Работа и оптимизация емкостных датчиков

Емкость и расстояние

Бесконтактные емкостные датчики работают, измеряя изменения электрического свойства, называемого емкостью. Емкость описывает, как два проводящих объекта с промежутком между ними реагируют на приложенную к ним разность напряжений. Когда к проводникам прикладывается напряжение, между ними создается электрическое поле, в результате чего положительные и отрицательные заряды собираются на каждом объекте. Если изменить полярность напряжения, заряды также изменятся.

Емкостные датчики используют переменное напряжение, которое заставляет заряды постоянно менять свое положение. Движение зарядов создает переменный электрический ток, который регистрируется датчиком. Величина протекающего тока определяется емкостью, а емкость определяется площадью и близостью проводящих объектов. Более крупные и близкие объекты вызывают больший ток, чем более мелкие и удаленные объекты. На емкость также влияет тип непроводящего материала в зазоре между объектами.

С технической точки зрения емкость прямо пропорциональна площади поверхности объектов и диэлектрической проницаемости материала между ними и обратно пропорциональна расстоянию между ними

В типичных приложениях емкостных датчиков зонд или датчик является одним из проводящих объектов; целевой объект - другой. (Использование емкостных датчиков для обнаружения пластика и других изоляторов обсуждается в разделе, посвященном непроводящим мишеням.) Предполагается, что размеры сенсора и мишени постоянны, как и материал между ними. Следовательно, любое изменение емкости является результатом изменения расстояния между зондом и целью. Электроника откалибрована, чтобы генерировать определенные изменения напряжения для соответствующих изменений емкости. Эти напряжения масштабируются для представления конкретных изменений расстояния. Величина изменения напряжения для данной величины изменения расстояния называется чувствительностью. Обычная настройка чувствительности составляет 1,0 В/100 мкм. Это означает, что на каждые 100 мкм изменения расстояния выходное напряжение изменяется ровно на 1,0 В. При такой калибровке изменение выходного сигнала на +2 В означает, что цель переместилась на 200 мкм ближе к датчику.

Емкостные датчики чаще всего используются для измерения изменения положения проводящей цели. Но емкостные датчики также могут быть эффективны при измерении наличия, плотности, толщины и местоположения непроводников. Непроводящие материалы, такие как пластик, имеют другую диэлектрическую проницаемость, чем воздух. Диэлектрическая проницаемость определяет, как непроводящий материал влияет на емкость между двумя проводниками. Когда диэлектрик вставляется между зондом и неподвижной эталонной мишенью, чувствительное поле проходит через материал к заземленной мишени. Наличие непроводящего материала изменяет диэлектрик и, следовательно, изменяет емкость. Емкость будет изменяться в зависимости от толщины или плотности материала.

Если не указано иное, заводские калибровки выполняются с плоской токопроводящей мишенью, размер которой значительно превышает площадь чувствительности. Сенсор, откалиброванный таким образом, будет давать точные результаты при измерении плоской цели, размер которой более чем на 30 % превышает площадь чувствительности. Если площадь цели слишком мала, электрическое поле начнет охватывать стороны цели, что означает, что электрическое поле распространяется дальше, чем при калибровке, и будет измерять цель как можно дальше. В этом случае щуп должен быть ближе к цели для той же нулевой точки. Поскольку это расстояние отличается от исходной калибровки, будет внесена ошибка. Ошибка также возникает из-за того, что датчик больше не измеряет плоскую поверхность.

Если расстояние между зондом и целью считать осью Z, то дополнительная проблема цели меньшего размера заключается в том, что датчик становится чувствительным к X и Y расположению зонда. Без изменения зазора выходной сигнал значительно изменится, если зонд перемещается по оси X или Y, потому что меньшая часть электрического поля направляется к центру мишени, а большая — по сторонам.