Робота та оптимізація ємнісних датчиків

Ємність та відстань

Безконтактні ємнісні датчики працюють, вимірюючи зміни електричної властивості, яка називається ємністю. Місткість описує, як два провідні об'єкти з проміжком між ними реагують на прикладену до них різницю напруг. Коли до провідників прикладається напруга, між ними створюється електричне поле, внаслідок чого позитивні та негативні заряди збираються кожному об'єкті. Якщо змінити полярність напруги, заряди також зміняться.

Ємнісні датчики використовують змінну напругу, яка змушує заряди постійно змінювати своє становище. Рух зарядів створює змінний електричний струм, який реєструється датчиком. Величина струму, що протікає визначається ємністю, а ємність визначається площею і близькістю провідних об'єктів. Більші та близькі об'єкти викликають більший струм, ніж дрібніші та віддалені об'єкти. На ємність впливає тип непровідного матеріалу в зазорі між об'єктами.

З технічної точки зору ємність прямо пропорційна площі поверхні об'єктів та діелектричної проникності матеріалу між ними і обернено пропорційна відстані між ними

У типових додатках ємнісних датчиків зонд або датчик є одним із провідних об'єктів; цільовий об'єкт – інший. (Використання ємнісних датчиків для виявлення пластику та інших ізоляторів обговорюється в розділі, присвяченому непровідним мішеням.) Передбачається, що розміри сенсора та мішені постійні, як і матеріал між ними. Отже, будь-яка зміна ємності є результатом зміни відстані між зондом та метою. Електроніка калібрована, щоб генерувати певні зміни напруги для відповідних змін ємності. Ця напруга масштабується для подання конкретних змін відстані. Величина зміни напруги даної величини зміни відстані називається чутливістю. Звичайне налаштування чутливості становить 1,0 В/100 мкм. Це означає, що на кожні 100 мкм зміни відстані вихідна напруга змінюється рівно на 1,0 В. При такому калібруванні зміна вихідного сигналу на +2 означає, що мета перемістилася на 200 мкм ближче до датчика.

Ємнісні датчики найчастіше використовуються для вимірювання зміни положення провідної мети. Але ємнісні датчики також можуть бути ефективними при вимірюванні наявності, щільності, товщини та розташування непровідників. Непровідні матеріали, такі як пластик, мають іншу діелектричну проникність, ніж повітря. Діелектрична проникність визначає, як непровідний матеріал впливає на ємність між двома провідниками. Коли діелектрик вставляється між зондом та нерухомою еталонною мішенню, чутливе поле проходить через матеріал до заземленої мішені. Наявність непровідного матеріалу змінює діелектрик і, отже, змінює ємність. Місткість змінюватиметься в залежності від товщини або щільності матеріалу.

Якщо не вказано інше, заводські калібрування виконуються з плоскою струмопровідною мішенню, розмір якої значно перевищує площу чутливості. Сенсор, відкалібрований таким чином, даватиме точні результати при вимірюванні плоскої мети, розмір якої більш ніж на 30% перевищує площу чутливості. Якщо площа мети занадто мала, електричне поле почне охоплювати сторони мети, що означає, що електричне поле поширюється далі, ніж калібрування, і буде вимірювати ціль якнайдалі. У цьому випадку щуп повинен бути ближчим до мети для тієї ж нульової точки. Оскільки ця відстань відрізняється від вихідного калібрування, буде внесено помилку. Помилка також виникає тому, що датчик більше не вимірює плоску поверхню.

Якщо відстань між зондом і метою вважати віссю Z, додаткова проблема мети меншого розміру полягає в тому, що датчик стає чутливим до X і Y розташування зонда. Без зміни зазору вихідний сигнал значно зміниться, якщо зонд переміщається по осі X або Y, тому що менша частина електричного поля прямує до центру мішені, а велика сторона.