سنسور های خازنی چیست؟

سنسور های خازنی یا حسگر های مجاورتی خازنی ، نوعی سنسور هستند که برای تغیرات در خازن یا ظرفیت الکتریکی استفاده میشود.

آنها از خاصیت الکتریکی خازن و تغییر ظرفیت بر اساس تغییر در میدان الکتیکی اطراف صفحه فعال سنسور استفاده می کنند .

این سنسور ها معمولا برای اندازه گیری فاصله حرکت یا وجود اشیا استفاده می شود که میتوانند وجود یا عدم وجود هر جسم را بدون توجه به مواد آن تشخیص دهند .

وقتی که یک شیء به نزدیکی یک سنسور خازنی می آید یا از آن دور می شود ، تغییرات آن باعث می شود که توسط سنسور اندازه گیری می شود و به سیگنال الکتریکی تبدیل میشود .

فناوری سنجش خازنی اغلب در فناوری های حسگری کاربرد دارد مثل جریان – فشار – سطح مایع – ضخامت – تشخیص یخ – زاویه شفت – سوییج های دیمر و کلیدی و شتاب سنج ها

ساختار سنسور های خازنی

به طور کلی این سنسور ها از قسمت های زیر تشکیل شده است :

• اسیلاتور
• دمدولاتور
• اشمیت تریگ
• تقویت خروجی

ویژگی های فنی خاص سنسورهای خازنی

• این سنسورها با هردو مواد رسانای جریان برق و مواد عایق (فلزات آهنی ، فلزات غیر آهنی ، شیشه ، چوب ، پلاستیک و همچنین نفت و محلول های مایع) بر هم کنش می کنند.

• اصله عملیاتی از سنسور می تواند با هدف و ویژگی های نصب مطابقت داده شود .

• این سنسورها در سرتاسر دیواره های غیر شفاف و نارسانای مخزن می توانند به عنوان “سنسورهای نفوذی” مورد استفاده قرار گیرند.

نحوه عملکرد سنسور خازنی

یک سنسور خازنی مانند یک خازن ساده عمل می‌کند. یک صفحه فلزی در سطح حسگر حسگر به صورت الکتریکی به یک مدار نوسانگر داخلی متصل است و هدفی که قرار است حس شود به عنوان صفحه دوم خازن عمل می‌کند. برخلاف سنسور القایی که میدان الکترومغناطیسی تولید می‌کند، حسگر خازنی یک میدان الکترواستاتیک تولید می‌کند. ظرفیت خارجی بین هدف و صفحه حسگر داخلی، بخشی از ظرفیت بازخورد در مدار نوسان ساز را تشکیل می‌دهد. با نزدیک شدن به هدف، حسگرها با نوسانات روبرو می‌شوند تا زمانی که به سطح آستانه برسند و خروجی را فعال کنند .

سنسور خازنی قابلیت تنظیم حساسیت یا سطح آستانه نوسان ساز را دارند. تنظیم حساسیت را می‌توان 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 می‌شود. افزایش زیاد حساسیت می‌تواند باعث شود سنسور تحت تأثیر دما، رطوبت و کثیفی قرار گیرد.

دو دسته از اهداف وجود دارد که سنسور خازنی می‌توانند 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، عوامل کاهش فلزات مختلف عاملی در حسگر فاصله سنسور نیستند.

دسته هدف غیر رسانا مانند یک عایق برای الکترود حسگر عمل می‌کند. ثابت دی الکتریک هدف که گاهی به آن ثابت دی الکتریک نیز می‌گویند، معیاری از خواص عایق است که برای تعیین ضریب کاهش فاصله حسگر استفاده می‌شود. 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 تاثیر می‌گذارند. هنگام برخورد با اهداف غیر رسانا، سه عامل تعیین کننده فاصله سنجش وجود دارد.

اندازه سطح فعال سنسور – هرچه اندازه سنسور بزرگتر باشد فاصله حسگر بیشتر می‌شود.

خواص خازنی ماده شی مورد نظر که به آن ثابت دی الکتریک نیز گفته می‌شود – هرچه ثابت بالاتر باشد فاصله حسگر بیشتر می‌شود.

مساحت سطح جسم مورد نظر که باید حس شود – هر چه مساحت سطح بزرگتر باشد، فاصله حسگر بیشتر می‌شود.

هیسترزیس در سنسور خازنی

هیسترزیس تفاوت فاصله بین سوئیچ روشن با نزدیک شدن هدف به صورت حسگر و نقطه خاموش شدن هنگام دور شدن هدف از چهره حسگر است. هیسترزیس 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 20 میلی متر ممکن است حداکثر پسماند 15٪ یا 3 میلی متر داشته باشد. هیسترزیس یک پارامتر مستقل است که ثابت نیست و حسگر به حسگر متفاوت است. چندین عامل وجود دارد که می‌تواند بر هیسترزیس تاثیر 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 خازنی

• 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

سنسور خازنی دارای یک پتانسیومتر یا روشی برای تنظیم حساسیت سنسور برای کاربرد خاص هستند. در مورد پتانسیومتر، تعداد چرخش‌ها به چند دلیل مهم نشانگر دقیق تنظیم سنسور را ارائه نمی‌دهد. اولاً، بیشتر پتانسیومترها توقف‌های سختی ندارند، در عوض آن‌ها دارای کلاچ هستند تا در صورت تنظیم کامل حداقل یا حداکثر، دیگ آسیب نبیند. ثانیاً، گلدان‌ها خطی بودن ثابتی ندارند.

برای تعیین حساسیت یک حسگر خازنی، فاصله حسگر از یک صفحه فلزی زمین شده با یک میکرومتر اندازه‌گیری 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.

انواع سنسورهای خازنی

سنسور خازنی دو سیمه AC

سنسور خازنی سه سیمه نیز در دو نوع NPN و PNP ساخته می‌شود. سنسورهای سه سیمه سه حالت دارند، یا باز هستند یا بسته هستند و یا در یک حد وسط قرار دارند. سنسورهای سه سیمه در فشارسنج‌ها استفاده می‌شوند و نشان می‌دهند که فشار کم است یا زیاد، با حالت سوم نیز فشار به حالت تعادل می‌رسد.

سنسور خازنی سه سیمه DC

سنسور خازنی سه سیمه نیز در دو نوع NPN و PNP ساخته می‌شود. سنسورهای سه سیمه سه حالت دارند، یا باز هستند یا بسته هستند و یا در یک حد وسط قرار دارند. سنسورهای سه سیمه در فشارسنج‌ها استفاده می‌شوند و نشان می‌دهند که فشار کم است یا زیاد، با حالت سوم نیز فشار به حالت تعادل می‌رسد.

سنسور خازنی چهار سیمه DC

ین مدل سنسور خازنی در دو نوع NPN و PNP وجود دارد و در دو صورت Open Normally و Normally Close طراحی و ساخته می‌شود. عملکرد سنسور چهار خازنی چهار سیمه همانند کلیدهای مرکب است. به این صورت که در زمان بسته شدن یک کنتاکت آن، فرمان باز شدن کنتاکت دیگر داده می‌شود.

کاربرد انواع سنسور خازنی

کنترل فاصله هد از سطح:

در سیستم کنترل یک هد که می‌بایست با فاصله معینی روی یک سطح با سرعت و دقت بالا در حرکت باشد، نیاز به یک سنسور با حساسیت و پهنای باند بالا می‌باشد که بتواند تغییرات موقعیت هد را به سرعت و با دقت حس کند. یکی از انواع سنسورها که امروزه به طور متداول برای این کار مورد استفاده قرار می‌گیرند، سنسور خازنی می‌باشند که حساسیت و پهنای باند بالایی دارند. به عنوان مثال برای کنترل موقعیت یا فاصله هد هارد دیسک از سطح دیسک یا هد رباتی که برای ساخت برد‌ها و وسایل ظریف الکترونیکی به کار می‌رود، از این نوع سنسور‌ها استفاده می‌شود.

در این کاربرد‌ها، یک سنسور را به هد متصل می‌کنند که با تغییر فاصله هد با سطح، ظرفیت خازنی سنسور تغییر می‌کند. در واقع در اینجا probe به عنوان صفحه متغیر خازن به کار می‌رود. با تغییر موقعیت هد، probe نیز جابجا می‌شود و همین باعث تغییر ظرفیت خازن و تغییر ولتاژ خروجی سنسور می‌گردد. البته تصویر فوق زیاد گویا نیست و فقط شماتیک روش را بیان می‌کند.

سیستم وزن کردن در حرکت برای وسایل نقلیه :

روش متداول برای وزن کردن وسایل نقلیه، وزن کردن استاتیک می‌باشد که وسیله را روی یک ترازو (کرنش سنج متداول) متوقف می‌کنند؛ این روش دقت زیادی دارد، ولی وزن هر محور را نمی‌توان به طور مجزا تعیین نمود، همچنین در بعضی کاربرد‌ها مطلوب نیست که وسیله نقلیه را متوقف کرد. این سیستم با نام (WIM Weigh In Motion) معرفی شده است. یک روش بری اندازه گیری وزن خودرو در حال حرکت، استفاده از سنسور خازنی است که البته با خازنهای معمولی تفاوت دارد. این ساختار نسبت به تداخل الکترومغناطیسی حساسیت کمتری دارد. این روش وزن کردن نسبت به روشهای قبلی خیلی سبک‌تر و راحت‌تر است و نیاز به توقف کامل وسیله نقلیه برای اندازه گیری وزن آن نیست .

تشخیص پر شدن بطری‌ها

یکی از کاربردهای سنسور خازنی در صنعت تشخیص پر شدن بطری ها از مایع مورد نظر است. به این منظور بطری های برای پر شدن روی نوار نقاله حرکت می کنند، سنسور 1 برای تشخیص حضور بطری و سنسور 2 برای تشخیص مایع درون بطری در نظر گرفته شده است. به محض تشخیص حضور بطری در محل در نظر گرفته شده توسط سنسور 1، عمل پر کردن بطری شروع می شود. در این حالت سنسور 2 هنوز غیر فعال است. با تشخیص و رسیدن مایع به سطح مورد نظر توسط سنسور 2، عمل پر کردن بطری متوقف می شود.

• از آن‌ها می‌توان برای کنترل وضعیت برنامه ماشین آلات برای شمارنده‌ها و پیدا کردن مواد فلزی و غیر فلزی استفاده کرد.

• سنسور های خازنی در خط تولید هم کاربرد دارند و برای شمارش تعداد ، کنترل پر کردن مایعات و تشخیص پارگی نوار نقاله می توان از آنها استفاده کرد.

• سنسورهای خازنی در موارد مختلفی از جمله صنعت کاربرد دارند. برای مثال از آن‌ها در تابلو بانک خازنی نیز استفاده می‌شود. از سنسورهای خازنی به منظور کنترل سطح مخازنی که از مواد پودری، مایع و یا دانه دانه پر می‌شوند، استفاده می‌شود. این سنسورها به منظور کنترل وضعیت برنامه ماشین‌آلاتی که برای شمارنده‌ها و یافتن مواد فلزی و غیرفلزی کاربرد دارند، استفاده می‌شوند.

$$ \varphi = 1+\frac{1} {1+\frac{1} {1+\frac{1} {1+\cdots} } } $$

$$ \sum_{45}^{2} + 34 \bigcap_{6}^{9} - \binom{67}{89} $$

جمع‌ بندی:

• اساس کار سنسورهای خازنی بر مبنای تغییر ظرفیت خازن است .

• سنسورهای خازنی توانایی تشخیص انواع اجسام (رسانا و نارسانا) را دارند.

• این نوع از سنسورها برای تشخیص مایع هم قابل استفاده‌اند .

• در کاربردهایی مانند تشخیص سطح مایع، تشخیص پارگی نوار نقاله و … ذر صنعت بسیار پرکاربردند .

شناسنامه مقاله :

• آدرس منبع اصلی :Nanoparticles: Properties, applications and toxicities
• مترجمان و نویسنده ها : | دیارا - واحد پژوهش
• مدت زمان ترجمه:۳ ماه
• تاریخ انتشار مقاله : اسفند ۱۴۰۲
• لینک انتشار: http://cabea.ir/blog/capacitive-sensors/