какие преимущества имеют емкостные датчики перед другими типами. Где применяются емкостные датчики в промышленности и быту. Какие виды емкостных датчиков существуют.

Содержание

Принцип работы емкостного датчика

Емкостные датчики основаны на изменении электрической емкости чувствительного элемента при появлении объекта в зоне чувствительности. Рассмотрим подробнее, как это работает:

Датчик содержит генератор высокочастотных колебаний и чувствительный элемент в виде конденсатора
Электроды конденсатора создают электрическое поле перед поверхностью датчика
При попадании объекта в это поле меняется диэлектрическая проницаемость среды
Это вызывает изменение емкости конденсатора
Электронная схема фиксирует изменение емкости и формирует выходной сигнал

Таким образом, емкостной датчик срабатывает бесконтактно при приближении к нему различных объектов. Дальность обнаружения обычно составляет от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров.

Устройство емкостного датчика

Типичный емкостной датчик состоит из следующих основных компонентов:

Чувствительный элемент — конденсатор с открытым электрическим полем
Генератор высокочастотных колебаний
Демодулятор для преобразования ВЧ-сигнала
Триггер Шмитта для формирования выходного сигнала
Выходной каскад (транзисторный или релейный)
Схема регулировки чувствительности
Индикатор срабатывания (светодиод)
Корпус с элементами крепления

Электроды чувствительного элемента обычно выполнены в виде коаксиальных цилиндров или параллельных пластин. Корпус защищает электронику от внешних воздействий.

Преимущества емкостных датчиков

Емкостные датчики обладают рядом важных преимуществ по сравнению с другими типами датчиков:

Обнаруживают объекты из любых материалов (металлы, диэлектрики, жидкости)

Работают бесконтактно, без механического износа
Нечувствительны к вибрациям и ударам
Высокое быстродействие (до тысяч срабатываний в секунду)
Возможность регулировки чувствительности
Долгий срок службы
Компактные размеры
Простота монтажа и настройки

Эти особенности делают емкостные датчики универсальным решением для многих задач автоматизации.

Области применения емкостных датчиков

Благодаря своим преимуществам, емкостные датчики нашли широкое применение в различных отраслях:

Промышленная автоматизация

Контроль положения и перемещения объектов на конвейерах
Подсчет количества деталей
Обнаружение заготовок в станках
Контроль наличия продукции в упаковке

Контроль уровня жидкостей и сыпучих материалов

Измерение уровня в резервуарах и емкостях

Сигнализация предельных уровней
Контроль наполнения тары

Системы безопасности

Охранные датчики приближения
Датчики присутствия человека
Системы предотвращения столкновений

Бытовая техника

Сенсорные выключатели освещения
Датчики открытия дверей холодильников
Сенсорные панели управления

Это далеко не полный перечень применений емкостных датчиков. Их универсальность позволяет решать самые разные задачи.

Виды емкостных датчиков

Существует несколько основных разновидностей емкостных датчиков:

По форме корпуса

Цилиндрические
Прямоугольные
Плоские

По типу выходного сигнала

Дискретные (on/off)
Аналоговые

По схеме подключения

2-х проводные
3-х проводные
4-х проводные

По назначению

Датчики приближения
Уровнемеры
Датчики влажности
Сенсорные кнопки

Выбор конкретного типа датчика зависит от решаемой задачи и условий эксплуатации.

Настройка и эксплуатация емкостных датчиков

Для корректной работы емкостного датчика важно правильно его настроить и эксплуатировать:

Особенности эксплуатации:

Соблюдать допустимый диапазон температур
Не допускать попадания влаги и загрязнений на чувствительную поверхность
Исключить воздействие сильных электромагнитных помех
Периодически проверять надежность крепления и подключения

При соблюдении этих рекомендаций емкостные датчики обеспечат длительную и надежную работу.

Сравнение емкостных и индуктивных датчиков

Емкостные и индуктивные датчики имеют схожий принцип действия, но существенно различаются по характеристикам:

Параметр	Емкостные датчики	Индуктивные датчики
Обнаруживаемые материалы	Любые	Только металлы
Дальность действия	До 60 мм	До 100 мм
Точность	Высокая	Средняя
Влияние загрязнений	Значительное	Слабое
Влияние влажности	Сильное	Слабое

Выбор между емкостным и индуктивным датчиком зависит от конкретной задачи и условий работы. Емкостные датчики более универсальны, но требовательны к окружающей среде.

Емкостные датчики уровня и положения, устройство и принцип действия

Электрическая емкость проводника характеризует его способность накапливать электрический заряд, приобретая при этом определенный потенциал. Но теоретические основы электротехники в этой статье мы рассматривать не будем.

Более того, количество любой теории будет сведено к минимуму, необходимому для общего понимания содержания.

Принцип работы емкостного датчика заключается в контроле изменения емкости его чувствительного элемента – конденсатора. В самом привычном значении конденсатор – это радиоэлектронный компонент, состоящий из двух электропроводящих обкладок, разделенных слоем диэлектрика.

Они могут иметь различную форму, что кстати, используется при создании емкостных датчиков различного назначения.

Давайте рассмотрим от чего зависит емкость на примере простейшего конденсатора, состоящий из двух обкладок в форме пластин (рис.1).

Это:

площадь пластин;
расстояние между ними;
диэлектрическая проницаемость среды между обкладками.

Кстати, в заряженном конденсаторе присутствует электрическое поле Е, мы вернемся к нему когда будем рассматривать как работает емкостной датчик.

ЕМКОСТНОЙ ДАТЧИК ПОЛОЖЕНИЯ (ПРИБЛИЖЕНИЯ)

Итак, мы имеем классический плоский конденсатор (С). Давайте развернем его пластины, как показано на рисунке 2. Изменится конфигурация поля Е.

Если будет изменяться диэлектрическая проницаемость среды, через которую проходят линии этого поля (будем называть это зоной обнаружения), то будет изменяться емкость конденсатора.

То есть появление в этой зоне инородного предмета (или вещества) вызовет изменение емкости С. Электронная схема устройства это изменение отслеживает и формирует соответствующий сигнал.

На этом принципе основана работа емкостных датчиков положения. При появлении в зоне обнаружения любого предмета детектор срабатывает.

Дальность обнаружения, она, кстати, невелика – от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров, и размер контролируемого объекта определяются чувствительностью детектора.

Эти параметры должны оговариваться в техническом описании (паспорте) на изделие.

Безусловным достоинством такого датчика является обнаружение объектов из любых материалов, а не только металлических, как у индуктивных.

Емкостной принцип обнаружения какого либо события, помимо детекции положения используется достаточно широко.

Это:

сенсорные устройства управления, например, выключатели;
некоторые типы экранов смартфонов;
системы охранной сигнализации.

Про последний тип устройств стоит написать несколько подробнее.

Дело в том, что в качестве одной обкладок конденсатора можно использовать металлический предмет, а в качестве другой – землю (а в частном случае пол помещения).

Таким образом при приближении к металлическому сейфу или шкафу, оборудованному емкостным охранным датчиком будет формироваться сигнал тревоги.

Используются такие извещатели, правда, не часто. Дело в том, что любой датчик, использующий в своей работе емкостной принцип действия чувствителен к воздействию электромагнитных помех.

Это следует учитывать при принятии решения о применении таких устройств в условиях конкретного объекта.

ЕМКОСТНЫЕ ДАТЧИКИ УРОВНЯ

Еще одна область применения детекторов такого принципа действия – определения уровня, причем как жидкостей, например, воды или топлива, так и сыпучих материалов (рис.3).

Чувствительный элемент в этом случае представляет:

две протяженные пластины, расположенные параллельно;
соосно расположенные цилиндры;
стержни (штыри).

Поскольку контролируемая среда имеет диэлектрическую проницаемость иную чем у воздуха, то при погружении части детектора в контролируемое вещество соответствующим образом изменяется емкость чувствительного элемента.

При этом, можно реализовать не только пороговое управление исполнительными устройствами (включено- выключено), но и получать информацию о численных значениях, причем, с достаточно высокой степенью точности, чем не могут похвастаться некоторые другие типы датчиков уровня.

Как видно, подобные устройства достаточно универсальны и здесь перечислены еще не все их возможности.

Например, на описываемом принципе реализуются датчики крена. Измерение угла наклона достигается за счет перемещения между пластинами конденсатора жидкости. При изменении угла наклона меняется рабочая площадь обкладок, соответственно, емкость.

Используя вращающиеся вокруг общей оси пластины, изменяющие площадь перекрытия в зависимости от угла, получаем датчик поворота, а при желании, скорости вращения.

Таким образом, емкостные датчики, в части касающейся области применения достаточно универсальны, хотя используют непростую схемотехнику.

* * *

© 2014-2022 г.г. Все права защищены.
Материалы сайта имеют ознакомительный характер, могут выражать мнение автора и не подлежат использованию в качестве руководящих и нормативных документов.

бесконтактные датчики, Устройство и принцип работы емкостного датчика

В основе принципа работы емкостного датчика лежит изменение емкости конденсатора при внесении в его электрическое поле какого-либо материала.

Устройство емкостного датчика общего применения показано на рисунке ниже:

Электроды конденсатора, являющегося частью генератора, создают электрическое поле для взаимодействия с объектом.

Генератор обеспечивает переменное электрическое поле перед электродами конденсатора.

Демодулятор преобразует изменение высокочастотных колебаний генератора в изменение постоянного напряжения.

Триггер обеспечивает необходимый порог срабатывания, гистерезис, крутизну фронтов сигнала управления.

Усилитель увеличивает амплитуду и рабочий ток выходного сигнала до необходимых значений.

Подстроечный элемент служит для регулировки чувствительности датчика и отстройки от помех (росы, инея и пр.)

Индикатор — обычно светодиодный обеспечивает визуальный контроль срабатывания датчика, увеличивая удобство эксплуатации, уменьшая время настройки.

Компаунд обеспечивает необходимую степень защиты от вредного воздействия твердых частиц и влаги.

Корпус. В цилиндрических датчиках чаще всего выполняется из латуни и нержавеющей стали. В прямоугольных и других исполнениях применяются ударопрочные пластики. Корпус служит для обеспечения монтажа датчика и защиты от механических и прочих внешних воздействий.

Принцип работы

При подаче напряжения питания, перед поверхностью электродов как бы «развернутого» конденсатора возникает электрическое поле. Данное поле так же считается зоной чувствительности емкостного датчика. Параметры генератора выбраны таким образом, что при отсутствии каких либо материалов в зоне чувствительности датчика, кроме воздуха, имеющего диэлектрическую проницаемость близкую к единице, электрических колебаний в генераторе не возникает.

При попадании какого-либо материала в поле конденсатора с большей диэлектрической проницаемостью, увеличивается емкость конденсатора. В генераторе возникают колебания с амплитудой, зависящей от расстояния до материала, размеров его, а также от его диэлектрической проницаемости. Амплитуда колебаний преобразуется демодулятором в изменение уровня постоянного напряжения, что вызывает срабатывание триггера и изменение состояния выхода датчика.

Разнообразие объектов воздействия, вызывающих срабатывание емкостных выключателей, обуславливает широкий спектр областей, в которых они применяются.

Наибольший эффект достигается при использовании в системах: — контроля уровня наполнения резервуаров, емкостей, контейне- ров сыпучими и жидкими материалами; — контроля уровня содержимого в упаковке, в таре; — сигнализации разрыва лент; — счета и позиционирования объектов любого рода.

Возможно применение емкостных выключателей в пищевой и в химической отраслях промышленности. При этом для исключения непосредственного контакта активной поверхности выключателя с пищевыми продуктами или с химически агрессивными средами, можно рекомендовать использовать защитную диэлектрическую перегородку, изготовленную из соответствующих материалов.

При необходимости обнаружения веществ и материалов, находящихся за металлической стенкой, в ней следует выполнить окно, закрытое диэлектрической перегородкой, перед которой устанавливают емкостный выключатель. Толщина перегородки должна быть значительно меньше расстояния воздействия выключателя, а диэлектрик должен иметь малую диэлектрическую проницаемость Er.

Принцип работы емкостного датчика

— руководство по электротехнике

Привет друзья,

В этой статье я собираюсь обсудить принцип работы емкостного датчика , и моя статья увеличит ваше знания по этой теме.

Емкостный датчик приближения определяет наличие объекта (обычно называемого целью) без физического контакта.

Могут обнаруживать как металлические, так и неметаллические цели. Они идеально подходят для контроля уровня жидкости и для датчиков в порошке или гранулированные материалы .

Емкостный датчик приближения состоит из высокочастотного осциллятор вместе с чувствительной поверхностью, образованной двумя металлическими электродами. Когда предмет приближается к чувствительной поверхности, он попадает в электростатическое поле электроды и изменяет емкость генератора.

В результате колебательный контур начинает колебаться и изменяет выходное состояние датчика, когда оно достигает определенного амплитуда. Когда объект удаляется от датчика, амплитуда осциллятора уменьшается, возвращая датчик в исходное состояние.

Чем больше диэлектрик постоянной цели, тем проще для емкостного датчика приближения обнаружить. Эта константа позволяет обнаруживать материалы внутри неметаллические контейнеры, потому что жидкость имеет гораздо более высокую диэлектрическую проницаемость чем сосуд, что дает датчику возможность видеть сквозь сосуд и обнаружить жидкость.

Как правило, они имеют короткий диапазон чувствительности около 1 дюйма, независимо от типа воспринимаемого материала. При работе с непроводящими целей, расстояние обнаружения увеличивается с увеличением

размер чувствительной поверхности сенсора.
площадь поверхности мишени.
диэлектрическая проницаемость мишени.

Для лучшей работы мы должны использовать их в среде относительно постоянной температурой и влажностью.

Точка, в которой датчик приближения распознает входящая цель известна как рабочая точка. Точка, в которой исходящий target заставляет устройство вернуться в нормальное состояние, известное как точка выпуска. Область между рабочей точкой и точкой сброса называется зона гистерезиса.

Регулировку чувствительности можно выполнить, отрегулировав потенциометр на датчике. Если датчик не имеет регулировочного потенциометра, то датчик должен физически перемещаться для получения оптимального положения установки.

Оптимальная чувствительность обеспечивает более длительный срок службы расстояние. Тем не менее, эксплуатация сверхчувствительный датчик очень сильно зависит от температуры, влажности и грязи, и т.д., что может привести к ложному срабатыванию датчика.

Большинство датчиков приближения оснащены светодиодным индикатором состояния для проверки действия переключения выхода. Емкостные датчики приближения есть доступны в различных размерах и конфигурациях для удовлетворения различных приложений требования.

Одной из наиболее распространенных форм является бочкообразная. размещает датчик в металлическом или полимерном корпусе с резьбой снаружи жилье. Благодаря резьбовому корпусу мы можем легко настроить датчик на монтажная рама.

Характеристики емкостного датчика приближения

Основные характеристики емкостного датчика приближения датчики:

Они могут обнаруживать неметаллические цели.
Они могут обнаруживать легкие или мелкие объекты которые не могут быть обнаружены механическим ограничителем переключатели.
Обеспечивают высокую скорость переключения для быстрого отклик в приложениях для подсчета объектов.
Они могут обнаруживать жидкие цели через неметаллические преграды (стекло, пластик и др.).
Имеют длительный срок службы с практически неограниченное количество рабочих циклов.
Твердотельный выход обеспечивает контактный сигнал.

Типичные области применения емкостных датчиков приближения

Высокий/низкий уровень жидкости.
Сухой бак.
Материал присутствует/отсутствует.
Товар в наличии.
Количество продуктов.

Индуктивный датчик приближения

Индуктивные датчики приближения используются для обнаружения как железных и цветные металлы (такие как медь, алюминий и латунь). индуктивный датчик приближения работает на вихре текущий принцип.

Когда металлический предмет попадает в электромагнитное поле чувствительной головки в объекте индуцируются вихревые токи. Этот ток вызывает изменение нагрузки генератора, который затем управляет выходом устройство. Мы можем обобщить работу индуктивного датчика приближения как меньше:

Цепь генератора генерирует высокочастотное электромагнитное поле, излучаемое наконечником датчика.
При попадании в поле металлической мишени вихревой в мишени индуцируются токи.
Вихревые токи в мишени поглощают излучаемое энергии датчика, что приводит к потере энергии и изменению поля сила осциллятора.
Цепь обнаружения датчика контролирует силы генератора и запускает твердотельное выходное устройство в определенное время. уровень.
Как только металлический предмет покинет зону обнаружения, осциллятор возвращается к своему начальному значению.

Тип металла и размер мишени имеют важное значение факторы, определяющие эффективную дальность действия датчика. Железный металлы могут быть обнаружены на расстоянии до 2 дюймов, в то время как большинство цветных металлов требуется более короткое расстояние, обычно в пределах дюйма от устройства.

Типичные области применения индуктивных датчиков приближения

Обнаружение вращательного движения.
Индикация нулевой скорости.
Регулировка скорости.
Ограничение хода вала.
Индикация движения.
Клапан открыт/закрыт.

Спасибо, что прочитали о «принципе работы емкостного датчика приближения». Чтобы узнать больше о датчиках, посетите сайт balluff.com или посмотрите видео.

Емкостный Принцип работы

Определения:

НЕТ (нормально разомкнутый): Релейный выход, который разомкнут, запрещая текущий поток, когда исполнительный механизм отсутствует и закрывается, позволяя поток тока при наличии исполнительного механизма.

НЗ (нормально замкнутый): Релейный выход, который замкнут, позволяя ток течет, когда привод отсутствует и открывается, запрещая поток тока при наличии исполнительного механизма.

НПН Выход: Транзисторный выход, переключающий общий или отрицательное напряжение на нагрузку. Нагрузка подключается между положительный запас и выход. Текущие потоки от нагрузка через выход на землю, когда выход переключателя на. Также известен как поглощение тока или отрицательное переключение.

ПНП Выход: Транзисторный выход, переключающий положительное напряжение к нагрузке. Нагрузка подключается между выходом и общим проводом. Ток течет с выхода устройства через нагрузку на заземление, когда выход переключателя включен. Также известен как текущий источник или положительное переключение.

Эксплуатация Расстояние (Сн): Максимальное расстояние от датчика до квадратный кусок железа (Fe 37) толщиной 1 мм со сторонами = диаметр чувствительной поверхности, который вызовет изменение на выходе датчика. Расстояние будет уменьшаться для других материалы и формы. Испытания проводят при 20ºC с подача постоянного напряжения. Это расстояние действительно включает ± 10% производственный допуск.

Мощность Источник питания: Диапазон напряжения питания, в котором будет работать датчик. в.

Макс. Ток переключения: Допустимая величина непрерывного тока проходить через датчик, не вызывая повреждения датчика. Он указан как максимальное значение.

Мин. Ток переключения: Это минимальное значение тока, которое должен протекать через датчик, чтобы гарантировать работу.

Макс. Пиковый ток: Максимальный пиковый ток указывает максимальное текущее значение, которое датчик может выдержать за ограниченный период времени времени.

Остаток Ток: Ток, протекающий через датчик при он в открытом состоянии.

Мощность Drain: Количество тока, необходимое для работы датчика.

Напряжение Падение: Падение напряжения на датчике при движении максимальная загрузка.

Короткий Защита цепи: Защита от повреждения датчика если нагрузка закоротит.

Эксплуатация Частота: Максимальное количество циклов включения/выключения, которое устройство способно за одну секунду. Согласно EN 50010, этот параметр измеряется динамическим методом, показанным на рис. инжир. 1 с датчиком в положениях (а) и (б). S — операционная расстояние, а m — диаметр датчика. Частота дается формулой на рис. 2.

Повторяемость (%Sn): Разница между любыми значениями рабочего расстояния измеряется в течение 8 часов при температуре от 15ºC -30ºC и напряжение питания с отклонением <= 5%.

Гистерезис (%Sn): Расстояние между точкой включения подход привода и точка «выключения» отступление привода. Это расстояние снижает количество ложных срабатываний.

Принцип работы емкостного датчика

Устройство емкостного датчика

Преимущества емкостных датчиков