حسگر خازنی

سرویس آموزش‌های تخصصی برق نیوز:
فناوری سنجش خازنی اغلب در سایر فناوری‌های حسگر مانند:
جریان
فشار
سطح مایع
فاصله گذاری
ضخامت
تشخیص یخ
زاویه شفت یا موقعیت خطی
سوئیچ های دیمر
سوئیچ های کلیدی
تبلت x-y
شتاب سنج ها

اصل عملیات
یک سنسور خازنی مانند یک خازن ساده عمل می کند. یک صفحه فلزی در سطح حسگر  به صورت الکتریکی به یک مدار نوسانگر داخلی متصل است و هدفی که قرار است حس شود به عنوان صفحه دوم خازن عمل می کند. برخلاف سنسور القایی که میدان الکترومغناطیسی تولید می کند، حسگر خازنی یک میدان الکترواستاتیک تولید می کند.

ظرفیت خارجی بین هدف و صفحه حسگر داخلی، بخشی از ظرفیت بازخورد در مدار نوسان ساز را تشکیل می دهد. با نزدیک شدن به هدف، حسگرها با نوسانات روبرو می شوند تا زمانی که به سطح آستانه برسند و خروجی را فعال کنند.

حسگرهای خازنی قابلیت تنظیم حساسیت یا سطح آستانه نوسان ساز را دارند. تنظیم حساسیت را می توان با تنظیم یک پتانسیومتر، با استفاده از یک دکمه فشاری آموزشی یکپارچه یا از راه دور با استفاده از سیم آموزش انجام داد. اگر سنسور روش تنظیمی ندارد، سنسور باید به صورت فیزیکی حرکت داده شود تا هدف را به درستی تشخیص دهد. افزایش حساسیت باعث فاصله عملیاتی بیشتر تا هدف می شود. افزایش زیاد حساسیت می تواند باعث شود سنسور تحت تأثیر دما، رطوبت و کثیفی قرار گیرد.

دو دسته از اهداف وجود دارد که حسگرهای خازنی می توانند تشخیص دهند که اولی رسانا و دومی غیر رسانا است. اهداف رسانا شامل فلز، آب، خون، اسیدها، بازها و آب نمک است. این اهداف ظرفیت خازنی بیشتری دارند و قدرت دی الکتریک هدف اهمیتی ندارد. بر خلاف سنسور مجاورت القایی، فاکتورهای کاهش فلزات مختلف عاملی در حسگر فاصله سنسور نیستند.

دسته هدف غیر رسانا مانند یک عایق برای الکترود حسگر عمل می کند. ثابت دی الکتریک هدف که گاهی به آن ثابت دی الکتریک نیز می گویند، معیاری از خواص عایق است که برای تعیین ضریب کاهش فاصله حسگر استفاده می شود. جامدات و مایعات دارای یک ثابت دی الکتریک بزرگتر از خلاء (1.00000) یا هوا (1.00059) هستند. مواد با ثابت دی الکتریک بالا، فاصله حسی بیشتری خواهند داشت. بنابراین مواد با محتوای آب بالا، به عنوان مثال چوب، دانه، کثیفی و کاغذ بر فاصله سنجش تأثیر می‌گذارند.

هنگام برخورد با اهداف غیر رسانا، سه عامل تعیین کننده فاصله سنجش وجود دارد.

اندازه سطح فعال سنسور - هر چه اندازه سنسور بزرگتر باشد فاصله حسگر بیشتر می شود
خواص خازنی ماده شی مورد نظر که به آن ثابت دی الکتریک نیز گفته می شود - هر چه ثابت بالاتر باشد فاصله حسگر بیشتر می شود.
مساحت سطح جسم مورد نظر که باید حس شود - هر چه مساحت سطح بزرگتر باشد، فاصله حسگر بیشتر می شود
سایر عواملی که کمترین تأثیر را بر فاصله سنجش دارند

درجه حرارت
سرعت شی مورد نظر

محدوده سنجش
حداکثر فاصله سنجش منتشر شده یک حسگر خازنی بر اساس یک هدف استاندارد است که یک صفحه فلزی مربعی زمین (Fe 360) با ضخامت 1 میلی متر است. هدف استاندارد باید یک طول جانبی داشته باشد که قطر دایره ثبت شده سطح سنجش یا سه برابر فاصله سنجش نامی اگر فاصله سنجش از قطر بیشتر باشد. اجسامی که فلزی نیستند، بر اساس ثابت دی الکتریک آن ماده جسم، ضریب کاهش خواهند داشت. این ضریب کاهش باید برای تعیین فاصله واقعی اندازه گیری شود، اما برخی جداول وجود دارد که تقریبی از ضریب کاهش را ارائه می دهد.

فاصله سنجش نامی یا نامی Sn یک مقدار نظری است که تحمل تولید، دمای عملیاتی و ولتاژ منبع تغذیه را در نظر نمی گیرد. این معمولاً فاصله سنجشی است که در کاتالوگ های تولیدی مختلف و مواد بازاریابی ذکر شده است.

فاصله سنجش موثر Sr فاصله سوئیچ سنسور است که تحت شرایط مشخصی مانند نصب در هموار، ولتاژ نامی Ue، دمای Ta = 23 درجه سانتیگراد +/- 5 درجه سانتیگراد اندازه گیری می شود. محدوده سنجش موثر حسگرهای خازنی را می توان با پتانسیومتر، دکمه آموزشی یا سیم آموزش از راه دور تنظیم کرد.

هیسترزیس
هیسترزیس تفاوت فاصله بین سوئیچ روشن با نزدیک شدن هدف به صورت سنجش و نقطه خاموش شدن هنگام دور شدن هدف از چهره سنجشگر است. Hysteresis در حسگر‌ها طراحی شده است تا در صورت قرار گرفتن هدف در نقطه سوئیچینگ از صدای خروجی جلوگیری کند.

هیسترزیس بر حسب درصد فاصله سنجش نامی بیان شد. به عنوان مثال، سنسوری با فاصله سنجش نامی ۲۰ میلی متر ممکن است حداکثر پسماند ۱۵ ٪ یا ۳ میلی متر داشته باشد. Hysteresis یک پارامتر مستقل است که ثابت نیست و حسگر به حسگر متفاوت است. چندین عامل وجود دارد که می‌تواند بر هیسترزیس تأثیر بگذارد، از جمله:

دمای سنسور هم محیط و هم گرمای تولید شده توسط سنسور در حال تغذیه
فشار جو
رطوبت نسبی
تنش‌های مکانیکی به محفظه سنسور
قطعات الکترونیکی استفاده شده بر روی برد مدار چاپی در سنسور
همبستگی با حساسیت - حساسیت بالاتر به فاصله سنجش امتیاز بالاتر و پسماند بزرگتر مربوط می‌شود.

نحوه تعیین حساسیت سنسور خازنی
حسگر‌های خازنی دارای یک پتانسیومتر یا روشی برای تنظیم حساسیت سنسور برای کاربرد خاص هستند. در مورد یک پتانسیومتر، تعداد چرخش‌ها به چند دلیل مهم نشانگر دقیق تنظیم سنسور را ارائه نمی‌دهد. اول اینکه، اکثر پتانسیومتر‌ها دارای توقف سخت نیستند، در عوض آن‌ها دارای کلاچ هستند تا در صورت تنظیم کامل حداقل یا حداکثر، دیگ آسیب نبیند. ثانیا، گلدان‌ها خطی بودن ثابتی ندارند.

برای تعیین حساسیت یک حسگر خازنی، فاصله حسگر از یک صفحه فلزی زمین شده با یک میکرومتر اندازه گیری می‌شود. صفحه به نقطه منفی منبع تغذیه متصل می‌شود و هدف به صورت محوری به سمت سنسور حرکت می‌کند. هدف را از محدوده سنجش خارج کرده و سپس آن را به سمت نمای سنسور حرکت دهید. به محض فعال شدن خروجی، پیشروی هدف را متوقف کنید. این فاصله، فاصله حسگر سنسور است. دور کردن هدف و توجه به زمانی که خروجی خاموش می‌شود، پسماند سنسور را فراهم می‌کند.