Sensori capacitivi

Un sensore capacitivo è chiamato trasduttore di tipo parametrico in cui una variazione del valore misurato viene convertita in una variazione della capacità.

Applicazioni di sensori capacitivi

Le possibili applicazioni dei sensori capacitivi sono estremamente diverse. Sono utilizzati nella regolazione dei processi industriali e nei sistemi di controllo in quasi tutti i settori. I sensori capacitivi vengono utilizzati per controllare il riempimento di serbatoi con sostanze liquide, in polvere o granulari, come finecorsa su linee automatizzate, nastri trasportatori, robot, centri di lavoro, macchine per il taglio dei metalli, nei sistemi di segnalazione, per il posizionamento di vari meccanismi, ecc.

Attualmente, i più diffusi sono i sensori di prossimità (presenza), che, oltre alla loro affidabilità, presentano anche una vasta gamma di vantaggi. Con un costo relativamente basso, i sensori di prossimità coprono un'ampia gamma di direzionalità nella loro applicazione in tutti i settori. Campi tipici di utilizzo per sensori capacitivi di questo tipo sono:

• segnalazione per il riempimento di contenitori in plastica o vetro;

• controllo del livello di riempimento delle confezioni trasparenti;

• allarme rottura bobina;

• regolazione della tensione della cinghia;

• conto parziale di qualsiasi tipo, ecc.

Gli encoder lineari e angolari capacitivi sono i dispositivi più comuni, ampiamente utilizzati nell'ingegneria e nei trasporti, nell'edilizia e nell'energia, in vari complessi di misurazione.

Dispositivi relativamente nuovi che sono entrati in uso industriale diffuso negli ultimi anni sono diventati inclinometri capacitivi di piccole dimensioni con un segnale di uscita elettrico proporzionale all'angolo di inclinazione del sensore…. Le seguenti aree di applicazione degli inclinometri possono essere considerate le principali: utilizzo nei sistemi di livellamento delle piattaforme, determinazione delle deviazioni e deformazioni di vari tipi di supporti e travi, controllo degli angoli di inclinazione di strade e ferrovie durante la loro costruzione, riparazione e funzionamento, determinazione del rollio di automobili, navi e robot sottomarini, paranchi e gru, escavatori, macchine agricole, determinazione dello spostamento angolare di vari tipi di oggetti rotanti: alberi, ruote, meccanismi del cambio su oggetti sia fissi che in movimento .

I sensori di livello capacitivi trovano impiego nei sistemi di controllo, regolazione e gestione dei processi produttivi nell'industria alimentare, farmaceutica, chimica, petrolifera. Sono efficaci quando si lavora con liquidi, materiali sfusi, sospensioni, sostanze viscose (conduttive e non), nonché in condizioni di condensa, polverosità.

I sensori capacitivi sono utilizzati anche in vari settori per misurare la pressione assoluta e relativa, lo spessore dei materiali dielettrici, l'umidità dell'aria, la deformazione, le accelerazioni angolari e lineari, ecc.

Vantaggi dei sensori capacitivi rispetto ad altri tipi di sensori

I sensori capacitivi offrono una serie di vantaggi rispetto ad altri tipi di sensori. I loro vantaggi includono:

• facilità di produzione, utilizzo di materiali economici per la produzione; — dimensioni e peso ridotti; — basso consumo energetico; - alta sensibilità;

• mancanza di contatti (in alcuni casi — un collettore attuale);

• lunga durata;

• la necessità di forze molto piccole per muovere la parte mobile del sensore capacitivo;

• facilità di adattamento della forma del sensore a diversi compiti e progetti;

Svantaggi dei sensori capacitivi

Gli svantaggi dei sensori capacitivi includono:

• coefficiente di trasferimento (conversione) relativamente piccolo;

• requisiti elevati per la schermatura delle parti;

• la necessità di lavorare a una frequenza più alta (rispetto a 50 Hz);

Nella maggior parte dei casi, tuttavia, è possibile ottenere una schermatura sufficiente grazie al design del sensore e la pratica dimostra che i sensori capacitivi danno buoni risultati alla frequenza ampiamente utilizzata di 400 Hz. Inerente condensatori l'effetto bordo diventa significativo solo quando la distanza tra le lastre è paragonabile alle dimensioni lineari delle superfici considerate. Questo effetto può essere in parte eliminato mediante un anello di protezione, che consente di spostarne l'influenza oltre i limiti della superficie delle lastre effettivamente utilizzate per le misure.

I sensori capacitivi sono notevoli per la loro semplicità, che consente un design robusto e affidabile. I parametri del condensatore dipendono solo dalle caratteristiche geometriche e non dipendono dalle proprietà dei materiali utilizzati, se questi materiali sono selezionati correttamente. Pertanto, l'effetto della temperatura sui cambiamenti di superficie e sulla spaziatura delle piastre può essere trascurabilmente piccolo scegliendo il grado appropriato di metallo per le piastre e l'isolamento per il loro fissaggio. Resta solo da proteggere il sensore da quei fattori ambientali che possono deteriorare l'isolamento tra le piastre - da polvere, corrosione, umidità, radiazioni ionizzanti.

Le preziose qualità dei sensori capacitivi - una piccola quantità di forza meccanica richiesta per spostare la sua parte mobile, la capacità di regolare l'uscita del sistema di tracciamento e l'elevata precisione di funzionamento - rendono i sensori capacitivi indispensabili nei dispositivi in ​​​​cui errori di solo centesimi e persino sono ammessi i millesimi per cento.

Tipi di convertitori capacitivi e loro caratteristiche di progettazione

Tipicamente, un sensore capacitivo è un condensatore piatto o cilindrico, una delle cui piastre subisce un movimento controllato, provocando un cambiamento di capacità. Trascurando gli effetti finali, la capacità per un condensatore piatto può essere espressa come segue:

dove ε La costante dielettrica relativa del mezzo racchiuso tra le piastre, C ed e - l'area delle piastre considerate e, di conseguenza, la distanza tra loro.

I trasduttori capacitivi possono essere utilizzati per misurare varie grandezze in tre direzioni, a seconda della relazione funzionale della grandezza non elettrica misurata con i seguenti parametri:

• costante dielettrica variabile del mezzo ε;

• area di sovrapposizione delle lastre C;

• diversa distanza tra le piastre e.

Nel primo caso, i trasduttori capacitivi possono essere utilizzati per analizzare la composizione della sostanza, poiché la costante dielettrica è funzione delle proprietà della sostanza. In questo caso, il valore di input naturale del convertitore sarà la composizione della sostanza che riempie lo spazio tra le piastre. I trasduttori capacitivi di questo tipo trovano largo impiego soprattutto nella misura del contenuto di umidità di solidi e liquidi, del livello di liquidi, nonché nella determinazione delle dimensioni geometriche di piccoli oggetti. Nella maggior parte dei casi di utilizzo pratico dei trasduttori capacitivi, il loro valore di input naturale è lo spostamento geometrico degli elettrodi l'uno rispetto all'altro.In base a questo principio, sensori di spostamento lineare e angolare, dispositivi per la misurazione di forze, vibrazioni, velocità e accelerazione, sensori per sensori di prossimità, pressione e deformazione (estensimetri).

Classificazione del sensore capacitivo

In termini di implementazione, tutti i trasduttori di misura capacitivi possono essere suddivisi in sensori capacitivi singoli e doppi capacitivi. Questi ultimi sono differenziali e semidifferenziali.

Un singolo sensore di capacità ha un design semplice ed è un singolo condensatore variabile. I suoi svantaggi includono un'influenza significativa di fattori esterni come l'umidità e la temperatura.Per compensare questi errori, applicare disegni differenziali... Lo svantaggio di tali sensori rispetto a quelli a capacità singola è la necessità di almeno tre (invece di due) fili di collegamento schermati tra il sensore e il dispositivo di misurazione per sopprimere il così- chiamate capacità parassite. Tuttavia, questo inconveniente viene ripagato con un aumento significativo della precisione, della stabilità e dell'espansione del campo di applicazione di tali dispositivi.

In alcuni casi, è difficile creare un sensore capacitivo differenziale per motivi di progettazione (questo è particolarmente vero per i sensori differenziali a gap variabile). Tuttavia, se allo stesso tempo un condensatore esemplare viene inserito nello stesso alloggiamento con uno funzionante e sono il più identici possibile nel design, nelle dimensioni e nei materiali utilizzati, allora sarà una sensibilità molto inferiore dell'intero dispositivo alle influenze destabilizzanti esterne assicurato. In tali casi si può parlare di sensore capacitivo semidifferenziale, che, come quello differenziale, fa riferimento a un sensore bicapacitivo.

La specificità del parametro di uscita dei sensori a due volumi, che è rappresentato come un rapporto adimensionale di quantità fisiche bidimensionali (nel nostro caso, capacità), dà motivo di chiamarli sensori di rapporto. Quando si utilizzano sensori a doppia capacità, il dispositivo di misurazione potrebbe non contenere alcuna misura di capacità standard, il che contribuisce ad aumentare la precisione della misurazione.

Encoder di spostamento lineare

Le grandezze non elettriche da misurare e controllare sono molte e varie. Una parte significativa di essi sono spostamenti lineari e angolari. Basato su un condensatore che campo elettrico due tipi principali di sensori di spostamento capacitivi possono essere creati in modo uniforme nello spazio di lavoro:

• con area dell'elettrodo variabile;

• con distanza variabile tra gli elettrodi.

È abbastanza ovvio che i primi sono più convenienti per misurare grandi spostamenti (unità, decine e centinaia di millimetri) e i secondi per misurare piccoli e piccolissimi spostamenti (parti di millimetro, micrometri e meno).

Encoder angolari

I trasduttori capacitivi a spostamento angolare sono in linea di principio simili ai trasduttori capacitivi a spostamento lineare, e sono più adatti anche i sensori ad area variabile nel caso di campi di misura non troppo piccoli (a partire dall'unità di gradi), e i sensori capacitivi ad angolo variabile può essere utilizzato con successo per misurare piccoli e piccolissimi spostamenti angolari. Tipicamente, per gli spostamenti angolari vengono utilizzati trasduttori a più sezioni con area variabile delle piastre del condensatore.

In tali sensori, uno degli elettrodi del condensatore è fissato all'albero dell'oggetto e durante la rotazione viene spostato rispetto a quello fisso, modificando l'area di sovrapposizione delle piastre del condensatore. Questo, a sua volta, provoca un cambiamento di capacità che viene catturato dal circuito di misura.

Inclinometri

L'inclinometro (sensore di inclinazione) è un trasduttore di inclinazione capacitivo differenziale che include un elemento sensibile a forma di capsula.

Inclinometro capacitivo

La capsula è costituita da un substrato con due elettrodi piani 1, ricoperti da uno strato isolante, e da un corpo 2, fissato ermeticamente al substrato.La cavità interna del corpo è parzialmente riempita con un liquido conduttivo 3, che è l'elettrodo comune di un elemento sensibile.L'elettrodo comune forma un condensatore differenziale con gli elettrodi piatti. Il segnale di uscita del sensore è proporzionale al valore della capacità del condensatore differenziale, che dipende linearmente dalla posizione dell'alloggiamento nel piano verticale.

L'inclinometro è progettato per avere una dipendenza lineare del segnale di uscita dall'angolo di inclinazione in un cosiddetto piano di lavoro e praticamente non cambia le letture nell'altro piano (non di lavoro), mentre il suo segnale dipende debolmente dalla temperatura i cambiamenti. Per determinare la posizione dell'aereo nello spazio vengono utilizzati due inclinometri, posizionati ad un angolo di 90 ° l'uno rispetto all'altro.

Gli inclinometri di piccole dimensioni con un segnale di uscita elettrico proporzionale all'angolo di inclinazione del sensore sono dispositivi relativamente nuovi. La loro elevata precisione, le dimensioni miniaturizzate, l'assenza di gruppi meccanici mobili, la facilità di installazione in cantiere e il costo contenuto ne consigliano l'utilizzo non solo come sensori di rollio, ma anche per sostituire con essi i sensori angolari, non solo fissi ma anche di movimento oggetti.

Sensori capacitivi di livello del liquido

Un trasmettitore capacitivo per misurare il livello di un liquido non conduttivo è costituito da due condensatori collegati in parallelo

Sensori di pressione

Uno dei progetti di base di un trasduttore di pressione capacitivo è un singolo statore, che viene utilizzato per misurare la pressione assoluta (sensori elettrici di pressione).

Tale sensore è costituito da una cella metallica divisa in due parti da un diaframma metallico piatto ben teso, su un lato del quale è presente un elettrodo fisso isolato dal corpo.L'elettrodo a diaframma forma una capacità variabile, che è inclusa nel circuito di misura. Quando la pressione è uguale su entrambi i lati del diaframma, il trasduttore è bilanciato. Un cambiamento di pressione in una delle camere deforma il diaframma e cambia la capacità, che è fissata dal circuito di misura.

In un design a due stazioni (differenziale), il diaframma si sposta tra due piastre fisse e una pressione di riferimento viene fornita a una delle due camere, che fornisce una misurazione diretta della pressione differenziale (eccesso o differenziale) con il minimo errore.