Емкостные датчики приближения
Емкостные датчики приближения могут обнаруживать металлические и неметаллические объекты, а также аморфные продукты, такие как порошки, гранулы и жидкости. Хорошим примером такого устройства является CD50CNF06NO от Carlo Gavazzi. Он работает аналогично индуктивным датчикам, за исключением того что катушки индуктивного датчика были заменены емкостной детекторной пластиной. Чаще всего его используют для определения уровня жидкости в резервуарах. Металлическая пластина детектора в этом случае образует конденсатор с обнаруженным объектом, емкость которого изменяется с удалением от объекта. Он определяет частоту генератора, которая контролируется для переключения состояния выхода каждый раз, когда превышается порог.
Датчик CD50CNF06NO предназначен для контроля уровня жидкости. Он соединен тремя проводами и имеет выход с NPN-транзистором с открытым коллектором (NO). Требуется источник питания постоянного тока от 10 до 30 В. Он доступен в корпусе размером 50 х 30 х 7 мм и обеспечивает дальность обнаружения до 6 мм. В типовом случае он привинчивается или приклеивается к внешней стороне неметаллического резервуара.
Емкостные датчики прикосновения
Рассматривая разнообразные типы сенсоров на основе электрической емкости, нельзя обойти вниманием такое их использования как датчики прикосновения. Самым наглядным примером подобных приборов служат смартфоны
Реализация датчиков прикосновения может быть достаточно сложной, но она базируется на некоторых простых основополагающих принципах. Работа таких устройств основана:
- на использовании собственной емкости;
- на использовании взаимной емкости.
Далее будет рассмотрен принцип работы датчиков прикосновения на основе собственной емкости.
Датчик на основе собственной емкости
Конденсатор существует не только в виде отдельного объемного элемента с выводами. Емкостью также обладают два обычных проводника, расположенные параллельно. Исходя из этого, можно получить конденсатор, основываясь на электропроводных слоях, разделенных каким-либо диэлектриком. Такой конденсатор может быть получен на основе печатной платы.
Он представлен на рисунке ниже (в двух проекциях — сверху и сбоку). Мы видим обособленный участок (сенсорная кнопка), отделенный от общего слоя меди. А так как остальные участки соединены с землей, то сенсорная площадка может быть представлена как конденсатор между ней и землей.
Емкость такого конденсатора будет мала, порядка 10 пФ. Но для различных устройств ее значение не принципиально. При контроле зачастую важна не емкость, а ее изменение. Именно на это рассчитаны те схемы, которые обрабатывают состояние сенсорной кнопки.
Как изменить состояние кнопки
Самое простое, что можно сделать, — прикоснуться пальцем. Надо сразу отметить, что никакой опасности для человека такое касание не представляет. Обычно все платы покрываются лаком, так что прямого контакта с токопроводящими элементами не произойдет. Тем не менее, изменения состояния конденсатора будут. Это возможно по двум причинам:
- из-за диэлектрической проницаемости человеческого тела;
- из-за собственной проводимости
Тело обладает собственной диэлектрической проницаемостью
Вследствие того, что диэлектрическая проницаемость тела отличается от диэлектрической проницаемости воздуха, который служит изолятором в первоначальный момент, то емкость конденсатора изменится. Здесь расчет простой — диэлектрическая проницаемость воздуха 1, а воды — 80 (человеческое тело по большей части состоит из воды). Значит, емкость сенсорной кнопки увеличится.
Для этого изменения даже не надо ее касаться. Как показали исследования ученых, порой достаточно просто поднести палец к контакту.
Тело обладает собственной проводимостью
Это давно установленный факт.
И хотя выше говорилось, что касание не несет опасности для человека, тем не менее, оно вносит свою лепту в изменение состояния сенсорной кнопки. Упрощенно можно считать, что емкость пальца подключена параллельно емкости сенсорной кнопки. Поэтому общая емкость системы, как и в предыдущем случае, увеличится. А значит, оба рассмотренных механизма (изменение диэлектрической проницаемости и собственная проводимость человеческого тела) приводят к увеличению емкости.
Как работает такой измеритель
По сути дела, подобный сенсор представляет собой конденсатор. На определении его характеристики базируется работа измерителя и контроль параметров. Поэтому вполне к месту будет вспомнить о том, что такое конденсатор.
Про конденсатор, его характеристики
Как известно, емкость конденсатора определяется формулой
С=Ɛ×Ɛ0×S/d
Где:
- Ɛ0 — диэлектрическая постоянная;
- Ɛ — относительная диэлектрическая проницаемость среды между пластинами;
- d — зазор между обкладками;
- S — площадь обкладок.
В этой формуле три переменные величины — диэлектрическая проницаемость Ɛ, площадь S обкладок конденсатора и зазор между обкладками d. Изменение любой из них приведет к изменению емкости, а отслеживание колебаний позволит контролировать характеристики среды или другого параметра.
Принцип работы емкостного измерителя
Самое простое техническое решение — включить измерительный сенсор во времязадающую цепь генератора. Не вдаваясь в тонкости схемотехники, можно сказать, что принцип работы любого емкостного датчика тем или иным образом связан с изменением параметров генератора. Это происходит из-за колебаний емкости конденсатора, что приводит к генерации им колебаний другой частоты.
Таким образом, отслеживая ее значение на выходе измерителя, можно оценивать изменения контролируемого параметра. Конечно, в каждом конкретном случае схемотехническое решение может быть разным. Во многом оно будет зависеть от параметра конденсатора, на который оказывается воздействие со стороны внешней среды.
Это может быть изменение зазора между обкладками конденсатора из-за их сближения или удаления. Или при заполнении резервуара другой средой, например водой, изменится значение диэлектрической проницаемости. Или обкладки конденсатора после внешних воздействий будут располагаться друг относительно друга по-разному.
Любое подобное воздействие вызовет изменение значения емкости конденсатора, а значит, повлияет на работу схемы. Например, емкостные датчики уровня контролируют степень заполнения резервуара или бункера. Зная зависимость между уровнем жидкости и емкостью конденсатора, можно определить, насколько заполнен бак.
Хотя надо отметить, что могут применяться и другие способы обработки сигналов датчика. Их достаточно много, выбор того или иного зависит от конкретных условий. Современный уровень развития электроники позволяет получать обработанный сигнал в виде цифрового кода.
Еще один метод измерения емкости — использование аналого-цифровых преобразователей. Микроконтроллеры вполне могут справиться подобной задачей. В этом случае значительно упрощается измерительная часть приборов на их основе.
Важные замечания
Впрочем, все не так плохо. Многие производители добиваются прекрасных характеристик экранировки датчиков за счет внесения минимальных изменений в их конструкцию. Что же касается частоты использования, то на практике они показывают прекрасные результаты при широко распространенном в промышленности значении в 400 Гц. Мы уже говорили о верности основной формулы только при условии игнорирования краевого эффекта. Но при этом полезно знать, что он действительно может оказать негативное влияние только лишь в том случае, если расстояние между пластинами диэлектрика сопоставимо с их собственными размерами. Кроме того, негативный эффект можно в значительной степени нивелировать, попросту использовав защитное кольцо. В этом случае границы влияния эффекта удается перенести далеко за пределы используемых обкладок.
Еще раз заметим, что те же датчики давления отличаются замечательной простотой, которая позволяет создавать на диво устойчивые, прочные и дешевые конструкции. Если правильно подобрать геометрические размеры используемого диэлектрика, то об используемых в производстве такого конденсатора материалах можно особо не беспокоиться.
Таким образом, правильно подобрав марку металла для изготовления корпуса датчика, можно практически пренебречь даже сильными температурными колебаниями, которые бы могли привести у изменению емкости прибора и неадекватности его показаний. Конечно же, это вовсе не отменяет необходимости максимально тщательно изолировать датчики давления и прочие подобные индикаторы от агрессивных факторов внешней среды. Несмотря на их простоту, высокая влажность и повышенный уровень радиации могут крайне негативно сказаться на надежности прибора.
Типы емкостных датчиков и их применение
Датчики приближения
В настоящее время одним из наиболее часто используемых емкостных датчиков являются датчики приближения, которые, помимо того, что они чрезвычайно надежны, имеют очень широкий спектр преимуществ.
Датчики этого типа используются практически во всех областях, так как они имеют очень разумную стоимость. Они используются для контроля уровня заполнения различных емкостей, управления напряжением, для сигнализации в случае проблем на производственных линиях и других.
Емкостные датчики для угловых и линейных перемещений
Датчики этого типа используются в таких отраслях, как машиностроение, энергетика, транспорт, строительство и другие.
Инклинометры
Емкостные инклинометры используются на нефтяных платформах в системах нивелирования, для определения деформации опор, для мониторинга и контроля уклона автомобильных и железных дорог при их строительстве, для определения качества автомобилей, судов, лифтов, подъемного оборудования, сельскохозяйственной техники для определения углового смещения вращающихся объектов, таких как валы, шестерни и механизмы, как стационарных, так и подвижных.
Емкостные датчики уровня
Датчики этого типа используются в системах мониторинга, регулирования и контроля процессов в пищевой, фармацевтической, химической и нефтяной промышленности.
Они чрезвычайно эффективны при работе с жидкостями, сыпучими материалами, проводящими и непроводящими вязкими веществами, а также в тяжелых рабочих условиях в помещениях или местах, где накапливается пыль или конденсат.
Емкостные датчики широко используются в отраслях, где требуется точное измерение общего давления, толщины диэлектрических материалов, влажности, линейных и угловых деформаций и других.
Как работает такой измеритель
По сути дела, подобный сенсор представляет собой конденсатор. На определении его характеристики базируется работа измерителя и контроль параметров. Поэтому вполне к месту будет вспомнить о том, что такое конденсатор.
Про конденсатор, его характеристики
Как известно, емкость конденсатора определяется формулой
С=Ɛ×Ɛ0×S/d
Где:
- Ɛ0 — диэлектрическая постоянная;
- Ɛ — относительная диэлектрическая проницаемость среды между пластинами;
- d — зазор между обкладками;
- S — площадь обкладок.
В этой формуле три переменные величины — диэлектрическая проницаемость Ɛ, площадь S обкладок конденсатора и зазор между обкладками d. Изменение любой из них приведет к изменению емкости, а отслеживание колебаний позволит контролировать характеристики среды или другого параметра.
Принцип работы емкостного измерителя
Самое простое техническое решение — включить измерительный сенсор во времязадающую цепь генератора. Не вдаваясь в тонкости схемотехники, можно сказать, что принцип работы любого емкостного датчика тем или иным образом связан с изменением параметров генератора. Это происходит из-за колебаний емкости конденсатора, что приводит к генерации им колебаний другой частоты.
Таким образом, отслеживая ее значение на выходе измерителя, можно оценивать изменения контролируемого параметра. Конечно, в каждом конкретном случае схемотехническое решение может быть разным. Во многом оно будет зависеть от параметра конденсатора, на который оказывается воздействие со стороны внешней среды.
Это может быть изменение зазора между обкладками конденсатора из-за их сближения или удаления. Или при заполнении резервуара другой средой, например водой, изменится значение диэлектрической проницаемости. Или обкладки конденсатора после внешних воздействий будут располагаться друг относительно друга по-разному.
Любое подобное воздействие вызовет изменение значения емкости конденсатора, а значит, повлияет на работу схемы. Например, емкостные датчики уровня контролируют степень заполнения резервуара или бункера. Зная зависимость между уровнем жидкости и емкостью конденсатора, можно определить, насколько заполнен бак.
Хотя надо отметить, что могут применяться и другие способы обработки сигналов датчика. Их достаточно много, выбор того или иного зависит от конкретных условий. Современный уровень развития электроники позволяет получать обработанный сигнал в виде цифрового кода.
Еще один метод измерения емкости — использование аналого-цифровых преобразователей. Микроконтроллеры вполне могут справиться подобной задачей. В этом случае значительно упрощается измерительная часть приборов на их основе.
Датчики для определения угловых перемещений
В общем-то, по конструкции и назначению они практически полностью идентичны только что рассмотренному нами типу. Схожесть проявляется и в том, что датчики с переменной площадью электродов также следует использовать для больших измерений, а с переменным расстоянием между самими электродами – для малых. Как правило, такие приборы делаются многосекционными, с возможностью изменения площади обкладок конденсатора.
Чтобы достичь этого, первый электрод крепится к подвижному валу, при вращении которого он меняет свое положение относительно второго, что обеспечивает изменение площади перекрытия пластин диэлектрика в конденсаторе. Естественно, что при этом фиксируется изменение емкости.
Модельный ряд емкостных датчиков для жидких продуктов
Емкостные датчики уровня жидких продуктов выпускаются в различных вариантах. Для работы в разных условиях подбирается датчик с необходимой формой и размером чувствительного элемента, конструкцией и размером корпуса. Модели также отличаются по типу установки и могут быть предназначены для встраивания в стенки или крышку резервуара, размещения рядом с емкостью, в подвесном варианте и других.
| Модель | Тип датчика | Длина зонда | Температура процесса | Давление | Выходы | Напряжение питания |
CleverLevel |
Дискретный датчик уровня | — | -40…+85°С-40…+140°С-40…+200°С | до 100 бар | PNP, NPN, Цифровой (Push-pull) | 12,5…36В DC12…30В DC |
| RFnivo RF3000 | Сигнализатор с зондом в виде стержня или троса | до 20м | -40…+500°С | до 25 бар | Реле DPDT 250В 8АDC 30В 5А | 21…230В AC/DC |
| Nivocap CK-100 | Сигнализатор с зондом в виде стержня или троса | до 10м | -30…+235°C | до 25 бар | Реле SPDT 250В 8А Электронный переключатель SPST 50В 350мА | 20…235В AC/DC |
| FineTek SA | Сигнализатор с зондом в виде стержня или троса | до 5м | -20…+800°С | до 20 бар | Реле 250В 5АТТР 240В 5А | 110…220В AC 24В DC |
NivoCap |
Уровнемер | до 20м | -30…+200°C | до 40 бар | Токовый 4…20мАВыход на вольтметрМодуль SAP-202Интерфейс HART-протокола | 12…36В DC |
| FineTek EB | Уровнемер | до 50м | -20…+200°C | до 40 бар | Токовый 4…20мА | 12…36В DC |
Датчики присутствия
Другим, не менее важным и востребованным вариантом применения датчиков на основе емкости является их использование для обнаружения кого- или чего-либо в зоне контроля. Самый простой пример — включение освещения на лестничной площадке. Хотя этим далеко не исчерпываются возможности таких измерителей. Не менее востребовано применение таких сенсоров в системах охранной сигнализации. Или подсчета количества штучной продукции.
Как это работает
Выше уже отмечалось, что человеческое тело обладает определенной диэлектрической проницаемостью и проводимостью.
На рисунке представлено схематическое изображение такой системы. Имеются два электрода, подключенные к измерителю. Каждый из них обладает своей емкостью, обозначенной С1. В результате есть определенная результирующая емкость у всей системы.
При появлении в контролируемой зоне какого-то нового объекта, например человека, у системы образуются две дополнительные емкости: Са — между электродом и телом человека, и Сb — между человеком и землей. Результирующая емкость всей системы изменится, и это изменение может быть отслежено схемой контроля.
Еще один способ обнаружения присутствия
В этом случае также используется эффект увеличения емкости при появлении постороннего предмета в зоне контроля. Только в данном случае применяется механизм активного воздействия на контролируемый участок. Для этого используется схема датчика с активным излучателем.
В состав такого измерителя входят генератор сигналов, компаратор и усилитель-преобразователь. При включении схемы в пространстве перед измерителем возникает электрическое поле. Генератор настроен таким образом, чтобы при отсутствии посторонних предметов он не запускался. Достигается это тем, что свободное пространство считается развернутым конденсатором с диэлектрической проницаемостью равной 1. Значение емкости получается недостаточным для запуска генератора.
При появлении каких-либо материалов, объектов, людей перед измерителем диэлектрическая проницаемость среды изменяется (увеличивается), также растет емкость конденсатора. Это приводит к запуску генератора. Амплитуда колебаний будет зависеть от расстояния до предмета, его материала и диэлектрической проницаемости.
При достижении амплитуды колебаний определенной величины, срабатывает компаратор и выдает сигнал на усилитель. Посторонний предмет обнаружен.
Данная схема может применяться не только в системах охранной сигнализации для фиксации вторжения в закрытую зону, но и для других целей. На этом принципе может работать система подсчета количества штучного товара, например, упаковок молока, консервных банок или любых других аналогичных предметов.
Срабатывание емкостного датчика
Как превращается конденсатор в емкостной датчик? Смотрите ниже:
На рисунке а) показан датчик приближения, использующий палец в качестве «земли», на рисунке б) показано измерение уровня жидкости с параллельным датчиком и землей, а на рисунке с) показан датчик обнаружения и анализа материала.
Бесконтактный датчик формируется путем построения изолированного датчика пластины из проводящей области печатной платы и зарядки. Конденсатор будет формироваться в любое время в заземленном проводящем элементе или же в любом другом объекте, имеющем диэлектрическую проницаемость отличную от воздуха. Из рисунка а) видно, что такой принцип будет работать и в случае приближение части человеческого тела (в нашем случае пальца), так как, по сути, человеческое тело будет представлять собой потенциал земли.
По мере приближения пальца будет изменятся емкость. Даже с учетом того, что эта система нелинейна, обнаружение приближения не составит большого труда.
Для расширения возможностей данного измерительного устройства могут использовать несколько независимых датчиков – вниз/вверх и влево/вправо:
По мере перемещения пальца изменяется емкость всех четырех датчиков. Многоканальный детектор считывает эти показания и передает в микроконтроллер, который проводит вычисления скорости и направления перемещения.
Во многих системах, таких как хранения химических веществ, промышленные системы контроля и автоматизации или коммерческие машины необходимо измерять уровень жидкости. В этом случае пластины датчика могут располагаться рядом друг с другом (см. рисунок б)), в результате чего получается повышенная чувствительность вдоль вертикальной оси.
По мере изменения уровня жидкости будет меняться и диэлектрическое значение, соответственно изменится и емкость. Такая конфигурация позволяет использовать края силовых линий. Соответственно и расчеты изменения емкости в данном случае будут значительно сложнее, чем в случае простой пластины.
Датчик анализа материалов состоит из основной пластины, показанной на рисунке с). Для анализа материала используется эффект изменения проницаемости между пластинами при добавлении или удалении материала. Незагруженный датчик использует в качестве диэлектрика воздух. При попадании в этот воздушный зазор материала, например бумаги, электрическая емкость полученного таким образом конденсатора увеличится, соответственно изменение отслеживаются и передаются в контроллер, который и обрабатывает данные значения, вычисляя, таким образом, тип и свойства материала.
Принцип работы емкостного датчика
Вот что такое емкостные датчики. Принцип работы их не так сложен, но для его понимания нужно кое-что знать. Для начала вспомним принцип определения емкости конденсатора. Выражается это действие при помощи следующей формулы:
С= εεₒS/δ.
Данное выражение многим известно из школьного курса физики, но не мешало бы освежить память и вспомнить, что подразумевает каждая из переменных:
- S – площадь конденсаторной пластины.
- Ε – относительная проницаемость диэлектрического материала, использованного в конструкции конденсатора.
- εₒ — так в физике принято обозначать диэлектрическую проницаемость вакуума.
- δ – так может обозначаться или толщина пластины диэлектрика, или же расстояние между несколькими слоями материала.
Таким образом, из приведенной формулы следует, что изменить емкость конденсатора легко. Достаточно как-то подействовать на площадь пластины диэлектрического материала, на расстояние между пластинами или непосредственно на проницаемость использованного при производстве материала. Соответственно, выбор конкретной величины зависит исключительно от перечня задач, которые конструкторы поставили перед прибором.
Таким образом, можно даже сделать емкостной датчик своими руками, так как с конструктивной точки зрения это – обычный плоский или цилиндрический конденсатор, одна из пластин которого постоянно испытывает контролируемое перемещение в пространстве, что приводит к изменению емкости. Следует помнить, что приведенная выше формула верна только в том случае, если вы полностью пренебрегаете краевыми эффектами. Мы еще поговорим об этом в заключительной части нашей статьи.
Следует знать, что такого рода электронные приборы интенсивно используются для измерения угловых и линейных перемещений предметов, вычисления размеров, прикладываемой работы, влажности, концентрации действующего вещества и прочих характеристик. Что касается конструктивной стороны вопроса, то упомянутые КИПы изготавливают плоскопараллельными, в цилиндрических корпусах, со штыревыми электродами, с прокладкой из диэлектрического материала и вовсе без него.
Вот как функционируют емкостные датчики. Принцип работы некоторых из них нужно знать особенно подробно. В рамках этой статьи мы приведем несколько формул, которые могут оказаться для вас полезными.
Классификация емкостных датчиков по способу их реализации
Все типы емкостных датчиков можно разделить на две группы: датчики с одной и двумя емкостями. Последние далее делятся на дифференциальные и полудифференциальные.
Датчики с одной емкостью имеют простую конструкцию и представляют собой конденсаторы с переменной емкостью. Этот тип датчиков имеет ряд недостатков, которые включают значительное влияние внешней среды, такой как влажность и температура
Недостаток датчиков с дифференциальной конструкцией состоит в том, что они отличаются от датчиков с одной емкостью, а дифференциальные имеют как минимум три соединительных провода между датчиком и измерительным устройством для нейтрализации негативного воздействия влажности и температуры.
Однако из-за этого небольшого недостатка дифференциальные датчики значительно повышают их точность и стабильность и тем самым расширяют область их применения.
Плюсы емкостных датчиковПо сравнению с конкурентными оптическими, индуктивными и пьезоэлектрическими датчиками емкостные датчики имеют много преимуществ, среди которых:
- простота производства — для изготовления емкостных датчиков используются дешевые материалы, что влияет на конечную цену продукта;
- малый размер и вес;
- низкое энергопотребление;
- высокая степень чувствительности;
- бесконтактный (они не обязательно должны быть рядом с объектом исследования;
- длительный срок службы;
Простая адаптация конструкции сенсора под различные задачи и измерения.
НедостаткиНекоторые из самых больших недостатков емкостных датчиков:
- сравнительно небольшой коэффициент конверсии (передачи);
- необходимость работы на частоте выше 50 Гц;
- на производительность может влиять пыль и влага, а датчик может обнаружить неправильное измерение;
- температурная чувствительность.
Емкостные датчики отличаются простотой исполнения, что позволяет создать долговечную и надежную конструкцию. Параметры конденсатора зависят только от его характеристик и не зависят от свойств используемых материалов, если они правильно выбраны.
Проблему их чувствительности к температуре можно решить, выбрав подходящий материал для пластин и соответствующую изоляцию для их крепления. Остается только улучшить их защиту от вредного воздействия пыли, влаги и ионного излучения, и этот тип датчиков будет иметь еще больший спектр применения.
И, наконец, мы можем подвести итог …
Емкостные датчики используют очень небольшую механическую силу, которая им необходима для перемещения подвижной части, позволяют регулировать выход системы и работют с высокой точностью. Все это делает эти датчики незаменимыми для точного измерения проводящих и непроводящих элементов.
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.
