cảm biến điện dung

Cảm biến điện dung được gọi là đầu dò loại tham số trong đó sự thay đổi giá trị đo được chuyển đổi thành sự thay đổi điện dung.

Ứng dụng cảm biến điện dung

Các ứng dụng có thể có của cảm biến điện dung là vô cùng đa dạng. Chúng được sử dụng trong các hệ thống kiểm soát và điều chỉnh quy trình công nghiệp trong hầu hết các ngành công nghiệp. Cảm biến điện dung được sử dụng để kiểm soát việc đổ đầy bể chứa bằng chất lỏng, bột hoặc dạng hạt, chẳng hạn như công tắc giới hạn trên dây chuyền tự động, băng tải, rô bốt, trung tâm gia công, máy cắt kim loại, trong hệ thống tín hiệu, để định vị các cơ chế khác nhau, v.v.

Hiện nay, phổ biến nhất là các cảm biến tiệm cận (hiện diện), ngoài độ tin cậy, chúng còn có nhiều ưu điểm. Với chi phí tương đối thấp, cảm biến tiệm cận có nhiều hướng ứng dụng trong mọi ngành công nghiệp. Các lĩnh vực sử dụng điển hình cho cảm biến điện dung loại này là:

• tín hiệu để đổ đầy hộp nhựa hoặc thủy tinh;

• kiểm soát mức độ lấp đầy của các gói trong suốt;

• báo đứt cuộn dây;

• điều chỉnh độ căng đai;

• một phần tài khoản dưới bất kỳ hình thức nào, v.v.

Bộ mã hóa góc và tuyến tính điện dung là những thiết bị phổ biến nhất, được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật và vận tải, xây dựng và năng lượng, trong các tổ hợp đo lường khác nhau.

Các thiết bị tương đối mới được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp trong những năm gần đây đã trở thành máy đo độ nghiêng điện dung cỡ nhỏ với tín hiệu đầu ra điện tỷ lệ với góc nghiêng của cảm biến…. Các lĩnh vực ứng dụng máy đo độ nghiêng sau đây có thể được coi là những lĩnh vực chính: sử dụng trong hệ thống cân bằng nền tảng, xác định độ lệch và biến dạng của các loại giá đỡ và dầm khác nhau, kiểm soát góc nghiêng của đường bộ và đường sắt trong quá trình xây dựng, sửa chữa và vận hành, xác định độ lăn của ô tô, tàu và rô-bốt dưới nước, tời và cần cẩu, máy xúc, máy móc nông nghiệp, xác định độ dịch chuyển góc của các loại vật thể quay - trục, bánh xe, cơ cấu hộp số trên cả vật thể đứng yên và vật thể chuyển động .

Cảm biến báo mức điện dung được ứng dụng trong các hệ thống điều khiển, điều độ và quản lý quá trình sản xuất trong ngành thực phẩm, dược phẩm, hóa chất, lọc dầu. Chúng có hiệu quả khi làm việc với chất lỏng, vật liệu khối, huyền phù, chất nhớt (dẫn điện và không dẫn điện), cũng như trong điều kiện ngưng tụ, bụi bẩn.

Cảm biến điện dung cũng được sử dụng trong các ngành công nghiệp khác nhau để đo áp suất tuyệt đối và đo, độ dày của vật liệu điện môi, độ ẩm không khí, biến dạng, gia tốc góc và tuyến tính, v.v.

Ưu điểm của cảm biến điện dung so với các loại cảm biến khác

Cảm biến điện dung cung cấp một số lợi thế so với các loại cảm biến khác. Ưu điểm của chúng bao gồm:

• dễ sản xuất, sử dụng nguyên vật liệu rẻ tiền cho sản xuất; - kích thước và trọng lượng nhỏ; - tiêu thụ năng lượng thấp; - độ nhạy cao;

• thiếu địa chỉ liên lạc (trong một số trường hợp - một nhà sưu tập hiện tại);

• tuổi thọ lâu dài;

• sự cần thiết của các lực rất nhỏ để di chuyển phần chuyển động của cảm biến điện dung;

• dễ dàng điều chỉnh hình dạng của cảm biến cho các nhiệm vụ và thiết kế khác nhau;

Nhược điểm của cảm biến điện dung

Nhược điểm của cảm biến điện dung bao gồm:

• hệ số chuyển giao (chuyển đổi) tương đối nhỏ;

• yêu cầu cao đối với các bộ phận che chắn;

• nhu cầu làm việc ở tần số cao hơn (so với 50 Hz);

Tuy nhiên, trong hầu hết các trường hợp, có thể đạt được khả năng che chắn đầy đủ do thiết kế cảm biến và thực tế cho thấy cảm biến điện dung cho kết quả tốt ở tần số được sử dụng rộng rãi là 400 Hz. Vốn có tụ điện hiệu ứng cạnh chỉ trở nên đáng kể khi khoảng cách giữa các tấm tương đương với kích thước tuyến tính của các bề mặt đang được xem xét. Hiệu ứng này có thể được loại bỏ ở một mức độ nào đó bằng vòng bảo vệ, cho phép thay đổi ảnh hưởng của nó vượt ra ngoài giới hạn bề mặt của các tấm thực sự được sử dụng để đo.

Cảm biến điện dung rất đáng chú ý vì sự đơn giản của chúng, cho phép thiết kế mạnh mẽ và đáng tin cậy. Các thông số của tụ điện chỉ phụ thuộc vào đặc điểm hình học và không phụ thuộc vào đặc tính của vật liệu được sử dụng nếu các vật liệu này được chọn đúng. Do đó, ảnh hưởng của nhiệt độ đối với sự thay đổi bề mặt và khoảng cách giữa các tấm có thể nhỏ không đáng kể bằng cách chọn loại kim loại thích hợp cho các tấm và lớp cách nhiệt cho phần đính kèm của chúng. Nó chỉ còn lại để bảo vệ cảm biến khỏi các yếu tố môi trường có thể làm giảm khả năng cách điện giữa các tấm — khỏi bụi, ăn mòn, độ ẩm, bức xạ ion hóa.

Những phẩm chất có giá trị của cảm biến điện dung — một lượng nhỏ lực cơ học cần thiết để di chuyển bộ phận di động của nó, khả năng điều chỉnh đầu ra của hệ thống theo dõi và độ chính xác hoạt động cao — khiến cảm biến điện dung không thể thiếu trong các thiết bị có sai số chỉ bằng một phần trăm và thậm chí phần nghìn phần trăm được cho phép.

Các loại bộ chuyển đổi điện dung và các tính năng thiết kế của chúng

Thông thường, cảm biến điện dung là một tụ điện phẳng hoặc hình trụ, một trong các bản của nó chuyển động có kiểm soát, gây ra sự thay đổi điện dung. Bỏ qua các hiệu ứng cuối, điện dung của tụ điện phẳng có thể được biểu thị như sau:

trong đó ε Hằng số điện môi tương đối của môi trường được bao bọc giữa các tấm, C và e - diện tích của các tấm được xem xét và theo đó là khoảng cách giữa chúng.

Đầu dò điện dung có thể được sử dụng để đo các đại lượng khác nhau theo ba hướng, tùy thuộc vào mối quan hệ chức năng của đại lượng phi điện được đo với các tham số sau:

• hằng số điện môi thay đổi của môi trường ε;

• vùng chồng lấn của các mảng C;

• khoảng cách khác nhau giữa các tấm e.

Trong trường hợp đầu tiên, đầu dò điện dung có thể được sử dụng để phân tích thành phần của chất, vì hằng số điện môi là một hàm của các tính chất của chất. Trong trường hợp này, giá trị đầu vào tự nhiên của bộ chuyển đổi sẽ là thành phần của chất lấp đầy khoảng trống giữa các bản. Đầu dò điện dung loại này đặc biệt được sử dụng rộng rãi để đo độ ẩm của chất rắn và chất lỏng, mức chất lỏng, cũng như trong việc xác định kích thước hình học của các vật thể nhỏ. Trong hầu hết các trường hợp sử dụng thực tế của đầu dò điện dung, giá trị đầu vào tự nhiên của chúng là sự dịch chuyển hình học của các điện cực so với nhau.Dựa trên nguyên tắc này, các cảm biến dịch chuyển tuyến tính và góc, thiết bị đo lực, rung, tốc độ và gia tốc, cảm biến cho cảm biến tiệm cận, áp suất và biến dạng (máy đo độ giãn).

Phân loại cảm biến điện dung

Về mặt triển khai, tất cả các bộ chuyển đổi đo điện dung có thể được chia thành cảm biến điện dung đơn và cảm biến điện dung kép. Cái sau là vi sai và bán vi sai.

Một cảm biến điện dung đơn có thiết kế đơn giản và là một tụ điện biến đổi đơn. Nhược điểm của nó bao gồm ảnh hưởng đáng kể của các yếu tố bên ngoài như độ ẩm và nhiệt độ.Để bù cho những lỗi này, hãy áp dụng các thiết kế vi sai... Nhược điểm của các cảm biến như vậy so với các cảm biến đơn điện dung là cần có ít nhất ba (thay vì hai) dây kết nối được che chắn giữa cảm biến và thiết bị đo để triệt tiêu được gọi là điện dung ký sinh. Tuy nhiên, nhược điểm này đã được đền đáp bằng sự gia tăng đáng kể về độ chính xác, độ ổn định và mở rộng phạm vi ứng dụng của các thiết bị đó.

Trong một số trường hợp, khó tạo ra một cảm biến điện dung vi sai vì lý do thiết kế (điều này đặc biệt đúng đối với các cảm biến vi sai có khe hở thay đổi). Tuy nhiên, nếu đồng thời một tụ điện mẫu mực được đặt trong cùng một vỏ với một tụ điện đang hoạt động và chúng càng giống nhau càng tốt về thiết kế, kích thước và vật liệu được sử dụng, thì độ nhạy của toàn bộ thiết bị đối với các tác động gây mất ổn định bên ngoài sẽ thấp hơn nhiều đảm bảo . Trong những trường hợp như vậy, chúng ta có thể nói về cảm biến điện dung bán vi sai, giống như cảm biến vi sai, đề cập đến cảm biến điện dung hai điện dung.

Tính đặc hiệu của tham số đầu ra của cảm biến hai thể tích, được biểu thị dưới dạng tỷ lệ không thứ nguyên của các đại lượng vật lý hai chiều (trong trường hợp của chúng tôi là điện dung), đưa ra lý do để gọi chúng là cảm biến tỷ lệ. Khi sử dụng cảm biến điện dung kép, thiết bị đo có thể không chứa bất kỳ thước đo điện dung tiêu chuẩn nào, điều này góp phần tăng độ chính xác của phép đo.

Bộ mã hóa dịch chuyển tuyến tính

Các đại lượng phi điện được đo và kiểm soát rất nhiều và đa dạng. Một phần quan trọng của chúng là chuyển vị tuyến tính và góc. Dựa trên một tụ điện điện trường hai loại cảm biến dịch chuyển điện dung chính có thể được tạo đồng nhất trong khe hở làm việc:

• với diện tích điện cực thay đổi;

• với một khoảng cách thay đổi giữa các điện cực.

Rõ ràng là cái trước thuận tiện hơn để đo các chuyển vị lớn (đơn vị, hàng chục và hàng trăm milimét) và cái sau để đo các chuyển vị nhỏ và siêu nhỏ (các phần của milimét, micromet và nhỏ hơn).

Bộ mã hóa góc

Đầu dò điện dung dịch chuyển góc về nguyên tắc tương tự như đầu dò điện dung dịch chuyển tuyến tính và cảm biến diện tích thay đổi cũng phù hợp hơn trong trường hợp phạm vi đo không quá nhỏ (bắt đầu từ đơn vị độ) và cảm biến điện dung khoảng cách góc thay đổi có thể được sử dụng thành công để đo các chuyển vị góc nhỏ và siêu nhỏ. Thông thường, các bộ chuyển đổi nhiều phần với diện tích tấm tụ điện thay đổi được sử dụng cho các chuyển vị góc.

Trong các cảm biến như vậy, một trong các điện cực của tụ điện được gắn vào trục của vật thể và trong quá trình quay, nó bị dịch chuyển so với điện cực đứng yên, làm thay đổi diện tích chồng chéo của các bản tụ điện. Đến lượt nó, điều này gây ra sự thay đổi điện dung được ghi lại bởi mạch đo.

máy đo độ nghiêng

Máy đo độ nghiêng (cảm biến độ nghiêng) là một bộ chuyển đổi độ nghiêng điện dung vi sai bao gồm một bộ phận cảm biến hình viên nang.

máy đo độ nghiêng điện dung

Viên nang bao gồm một đế với hai điện cực phẳng 1, được phủ một lớp cách điện và thân 2, được cố định kín vào đế. Khoang bên trong của thân được lấp đầy một phần bằng chất lỏng dẫn điện 3, là điện cực chung của một yếu tố nhạy cảm.Điện cực chung tạo thành một tụ điện vi sai với các điện cực phẳng. Tín hiệu đầu ra của cảm biến tỷ lệ thuận với giá trị điện dung của tụ điện vi sai, giá trị này phụ thuộc tuyến tính vào vị trí của vỏ trong mặt phẳng thẳng đứng.

Máy đo độ nghiêng được thiết kế để có sự phụ thuộc tuyến tính của tín hiệu đầu ra vào góc nghiêng trong một cái gọi là mặt phẳng làm việc và thực tế không thay đổi số đọc trong mặt phẳng (không hoạt động) khác, trong khi tín hiệu của nó phụ thuộc yếu vào nhiệt độ thay đổi. Để xác định vị trí của mặt phẳng trong không gian, người ta sử dụng hai máy đo độ nghiêng đặt ở góc 90° với nhau.

Máy đo độ nghiêng cỡ nhỏ với tín hiệu đầu ra điện tỷ lệ với góc nghiêng của cảm biến là thiết bị tương đối mới. Độ chính xác cao, kích thước thu nhỏ, không có bộ phận cơ khí di động, dễ lắp đặt trên công trường và chi phí thấp nên không chỉ sử dụng chúng làm cảm biến cuộn mà còn thay thế cảm biến góc bằng chúng, không chỉ cố định mà còn di chuyển các đối tượng.

Cảm biến mức chất lỏng điện dung

Một máy phát điện dung để đo mức chất lỏng không dẫn điện bao gồm hai tụ điện được kết nối song song

Cảm biến áp suất

Một trong những thiết kế cơ bản của bộ chuyển đổi áp suất điện dung là một stato đơn, được sử dụng để đo áp suất tuyệt đối (cảm biến áp suất điện).

Một cảm biến như vậy bao gồm một tế bào kim loại được chia thành hai phần bởi một màng kim loại phẳng được kéo căng chặt, ở một bên có một điện cực cố định được cách ly với cơ thể.Điện cực màng tạo thành một điện dung thay đổi, được đưa vào mạch đo. Khi áp suất ở cả hai bên của màng bằng nhau, đầu dò được cân bằng. Sự thay đổi áp suất ở một trong các buồng làm biến dạng màng ngăn và thay đổi điện dung, được cố định bởi mạch đo.

Trong thiết kế hai trạm (vi sai), màng ngăn di chuyển giữa hai tấm cố định và áp suất tham chiếu được cung cấp cho một trong hai buồng, cung cấp phép đo trực tiếp áp suất chênh lệch (dư thừa hoặc chênh lệch) với sai số nhỏ nhất.