Емкостные датчики

. Емкостные датчики. 
 
Емкocтный дaтчик, измерительный преобразователь неэлектрических величин (уровня жидкости, механические усилия, давления, влажности и др.) в значения электрической ёмкости. Конструктивно емкостный датчик представляет собой конденсатор электрический плоскопараллельный или цилиндрический.  
 
Принцип действия емкостных бесконтактных выключателей 
 
Емкостные датчики имеют чувствительный элемент в виде вынесенных к активной поверхности пластин конденсатора.  
 
Принцип действия емкостных сенсоров основывается либо на изменении геометрии конденсатора (т.е. на изменении расстояния между пластинами), либо на изменении емкости за счет размещения между пластинами различных материалов: электропроводных или диэлектрических. Изменения емкости, как правило, преобразуются в переменный электрический сигнал.  
 
Принцип действия основан на зависимости электрической емкости конденсатора от размеров, взаимного расположения его обкладок и от диэлектрической проницаемости среды между ними. 
 
 Для двухобкладочного плоского конденсатора электрическая емкость определяется выражением: С = e₀eS/d 
 
где e₀ - диэлектрическая постоянная; e - относительная диэлектрическая проницаемость среды между обкладками; S - активная площадь обкладок; d - расстояние между обкладками конденсатора. 
 
Зависимости C(S) и C(d) используют для преобразования механических перемещений в изменение емкости. 
 
Приближение объекта из любого материала к активной поверхности ведет к изменению емкости конденсатора, параметров генератора и в конечном итоге к переключению коммутационного элемента. 

Устройство и  принципы работы емкостного датчика

 
 
 
Рис. 2.8. Устройство емкостного датчика 

Емкocтный бecконтактный датчик функционирует следующим образом: 
1. Генератор обеспечивает электрическое поле взаимодействия с объектом. 
2. Демодулятор преобразует изменение амплитуды высокочастотных колебаний генератора в изменение постоянного напряжения. 
3. Триггер обеспечивает необходимую крутизну фронта сигнала переключения и значение гистерезиса. 
4. Усилитель увеличивает выходной сигнал до необходимого значения. 
5. Светодиодный индикатор показывает состояние выключателя, обеспечивает работоспособность, оперативность настройки. 
6. Компаунд обеспечивает необходимую степень защиты от проникновения твердых частиц и воды. 
7. Корпус обеспечивает монтаж выключателя, защищает от механических воздействий. Выполняется из латуни или полиамида,комплектуется метизными изделиями.

Активная поверхность емкостного бесконтактного датчика образована двумя металлическими электродами, которые можнопредставить как обкладки "развернутого" конденсатора. Электроды включены в цепь обратной связи высокочастотногоавтогенератора, настроенного таким образом, что при отсутствии объекта вблизи активной поверхности он не генерирует. Приприближении к активной поверхности емкостного бесконтактного датчика объект попадает в электрическое поле и изменяет емкостьобратной связи. Генератор начинает вырабатывать колебания, амплитуда которых возрастает по мере приближения объекта.Амплитуда оценивается последующей схемой обработки, формирующей выходной сигнал. Емкостные бесконтактные датчикисрабатывают как от электропроводящих объектов, так и от диэлектриков. При воздействии объектов из электропроводящихматериалов реальное расстояние срабатывания Sr максимально, а при воздействии объектов из диэлектрических материаловрасстояние Sr уменьшается в зависимости диэлектрической

проницаемости материала er (см. график зависимости Sr от er и таблицу диэлектрической проницаемости материалов). При работе собъектами из различных материалов, с разной диэлектрической проницаемостью, необходимо пользоваться графиком зависимости Srот er. Номинальное расстояние срабатывания (Sn) и гарантированный интервал воздействия (Sa), указанные в техническиххарактеристиках выключателей, относятся к заземленному металлическому объекту воздействия (Sr=100%). Соотношение дляопределения реального расстояния срабатывания (Sr): 0,9 Sn < Sr < 1,1 Sn.

 
 
 
Рис 2.9.Зависимость реального расстояния срабатывания Sr от диэлектрической проницаемости материала объекта ?r 
 
Диэлектрическая проницаемость некоторых материалов:

 
 
 
Емкостные датчики могут быть однополярными (в их состав входит только один конденсатор), дифференциальными (в их состав входят два конденсатора) или мостовыми (здесь уже используются четыре конденсатора). В случае дифференциальных или мостовых сенсоров, один или два конденсатора являются либо постоянными, либо переменными, включенными навстречу друг другу. 
 
На практике при измерении перемещения электропроводного объекта, его поверхность часто играет роль пластины конденсатора. На рис. 2.10. отображена принципиальная схема однополярного емкостного датчика, в котором одна из пластин конденсатора соединена с центральным проводником коаксиального кабеля, а другой пластиной является сам объект. Отметим, что собственная пластина датчика окружается заземленным экраном, что позволяет улучшать линейность и уменьшать краевые эффекты. Типовой емкостный датчик работает на частотах 3-МГц диапазона и может детектировать перемещения быстро двигающихся объектов. Частотные характеристики такого датчика со встроенным электронным интерфейсом лежат в диапазоне 40 кГц.  
 
Емкостные датчики приближения очень эффективны при работе с электропроводными объектами, при этом они измеряют емкость между электродом и самим объектом. Емкостные датчики также достаточно хорошо работают и с непроводящими объектами, но при этом их точность несколько ухудшается. Любой объект, попадающий в окрестность электрода, обладает своими собственными диэлектрическими свойствами, которые изменяют емкость между электродом и корпусом датчика, что, в свою очередь, приводит к появлению выходного сигнала, пропорционального расстоянию между объектом и детектором. 
 
Для повышения чувствительности и снижения краевых эффектов в однополярном емкостном датчике применяют активное экранирование. При этом экран размещается вокруг нерабочих сторон электрода и на него подается напряжение, равное напряжению на электроде. Поскольку напряжения на экране и электроде имеют одинаковые амплитуды и фазы, между ними нет электрического поля, и все компоненты, расположенные за экраном не оказывают никакого влияния на работу датчика. Этот метод экранирования проиллюстрирован на рис. 2.11. 
 
 
 
Рис.2.10. Емкостный датчик с экранирующим кольцом, поперечное сечение 
 
 
 
Рис. 2.11. Емкостный датчик, измеряющий расстояние до объекта, с активным экраном вокруг электрода 
 
В последние годы очень популярными стали мостовые емкостные датчики перемещений. На рис. 2.12. отображен линейный мостовой емкостной датчик перемещений, состоящий из двух групп плоских электродов, расположенных параллельно на фиксированном расстоянии d. Для увеличения емкости расстояние между электродами делается достаточно маленьким. Стационарная группа электродов состоит из четырех прямоугольных элементов, а подвижная группа - из двух. Все шесть элементов имеют одинаковые размеры. 
 
Для увеличения диапазона линейности желательно делать размер каждого элемента, как можно, крупным (здесь, как правило, начинают сказываться ограничения по механической прочности). Четыре электрода стационарной подгруппы перекрестно соединены друг с другом электрическими проводами, что делается для формирования емкостной схемы мостового типа. 
 
На мостовую схему подается синусоидальное напряжение с частотой 5 - 50 кГц. Дифференциальный усилитель усиливает разность напряжений между парой электродов в подвижной группе. Выходной сигнал усилителя поступает на вход синхронного детектора. Емкость конденсатора. Емкостный датчик мостового типа с двумя параллельными пластинами: А — устройство расположения групп, Б — эквивалентная схема номинального расстояния друг от друга, пропорциональна площади части подвижной пластины, расположенной напротив соответствующей области стационарной пластины. На рис. 2.12. отображена эквивалентная схема датчика перемещений с конфигурацией емкостного моста. Емкостные датчики перемещений имеют широкую сферу применения. Они могут использоваться как самостоятельно для определения положения и перемещения объектов, так и входить в состав других сенсоров, в которых перемещения отдельных элементов вызываются воздействием на них различных сил, давления, температуры и т.д.  
 
 
 
Рис 2.12. Мостовой емкостный датчик.