정전용량 센서

정전용량 센서는 측정값의 변화가 정전용량의 변화로 변환되는 파라메트릭형 변환기라고 합니다.

정전용량 센서 애플리케이션

정전 용량 센서의 가능한 응용 분야는 매우 다양합니다. 거의 모든 산업에서 산업 공정 규제 및 제어 시스템에 사용됩니다. 정전 용량 센서는 신호 시스템에서 자동화 라인, 컨베이어, 로봇, 머시닝 센터, 금속 절단기의 리미트 스위치와 같은 액체, 분말 또는 입상 물질로 탱크를 채우는 것을 제어하고 다양한 메커니즘을 배치하는 데 사용됩니다.

현재 가장 널리 보급된 근접(존재) 센서는 신뢰성 외에도 다양한 장점을 가지고 있습니다. 상대적으로 저렴한 비용으로 근접 센서는 모든 산업 분야의 응용 분야에서 광범위한 방향성을 포괄합니다. 이 유형의 정전용량 센서의 일반적인 사용 영역은 다음과 같습니다.

• 플라스틱 또는 유리 용기를 채우는 신호;

• 투명 패키지의 충전 수준 제어;

• 코일 파손 경보;

• 벨트 장력 조절;

• 모든 종류의 부분 계정 등

용량성 선형 및 각도 엔코더는 다양한 측정 단지에서 엔지니어링 및 운송, 건설 및 에너지 분야에서 널리 사용되는 가장 일반적인 장치입니다.

최근 몇 년 동안 널리 산업적으로 사용된 상대적으로 새로운 장치는 센서의 경사각에 비례하는 전기 출력 신호를 갖는 소형 정전식 경사계가 되었습니다… 경사계의 다음 적용 영역은 플랫폼 레벨링 시스템에서의 사용, 다양한 유형의 지지대 및 빔의 편차 및 변형 결정, 건설, 수리 및 운영 중 도로 및 철도의 경사각 제어, 자동차, 선박 및 수중 로봇, 호이스트 및 크레인, 굴삭기, 농업 기계의 롤 결정, 다양한 유형의 회전 물체(정지 및 이동 물체 모두에 대한 샤프트, 휠, 기어박스 메커니즘)의 각도 변위 결정 .

용량성 레벨 센서는 식품, 제약, 화학, 정유 산업의 제어 시스템, 생산 공정 규제 및 관리에 사용됩니다. 액체, 벌크 재료, 현탁액, 점성 물질(전도성 및 비전도성) 및 응결, 먼지 상태에서 작업할 때 효과적입니다.

정전용량 센서는 또한 다양한 산업 분야에서 절대압 및 게이지 압력, 유전체 두께, 대기 습도, 변형률, 각가속도 및 선형 가속도 등을 측정하는 데 사용됩니다.

다른 유형의 센서에 비해 정전 용량 센서의 장점

정전 용량 센서는 다른 센서 유형에 비해 많은 이점을 제공합니다. 장점은 다음과 같습니다.

• 생산 용이성, 저렴한 생산 재료 사용; - 작은 크기와 무게; - 낮은 에너지 소비; - 고감도;

• 접점 부족(경우에 따라 하나의 전류 수집기);

• 긴 수명;

• 용량성 센서의 움직이는 부분을 움직이기 위한 매우 작은 힘의 필요성;

• 다양한 작업 및 디자인에 맞게 센서의 모양을 쉽게 조정할 수 있습니다.

정전 용량 센서의 단점

정전 용량 센서의 단점은 다음과 같습니다.

• 상대적으로 작은 전달(변환) 계수;

• 차폐 부품에 대한 높은 요구 사항;

• 더 높은 주파수(50Hz에 비해)에서 작업해야 할 필요성;

그러나 대부분의 경우 센서 설계로 인해 충분한 차폐가 달성될 수 있으며, 용량성 센서는 널리 사용되는 400Hz의 주파수에서 좋은 결과를 제공합니다. 고유 축전기 가장자리 효과는 판 사이의 거리가 고려 중인 표면의 선형 치수와 비슷할 때만 중요해집니다. 이 효과는 보호 링을 사용하여 어느 정도 제거할 수 있으며, 이는 실제로 측정에 사용되는 플레이트 표면의 한계를 넘어 영향을 이동시킬 수 있습니다.

정전 용량 센서는 견고하고 신뢰할 수 있는 설계를 가능하게 하는 단순성이 뛰어납니다. 커패시터의 매개변수는 기하학적 특성에만 의존하며 이러한 재료를 올바르게 선택한 경우 사용된 재료의 특성에는 의존하지 않습니다. 따라서 표면 변화 및 플레이트 간격에 대한 온도의 영향은 플레이트에 대한 적절한 등급의 금속과 부착을 위한 단열재를 선택함으로써 무시할 수 있을 정도로 작을 수 있습니다. 먼지, 부식, 습기, 전리 방사선과 같이 판 사이의 절연을 악화시킬 수 있는 환경 요인으로부터 센서를 보호하는 것만 남아 있습니다.

가동 부분을 움직이는 데 필요한 적은 양의 기계적 힘, 추적 시스템의 출력을 조정하는 기능 및 높은 작동 정확도와 같은 정전 용량 센서의 가치 있는 특성으로 인해 정전 용량 센서는 오류가 100분의 1 또는 심지어 천분의 일 퍼센트가 허용됩니다.

용량성 컨버터의 종류와 설계 특징

일반적으로 정전 용량 센서는 평면 또는 원통형 커패시터로, 플레이트 중 하나는 제어된 움직임을 겪어 정전 용량의 변화를 일으킵니다. 최종 효과를 무시하면 플랫 커패시터의 커패시턴스는 다음과 같이 표현할 수 있습니다.

여기서 ε 플레이트 사이에 둘러싸인 매체의 상대 유전 상수 C와 e - 고려되는 플레이트의 면적과 그에 따른 거리.

용량성 변환기는 측정된 비전기량과 다음 매개변수의 기능적 관계에 따라 세 방향에서 다양한 양을 측정하는 데 사용할 수 있습니다.

• 매체 ε의 가변 유전 상수;

• 플레이트 C의 중첩 영역;

• 판 사이의 다른 거리 e.

첫 번째 경우 유전 상수는 물질 특성의 함수이기 때문에 용량성 변환기를 사용하여 물질의 조성을 분석할 수 있습니다. 이 경우 변환기의 자연 입력 값은 플레이트 사이의 공간을 채우는 물질의 구성이 됩니다. 이 유형의 용량성 변환기는 고체 및 액체의 수분 함량, 액체 레벨을 측정하고 작은 물체의 기하학적 치수를 결정하는 데 특히 널리 사용됩니다. 대부분의 용량성 트랜스듀서의 실제 사용 사례에서 고유 입력 값은 서로에 대한 전극의 기하학적 변위입니다.이 원리를 기반으로 선형 및 각도 변위 센서, 힘, 진동, 속도 및 가속도를 측정하는 장치, 근접, 압력 및 스트레인 센서(신장계).

정전용량 센서의 분류

구현 측면에서 모든 정전식 측정 변환기는 단일 정전용량 센서와 이중 정전용량 센서로 나눌 수 있습니다. 후자는 차동 및 반 차동입니다.

단일 커패시턴스 센서는 설계가 간단하고 단일 가변 커패시터입니다. 단점은 습도 및 온도와 같은 외부 요인의 영향이 크다는 것입니다.이러한 오류를 보상하려면 차동 설계를 적용하십시오... 단일 커패시턴스에 비해 이러한 센서의 단점은 센서와 측정 장치 사이에 최소 3개(2개가 아닌) 차폐 연결 와이어가 필요하다는 것입니다. 기생 커패시턴스라고합니다. 그러나이 단점은 이러한 장치의 정확도, 안정성 및 적용 분야 확장이 크게 증가함에 따라 보상됩니다.

경우에 따라 설계상의 이유로 차동 용량성 센서를 만들기가 어렵습니다(가변 간격 차동 센서의 경우 특히 그렇습니다). 그러나 동시에 예시적인 커패시터가 작동하는 하우징과 동일한 하우징에 배치되고 설계, 치수 및 사용된 재료가 가능한 한 동일하면 외부 불안정 영향에 대한 전체 장치의 감도가 훨씬 낮아집니다. . 이러한 경우 차동 센서와 마찬가지로 이중 정전 용량 센서를 지칭하는 반차동 정전 용량 센서에 대해 이야기할 수 있습니다.

2차원 물리량(이 경우 정전 용량)의 무차원 비율로 표현되는 2체적 센서의 출력 매개변수의 특수성은 비율 센서라고 부르는 이유를 제공합니다. 이중 커패시턴스 센서를 사용하는 경우 측정 장치에 표준 커패시턴스 측정이 전혀 포함되지 않을 수 있으며 이는 측정 정확도를 높이는 데 기여합니다.

선형 변위 엔코더

측정 및 제어할 비전기적 양은 많고 다양합니다. 그 중 상당 부분은 선형 및 각도 변위입니다. 커패시터를 기반으로 전기장 정전용량 변위 센서의 두 가지 주요 유형은 작동 간격에서 균일하게 생성될 수 있습니다.

• 가변 전극 면적;

• 전극 사이의 가변 간격.

전자가 큰 변위(단위, 수십 및 수백 밀리미터)를 측정하는 데 더 편리하고 후자는 작고 매우 작은 변위(밀리미터 단위, 마이크로미터 이하)를 측정하는 데 더 편리하다는 것은 명백합니다.

각도 인코더

각도 변위 정전 용량 변환기는 원칙적으로 선형 변위 정전 용량 변환기와 유사하며 가변 영역 센서는 너무 작지 않은 측정 범위(도 단위에서 시작) 및 가변 각도 간격 정전 용량 센서의 경우에도 더 적합합니다. 작고 매우 작은 각도 변위를 측정하는 데 성공적으로 사용할 수 있습니다. 일반적으로 가변 커패시터 플레이트 영역이 있는 다중 섹션 트랜스듀서는 각도 변위에 사용됩니다.

이러한 센서에서 커패시터 전극 중 하나는 물체의 샤프트에 부착되고 회전하는 동안 고정 전극에 대해 변위되어 커패시터 플레이트의 겹침 영역을 변경합니다. 이것은 차례로 측정 회로에 의해 포착되는 커패시턴스의 변화를 일으킵니다.

경사계

경사계(기울기 센서)는 캡슐 모양의 감지 요소를 포함하는 차동 용량성 기울기 변환기입니다.

정전식 경사계

캡슐은 절연층으로 덮인 2개의 편평한 전극(1)이 있는 기판과 기판에 밀폐 고정된 본체(2)로 구성되어 있으며 본체의 내부 공동은 전도성 액체(3)로 부분적으로 채워져 있으며 이는 공통 전극입니다. 민감한 요소.공통 전극은 평면 전극과 함께 차동 커패시터를 형성합니다. 센서의 출력 신호는 수직면에서 하우징의 위치에 선형적으로 의존하는 차동 커패시터의 커패시턴스 값에 비례합니다.

경사계는 소위 작업 평면의 경사각에 대한 출력 신호의 선형 의존성을 갖도록 설계되었으며 실제로 다른 (비작동) 평면의 판독 값을 변경하지 않는 반면 신호는 온도에 약하게 의존합니다. 변화. 공간에서 평면의 위치를 ​​결정하기 위해 서로 90 ° 각도로 위치한 두 개의 경사계가 사용됩니다.

센서의 경사각에 비례하는 전기 출력 신호가 있는 소형 경사계는 비교적 새로운 장치입니다. 고정밀, 소형 크기, 이동 가능한 기계 장치 부족, 현장 설치 용이성 및 저렴한 비용으로 인해 롤 센서뿐만 아니라 각도 센서를 고정식뿐만 아니라 움직이는 각도 센서로 대체하는 것이 좋습니다. 사물.

용량성 액체 레벨 센서

비전도성 액체의 레벨을 측정하기 위한 용량성 트랜스미터는 병렬로 연결된 두 개의 커패시터로 구성됩니다.

압력 센서

용량성 압력 변환기의 기본 설계 중 하나는 절대 압력을 측정하는 데 사용되는 단일 고정자(전기 압력 센서).

이러한 센서는 팽팽하게 당겨진 편평한 금속 다이어프램에 의해 두 부분으로 나누어진 금속 셀로 구성되며, 한쪽에는 본체와 분리된 고정 전극이 있습니다.다이어프램 전극은 측정 회로에 포함된 가변 정전 용량을 형성합니다. 다이어프램 양쪽의 압력이 동일하면 변환기가 균형을 이룬 것입니다. 챔버 중 하나에서 압력이 변경되면 다이어프램이 변형되고 커패시턴스가 변경되며 이는 측정 회로에 의해 고정됩니다.

2 스테이션(차동) 설계에서 다이어프램은 2개의 고정 플레이트 사이를 이동하고 기준 압력이 2개의 챔버 중 하나에 공급되어 가장 작은 오류로 차압(초과 또는 차동)을 직접 측정합니다.