Принцип работы емкостного датчика: виды, обзор производителей, применение, особенности установки

виды, обзор производителей, применение, особенности установки

Датчики уровня жидкости в резервуаре позволяют как производить текущее измерение количества заправленной жидкости, так и сообщать о достижении предельных ее значений. Такие приборы состоят из чувствительного сенсора, реагирующего на определенные физические параметры, и схемы измерения, контроля и индикации. В зависимости от области применения используются устройства, различающиеся принципом своего действия.

Информация, изложенная в статье, поможет узнать о принципах работы датчиков разных типов и областях их применения. Будет осуществлен краткий обзор их достоинств и недостатков, указаны основные зарекомендовавшие себя на рынке производители.

Классификация приборов

Датчики уровня жидкости в резервуаре могут быть уровнемерами или сигнализаторами. Первые из них предназначены для постоянного измерения уровня жидкости в текущий момент времени. Они используют сенсоры, работающие на разных физических принципах. Дальнейшую обработку поступающих от них сигналов производят аналоговые или цифровые электронные схемы, входящие в состав уровнемеров. Полученные показатели отображаются на элементах индикации.

Сигнализаторы предупреждают о достижении определенного, заранее установленного элементами настройки значения уровня жидкости в емкости. Другое их название — датчики уровня воды в резервуаре для отключения ее дальнейшей подачи. Их выходной сигнал является дискретным. Предупреждение может выдаваться в виде световой или звуковой сигнализации. При этом происходит автоматическая блокировка работы систем заправки или слива жидкости.

Методы измерения уровня

В зависимости от свойств жидкости, уровень которой в резервуаре требуется определить, используются следующие методы измерения:

• контактный, при котором осуществляется непосредственное взаимодействие датчика уровня жидкости в резервуаре или его части с измеряемой средой;
• бесконтактный, позволяющий избежать прямого взаимодействия датчика с жидкостью (ввиду ее агрессивных свойств или высокой вязкости).

Контактные устройства располагаются в емкости непосредственно на поверхности измеряемой жидкости (поплавки), в ее глубине (гидростатические манометры), либо на стенке резервуара на определенной высоте (пластинчатые конденсаторы). Для бесконтактных измерителей (радарных, ультразвуковых) необходимо обеспечить зону прямой видимости поверхности измеряемой жидкости и отсутствие прямого соприкосновения с ней.

Принципы действия

Как уровнемеры, так и сигнализаторы для выполнения своих функций используют разные принципы действия. Наибольшее распространение получили устройства следующих типов:

• поплавковые датчики уровня жидкости в резервуаре;
• емкостные;
• гидростатические датчики уровня жидкости;
• устройства радарного типа;
• ультразвуковые датчики.

Поплавковые, в свою очередь, могут быть механическими, дискретными и магнитострикционными. Первые три группы датчиков включают в себя устройства, использующие контактный метод измерения, две другие относятся к бесконтактным устройствам.

Механические поплавковые датчики

Легкий поплавок, постоянно находящийся на поверхности жидкости в резервуаре, системой механических рычагов связан со средним выводом потенциометра, который является плечом моста сопротивлений. При минимальном количестве жидкости в емкости мост считается сбалансированным. Напряжение в его измерительной диагонали отсутствует.

По мере заполнения резервуара поплавок отслеживает положение уровня жидкости, перемещая через систему рычагов подвижный контакт потенциометра. Изменение сопротивления потенциометра приводит к нарушению сбалансированного состояния моста. Появившееся напряжение в его измерительной диагонали используется электронной схемой системы индикации. Ее аналоговые или цифровые показания соответствуют количеству жидкости в резервуаре в текущий момент времени.

Дискретные поплавковые датчики

Дискретный сигнал в виде замыкания или размыкания контактов герконового реле используется схемой электронной индикации и сигнализации для оповещения о достижении уровня жидкости в емкости определенного значения. Металлические контакты, выполненные из материала с низким переходным сопротивлением при их замыкании, помещены в полую изолированную стеклянную колбу.

Датчик уровня воды в резервуаре с дискретным выходом имеет в своем составе направляющую в виде полой трубки, в которую не попадает жидкость из резервуара. Внутри направляющей закреплены контакты одного или нескольких герконовых реле. Место их расположения зависит от того, в каком случае необходимо получить сигнализацию о достижении уровнем жидкости заданного значения.

Поплавок датчика со встроенным в него небольшим постоянным магнитом движется вдоль направляющей при изменении уровня жидкости в емкости. Срабатывание контактной группы происходит в момент ее попадания в магнитное поле постоянного магнита поплавка. Сигнал по проводам, подключенным к контактам датчика уровня воды в емкости геркона, поступает на схему сигнализации.

Магнитострикционные поплавковые датчики

Датчики этого типа выдают постоянный сигнал, зависящий от уровня жидкости в резервуаре. Основным элементом, как и в предыдущем случае, является поплавок с постоянным магнитом внутри, занимающий свое положение на поверхности жидкости и перемещающийся в вертикальной плоскости вдоль направляющей.

Внутреннюю полость направляющей, изолированную от жидкости, занимает волновод. Он выполнен из магнитострикционного материала. В нижней части элемента расположен источник импульсов тока, которые распространяются вдоль него.

При достижении излученного импульса места нахождения поплавка с магнитом происходит взаимодействие двух магнитных полей. Результатом такого взаимодействия является возникновение механических колебаний, которые распространяются обратно по волноводу.

Рядом с импульсным генератором закреплен пьезоэлемент, который фиксирует механические колебания. Внешняя электронная схема анализирует временную задержку между излученным и полученным импульсами и вычисляет расстояние до поплавка, который постоянно находится на поверхности жидкости. Схема индикации постоянно сообщает об уровне жидкости в резервуаре.

Емкостные датчики

Работа датчиков этого типа основана на свойствах конденсатора изменять свою электрическую емкость при изменении показателя диэлектрической проницаемости материала, заполняющего пространство между его обкладками. Применяются конденсаторы коаксиального типа, представляющие собой пару соосных пустотелых металлических цилиндров разного диаметра.

Последние являются обкладками конденсатора, между которыми может свободно проникать жидкость. Показатели диэлектрической проницаемости воздуха и жидкой среды имеют разные значения. Заполнение резервуара приводит к изменению значения общей диэлектрической проницаемости коаксиального конденсатора и, соответственно, его электрической емкости.

Частота колебательного контура, в цепь которого включен конденсатор, изменяется пропорционально изменению его емкости. Электронный преобразователь частота/напряжение отслеживает это изменение и выдает на индикацию значение, пропорциональное степени заполнения резервуара.

Гидростатические датчики

Другое название такого устройства — детектор, или преобразователь давления. Они могут быть стационарными, закрепленными в нижней точке емкости, заполняемой жидкостью, или переносными. В последнем случае преобразователи давления комплектуются кабелем значительной длины. Это позволяет использовать их для резервуаров разных геометрических размеров.

Чувствительный элемент гидростатического датчика представляет собой мембрану, которая воспринимает давление столба жидкости над собой. Его настройка выполнена таким образом, что атмосферное давление не приводит к деформации мембраны. По величине давления в точке измерения можно определить высоту столба жидкости или степень заполнения резервуара.

Величина деформации мембраны преобразуется в пропорциональный электрический показатель, который затем используется для отображения уровня жидкости в резервуаре. Применяются поправки, учитывающие плотность измеряемой среды и ускорение свободного падения в точке измерения.

Датчики радарного типа

Датчик уровня жидкости емкости использует бесконтактный метод измерения, основанный на свойствах этой среды любой плотности и вязкости отражать электрический сигнал. Частота излучаемого сигнала радиолокатора, расположенного над поверхностью измеряемого уровня жидкости, изменяется по линейному закону.

Отраженный от поверхности, он приходит на приемное устройство с задержкой, определяемой длиной пройденного пути. Таким образом, между частотами двух сигналов присутствует разница. По величине сдвига частоты анализирующее устройство локатора определяет пройденный сигналом путь или уровень отражающей жидкости относительно места расположения радиолокатора.

Ультразвуковые датчики уровня

Схема измерения, использующаяся для датчиков этого типа, соответствует рассмотренной в предыдущем разделе статьи. Локационный метод измерения применяется в ультразвуковом диапазоне длин волн.

Полученные данные определяют разницу во времени между излученным передатчиком и принятым приемником сигналами. Используя данные о скорости распространения ультразвука в пространстве над поверхностью жидкости, анализирующее устройство определяет расстояние, пройденное сигналом, или уровень жидкости в резервуаре.

Краткий обзор производителей

Датчики уровня жидкости в резервуаре «ОВЕН» позволяют производить необходимые измерения на высоком уровне. Рекламу их продукции можно встретить на многих зарубежных сайтах.

Заслуживает внимания продукция отечественного разработчика и производителя L-CARD, внесенного в Госреестр средств измерений. Alta Group, находящаяся на рынке России более 10 лет, имеет заслуженные положительные отзывы.

Заключение

Датчики уровня жидкости в резервуаре следует выбирать, исходя из условий их использования, свойств жидкостей, требуемых показателей точности измерения. Наиболее верные показания можно получить при использовании датчиков радарного типа, магнитострикционных измерителей.

Надо помнить, что абсолютная точность требует более высоких материальных затрат. Поплавковые датчики и сигнализаторы — наиболее простые устройства, но их применение ограничено условиями вибрации из-за вспенивания жидкости, ее вязкостью, агрессивностью среды.

Оптимальным решением, исходя из соотношения цена/качество, является использование гидростатических и емкостных датчиков при условии выполнения ограничений, налагаемых на свойства измеряемой жидкости.

Тензометрические датчики (Тензодатчики). Виды и работа. Устройство

На многих предприятиях существует необходимость для измерения различных параметров, изменения состояния деталей, различных конструкций. Для решения этих задач используются тензометрические датчики. Они преобразовывают величину деформации в электрический сигнал. Это получается за счет уменьшения или увеличения сопротивления датчика во время деформации, нарушения геометрии формы датчика от сжатия или растяжения. В результате определяется значение деформации.

Резистивный преобразователь, является главной составной частью высокоточных устройств и приборов. Изготавливают датчик из чувствительного тензорезистора, представляющего собой тонкую алюминиевую проволоку или фольгу. Резистор в результате деформации изменяет свое сопротивление, подает сигнал на индикатор.

Виды

В разных отраслях промышленности используется множество видов тензометрических датчиков:

• Приборы, измеряющие силу и нагрузку.
• Контроль давления.
• Измерители ускорения.
• Измерители перемещения.
• Датчики контроля момента для станков, моторов автомобилей.

Модели датчиков разнообразны, но чаще всего используется датчик определения веса, который изготавливается в различных вариантах: шайбовый, бочковой, S-образный. Исходя из назначения подбирается необходимое исполнение.

Тензометрические датчики имеют классификацию, как по форме, так и по особенностям конструкции, которая зависит от вида чувствительного элемента.

Применяются следующие виды датчиков:

• Из фольги.
• Пленочные.
• Из проволоки.

Датчик из фольги

Применяется в виде наклеивания на поверхность. Конструкция датчика состоит из фольговой ленты 12 мкм. Частично пленка плотная, остальная часть решетчатая. Эта конструкция отличительна тем, что к ней можно припаять вспомогательные контакты. Такие датчики легко используются при низких температурах.

Пленочные датчики

изготовлены по аналогии с фольговыми, кроме материала. Такие виды производятся из тензочувствительных пленок, имеющих специальное напыление, повышающее чувствительность датчика. Эти измерители удобно применять для контроля динамической нагрузки. Пленки изготавливаются из германия, висмута, титана.

Проволочный вариант

датчика может измерить точную нагрузку от сотых частей грамма до тонн. Они называются одноточечные, так как измерение происходит не на площади, а в одной точке, в отличие от датчиков из фольги и пленки. Проволочными датчиками можно контролировать растяжение и сжатие.

Принцип действия тензодатчиков

Тензометрические датчики представляет собой конструкцию из тензорезистора, имеющего контакт на панели. Она соприкасается с телом для измерения. Принципиальная схема действия датчика заключается в действии на чувствительный элемент исследуемой детали. Для подключения датчика к питанию используются электроотводы, соединенные с чувствительной пластиной.

В контактах существует постоянное напряжение. На тензодатчик кладется деталь через подложку. Вес детали разрывает цепь путем деформации. Деформация видоизменяется в сигнал тока.

Мост измерения тензодатчика дает возможность измерить минимальные нагрузки, расширяя этим применяемость прибора. Схема подключения мостом датчика основывается на законе Ома. Если сопротивления равны, то проходящий ток будет одинаковым. Действие снаружи обрело название «внешний фактор», изменение сигнала – «внутренний фактор». Тогда можно сказать, что принцип работы датчика заключается в определении внешнего фактора с помощью внутреннего.

В быту тензометрические датчики работают в весах. Тензорезисторы подключены с поверхностью работы весов. Подключение к питанию весов осуществляется через батареи.

Этот контрольный прибор имеет высокую точность. Погрешность чувствительных элементов составляет менее 0,02%, это высокий показатель. Существуют приборы с чувствительностью гораздо выше этого. Их работа основана на контроле действия силы. Значение силы давления прямопропорционально преобразованному сигналу тензодатчика.

Принцип действия датчиков силы

Датчики силы, другими словами динамометры входят в состав приборов, измеряющих вес. Их отсутствие делает невозможным работу системы по автоматизированию техпроцессов на производстве. Они используются в сельском хозяйстве, строительстве, металлургии.

Работа основывается на изменении деформации в сигнал. В действии происходит много разных явлений, которые обусловили несколько типов тензодатчиков:

• Тактильные.
• Резистивные.
• Пьезорезонансные.
• Пьезоэлектрические.
• Магнитные.
• Емкостные.

Тактильные датчики

Этот тип датчиков самый новый, появился после возникновения робототехники. Тактильные датчики делятся на: датчики усилия, касания, проскальзывания. Первые два определяют силу и отличаются сигналом. От других они отличаются небольшой толщиной из-за применения специальных материалов, обладающих прочностью, эластичностью, гибкостью.

Конструкция состоит из 2-х пластин(1 и 2). Между ними находится прокладка (3) с ячейками из изоляционного материала. Один провод соединен с верхней, второй с нижней пластиной. При воздействии силы на верхнюю пластину она прогибается и замыкается с нижней. Падение напряжения на резисторе является сигналом выхода.

Резистивный тензодатчик

Это широко применяемый вид датчиков, так как интервал усилий работы составляет от 5 Н до 5 МН, используются для разных нагрузок. Преимуществом его стала линейность сигнала выхода. Рабочий элемент – тензорезистор, состоящий из проволоки на гибкой подложке.

1 — Подложка
2 — Чувствительный элемент
3 — Контакты

Датчик приклеивают к измеряемому предмету. Под действием деформации изменяется сопротивление резистора, а соответственно подающего сигнала.

Пьезорезонансный тензодатчик

В этом типе датчиков применяются два эффекта: обратный и прямой. Элемент чувствительности датчика – резонатор. Пьезоэффект обратный обуславливается напряжением, которое вызывает заряды, это называется прямым пьезоэффектом.

Колебания резонатора вызывают резонансные колебания. Пьезорезонансные датчики подключаются по разным схемам. На рисунке изображена схема с генератором частоты и фильтра резонанса. Сила действует на резонатор, изменяет настройки частоты фильтра, от которых зависит напряжение выхода.

Пьезоэлектрические тензометрические датчики

Работа заключается на основе прямого пьезоэффекта. Им обладают такие материалы: кристаллы титаната бария, турмалина, кварца. Они химически устойчивы, имеют высокую прочность, их свойства мало зависят от окружающей температуры.

Суть эффекта состоит в действии силы на материал. Возникают заряды разной полярности, величина которых зависит от силы. Датчик состоит из корпуса, двух пьезопластин, выводов. При воздействии силы пластины сжимаются, возникает напряжение, поступающее на усилитель сигнала.

Такие тензометрические датчики используются для контроля динамических сил.

Магнитные тензометрические датчики

Магнитострикция является основным явлением для работы датчиков этого типа. Такой эффект меняет геометрию размеров в магнитном поле. Изменение геометрии изменяет магнитные свойства, что называется магнитоупругого эффекта. При снятии усилия свойства тела возвращаются.

Это определяется изменением расположения атомов в решетке кристаллов в магнитном поле или под действием силы. В нашем варианте катушка индуктивности расположена на ферромагнитном сердечнике. От силы сердечник деформируется, получая состояние напряженности.

Изменение сердечника дает изменение его проницаемости, а, следовательно, изменяется магнитное сопротивление и индуктивность катушки.

Широко применяемыми стали датчики с двумя катушками. Первичная – запитана генератором, во вторичной образуется ЭДС. Во время деформации магнитная проницаемость меняется. В результате меняется ЭДС 2-й обмотки.

Емкостные датчики

Это параметрический тип датчиков, представляющий собой конденсатор. Чем больше площадь пластин, тем больше емкость. А чем больше промежуток между пластинами, тем меньше емкость.

Это свойство применяют для конструкции емкостных датчиков. Чтобы было удобно пользоваться измерениями, емкость преобразуют в ток. Для этого пользуются разными схемами подключения.

Обычно применяют вариант со сжатием диэлектрика между пластинами.

Преимущества тензометрических датчиков

• Повышенная точность измерения.
• Сочетаются с измерениями напряжений, не имеют искажений данных измерения. Это удобство незаменимо при применении датчиков на транспорте или в критических ситуациях и условиях.
• Малые размеры дают возможность применять их в любых измерениях.

К недостаткам тензометрических датчиков, можно отнести снижение чувствительности при резких изменениях температуры. Для получения точных результатов рекомендуется делать контроль измерения при комнатной температуре.

Подключение тензодатчиков

Подключить тензометрические датчики можно легко самому, используя схему. Перед приобретением тензодатчиков определите длину кабеля подключения. Если короткий кабель наращивать в длину, то точность измерения индикатором будет значительно меньше. Оптимизацию этого параметра можно произвести контроллером SE 01, который действует вместо усилителя.

Если в конструкции весов применяются разные индикаторы, то их соединяют по параллельной схеме с помощью специальных коробок. Проводники датчиков обязательно заземляются, независимо от вида питания. Установка заземления производится в общей одной точке. Для этих целей применяется коробка для разветвления.

Далее проверяется правильность подключения по схеме датчиков, надежность контактов и заземления. Монтаж прибора осуществляется экранированным кабелем. Он заглушает помехи, вспомогательные модули при его использовании не нужны. По подобию подсоединяется преобразователь в дозатор.

Похожие темы:

Что такое емкостные датчики уровня

Особенность их применения в большей степени определяется и ограничивается диэлектрической проницаемостью тех материалов, которые предполагается контролировать.

Емкостными датчиками сложно измерять уровень продуктов с низкой диэлектрической проницаемостью, а также уровень материала, у которого диэлектрическая проницаемость зависит, например, от температуры этого продукта.

Емкостные датчики разделяют на сигнализаторы и уровнемеры. Различия в решаемых задачах:

1. Емкостные уровнемеры – для непрерывного измерения уровня;
2. Емкостные сигнализаторы – для контроля уровня и передачи дискретного сигнала о достижении предельного уровня измеряемого вещества.

Существуют радиочастотные емкостные датчики, и это уже более современная технология, которая появилась порядка 10 лет назад и в своей основе использует принцип изменения частоты генератора за счёт изменения диэлектрической проницаемости контролируемого материала.

Эти датчики более универсальны и могут использоваться как при больших, так и малых значениях диэлектрической проницаемости. Поэтому, если рассматривать особенности применения, есть смысл рассматривать их отдельно от классических датчиков.

Далее подробно разберём, с какими средами показатель точности будет выше, а где датчики на основе ёмкостного принципа действия применять не рекомендуется.

 

В какой ёмкости проводить измерения с помощью ёмкостных датчиков

Такие датчики можно установить в любую металлическую ёмкость и без вспомогательных средств, просто устанавливается прибор, и всё работает.

Металлический резервуар может быть в качестве второго электрода для такого датчика. А для пластиковой ёмкости емкостный датчик уровня нужно брать с коаксиальным электродом, который будет являться ответной частью датчика, либо установить дополнительный электрод.

Измеряемая среда – вода и водные растворы, чистые жидкости без примесей

Относительно использования емкостных уровнемеров и сигнализаторов в водных растворах проблем никаких нет.

Оптимальное применение, естественно, вода, растворы на её основе. Емкостные уровнемеры и сигнализаторы дешёвые, удобные средства, достаточно надежные для жидкостей с постоянной и высокой диэлектрической проницаемостью.

Однако, если мы говорим об измерении уровня других жидкостей, то надо учесть, что они могут быть с пеной. Например, молоко.

Диэлектрическая проницаемость пены не соответствует диэлектрической проницаемости молока, потому что состоит из воздуха и молока, соответственно, и её диэлектрическая проницаемость будет приближаться больше к диэлектрической проницаемости воздуха, и обычный емкостной датчик на пену срабатывать не будет.

Поэтому, если стоит задача не упустить значение уровня совместно с какими-то особенностями, допустим, с той же самой пеной, то к контролю жидкости следует подходить с осторожностью с применением емкостных датчиков уровня, выполненных по классической схеме.

В таких процессах, где есть пенообразование или испарение, более уместно применение радиочастотных моделей.

Жидкости с примесью, масло

Относительно работы со смесями. (Например, изготавливают майонез, кетчуп или что-то в этом роде.)

Можно установить в емкости с миксером, но именно в исполнении с коаксиальным зондом, так как коаксиальный зонд повышает точность и не реагирует при этом на волнения во время перемешивания.

Нефть и её производные

Дальше поговорим по топливной промышленности, производству дизельного топлива, т.д.

Не рекомендуется применять на таких продуктах как дизельное топливо, бензин, керосин, у которых от температуры меняется показатель диэлектрической проницаемости. При низкой температуре он один, а при высокой температуре – другой.

Соответственно, в баке с дизельным топливом по факту уровень самого продукта меняться не будет, а датчик будет показывать, что изменения есть.

Сыпучие материалы

Тут уже возникают некоторые ограничения.

Если говорить об измерении/контроле уровня сыпучих материалов с помощью емкостных датчиков, то однозначно рекомендуем радиочастотные датчики. Ведь, как правило, у классических емкостных применение на сыпучие материалы возможно, но точность измерений зависит от многих факторов:

• плотность продукта, так как там может быть минимальное количество воздуха между фракциями;
• разная влажность продукта на разных уровнях, например, сверху и снизу резервуара;
• зависимость от размера гранул, от среды;
• не всегда постоянная диэлектрическая проницаемость;
• высокая вероятность нагрева.

А вот применение радиочастотных датчиков уровня позволяет довольно чётко производить измерение сыпучих материалов как с изменяющейся (непостоянной) влажностью, так и с низкой диэлектрической проницаемостью.

Кроме того, радиочастотные измерительные приборы на основе емкостного принципа позволяют подстраиваться от наложений на сами зонды датчика в виде пыли, налипаний, грязи и т.д. То есть данные датчики не подвержены воздействию внешних факторов и с успехом справляются с возложенными на них задачами по контролю сыпучих материалов.

Если давать рекомендации по применению емкостных датчиков на производстве, то это химическая, пищевая промышленности, фармацевтика, энергетика, металлургия, горнодобывающая отрасль, системы водоочистки и водоподготовки.

А вот переработка нефти – однозначно не подойдёт, если это не подтоварная вода или конденсат.

Для работы с конкретным видом вещества следует подбирать специализированное измерительное устройство
с необходимым уровнем чувствительности, изготовленное из подходящих для каждого вещества материалов.

Поэтому, прежде чем выбрать емкостный датчик по конкретную задачу,

стоит проконсультироваться со специалистами ООО «РусАвтоматизация».

Емкостные датчики приближения — подбор по характеристикам

Емкостные датчики приближения широко распространены в промышленности и применяются практически во всех отраслях. Емкостные датчики приближения сравнительно недороги, но надежны.

Выбрать и купить емкостный датчик положения вы можете в интернет-магазине …

Области применения емкостных датчиков приближения

Емкостные датчики приближения имеют широкий спектр применения в САР и САУ всех отраслей промышленности. Например:

• Сортировочные машины и счетное оборудование
• Пищевая промышленность
• Типография
• Станкостроение
• Нефтехимический комплекс
• Складская деятельность
• Транспортировочное оборудование (регистрация объектов на конвейерах и т.п.)
• Автомобильная индустрия
• Машиностроение
• Системы безопасности/охраны
• Сфера защиты окружающей среды
• Робототехника
• ЖКХ (включение освещения при приближение человека и т.п.)

Назначение емкостных датчиков приближения

• Обнаружение и распознавание предметов, объектов на производстве:
  • Металлических (проводящие)
  • Неметаллических (пластмассы, бумага, дерево, жидкости, картон и т.п.)
• Регистрация объектов, распознавание и контроль листовых материалов и проводов на обрыв, регулирование натяжения (пленки, фольга и т.п.)
• Сортировка объектов по физическим свойствам
• Контроль:
  • Уровня наполнения тары/упаковки (сигнализация)
  • Позиционного отклонения
  • Перемещения объекта
  • Поперечного и продольного смещения
  • Статического/динамического смещения
  • Положения в пространстве
  • Концентричности
  • Точности посадки
  • Отдельных элементов (подсчет)
• Манипулирование
• Измерение вибрации

Преимущества

Достоинства емкостных датчиков приближения:

• Способность обнаружения объектов сквозь «непрозрачные преграды» (например, жидкостей через стекло или пластик)
• Обнаружение всех материалов, в том числе агрессивных химических
• Простой, надежный конструктив
• Бесконтактный принцип работы
• Сравнительно невысокая цена

Недостатки

Недостатками могут быть:

1. Возможные требования к экранированию. В частности, нужно соблюдать правила размещения датчиков в непосредственной близости друг от друга.
2. Влияние окружающей среды на функционирование датчиков.
3. Влияние материала и габаритов объекта регистрации на параметры приборов

Принцип работы емкостных датчиков приближения

Принцип работы емкостных датчиков приближения заключается в использовании емкостных связей, где сам датчик выполняет роль обкладки конденсатора, а диэлектриком обычно является воздух. Вторая обкладка – земля.

Датчики имеют в своем составе чувствительный электрод, который испускает электрическое поле и формирует емкость. При этом у прибора формируется определенная рабочая зона чувствительности. Если в эту зону попадает объект (с более высокой диэлектрической проницаемостью), то емкость начинает увеличиваться. При превышении заданного в настройках уровня, датчик фиксирует наличие объекта и переключает выходное реле.

На рисунке ниже показан пример с жидкостью. Наличие жидкости вызывает переключение выхода датчика.

Выбрать и купить емкостной датчик положения вы можете в интернет-магазине РусАвтоматизация …

Принцип работы емкостного измерителя уровня NivoCap

Емкостной измеритель уровня NivoCap построен на принципе оценки уровня продукта в резервуаре с помощью измерения электрической емкости своего датчика. Активный зонд прибора и стена емкости (либо заземленный второй зонд, в случае если стена емкости непроводящая) образуют собой пластины конденсатора.

С0 — исходная емкость конденсатора СТ — конечная емкость конденсатора ΔС — разница емкостей

По мере заполнения резервуара продуктом изменяется относительная диэлектрическая проницаемость между этими «пластинами». В результате этого изменяется и емкость образованного таким образом конденсатора. В таком случае, исходная емкость конденсатора будет С₀, а конечная (при заполненном резервуаре) С_Т. Эти данные измеряются и заносятся в память прибора во время так называемого «обучения». Прибор отмечает изменение емкости конденсатора при увеличении/уменьшении уровня измеряемой среды. Полученное значение пропорционально преобразуется прибором в выходной сигнал. Получается, что показания прибора по отношению к изменению уровня продукта и емкости прямо пропорциональны.

У емкостных уровнемеров в качестве одного из основных отмечается такое достоинство, как высокий порог чувствительности. Благодаря этому свойству, NivoCap проводит качественные измерения при низких значениях уровня продукта.

При отсутствии прямой пропорциональной связи между изменением емкости и изменением уровня продукта, может быть применена 32-точечная линеаризация. Также прибор может быть запрограммирован на вычисление и передачу данных по объему и весу продукта.

Диагностика NivoCap

NivoCap имеет свои средства диагностики. Он может комплектоваться модулем отображения и программирования SAP-202, на который выводятся:

• Диагностические сообщения о внутренних ошибках уровнемера;
• Информация об ошибках программирования устройства.

Сигналы ошибок также можно отследить по аналоговому выходу 4…20 мА.

Применение датчиков в промышленном оборудовании / Статьи и обзоры / Элек.ру

В промышленной электронике индуктивные, оптические и другие датчики применяются очень широко. Долго и постоянно имею с ними дело, так как работаю инженером-электронщиком на крупном предприятии. Статья будет обзорной, но есть и реальные примеры.

Типы датчиков

Итак, что вообще такое датчик. Датчик — это устройство, которое выдает определенный сигнал при наступлении какого-либо определенного события. Иначе говоря, датчик при определенном условии активируется, и на его выходе появляется аналоговый (пропорциональный входному воздействию) или дискретный (бинарный, цифровой, т.е. два возможных уровня) сигнал. Датчики могут называться также сенсорами или инициаторами.

Оптический датчик отслеживает перемещение деталей по конвейеру

Датчиков великое множество. Перечислю лишь те разновидности, с которыми приходится сталкиваться электрику и электронщику.

Индуктивные. Активируется наличием металла в зоне срабатывания. Другие названия — датчик приближения, датчик положения, индукционный, датчик присутствия, индуктивный выключатель, бесконтактный датчик или выключатель. Смысл один, и не надо путать. По-английски пишут «proximity sensor». Фактически это — датчик металла.

Оптические. Другие названия — фотодатчик, фотоэлектрический датчик, оптический выключатель. Такие применяются и в быту, называются «датчик освещенности». Разновидность оптических датчиков — инфракрасные датчики движения, которые срабатывают на изменение температуры в зоне действия.

Емкостные. Срабатывает на наличие практически любого предмета или вещества в поле активности.

Давления. Если этот датчик дискретный, то принцип работы очень прост. Давления воздуха или масла нет — датчик выдает сигнал на контроллер или рвет аварийную цепь. Может быть датчик для измерения давления с токовым выходом, ток которого пропорционален абсолютному давлению либо дифференциальному.

Пример работы концевых выключателей — нижний датчик активирован

Концевые выключатели (электрический датчик). Это обычный пассивный выключатель, который срабатывает, когда на него надавливает объект (активатор).

Итак, мы выяснили, что воздействие (активация) может быть любым, а реакции может быть две — дискретный либо аналоговый сигнал. Поэтому, все датчики можно считать одинаковыми, различия могут быть только в способе активации (принципе действия) и схеме включения.

Для примера рассмотрим индуктивный датчик, поскольку он наиболее распространен.

Применение индуктивного датчика

Индуктивные датчики приближения применяются широко в промышленной автоматике, чтобы определить положение той или иной части механизма.

Сигнал с выхода датчика может поступать на вход контроллера, преобразователя частоты, реле, контактора или другого исполнительного устройства. Единственное условие — соответствие по току и напряжению.

Принцип работы индуктивного датчика

Индуктивный датчик является дискретным. Сигнал на его выходе появляется, когда в заданной зоне присутствует металл.

В основе работы датчика приближения лежит генератор с катушкой индуктивности. Отсюда и название. Когда в электромагнитном поле катушки появляется металл, это поле резко меняется, что влияет на работу схемы.

Металлический активатор меняет резонансную частоту колебательного контура и схема, содержащая компаратор, выдает сигнал на ключевой транзистор или реле. Нет металла — нет сигнала.

Чем отличаются индуктивные датчики

Индуктивные датчики определяют, в левом или в правом положении находится рычаг

Индуктивный датчик подсчета импульсов

Почти все, что сказано ниже, относится не только к индуктивным, но и к оптическим, емкостным и другим датчикам.

1. Конструкция, вид корпуса.

   Тут два основных варианта — цилиндрический и прямоугольный. Другие корпуса применяются крайне редко. Материал корпуса — металл (различные сплавы) или пластик.

2. Диаметр цилиндрического датчика.

   Основные размеры — 12 и 18 мм. Другие диаметры (4, 8, 22, 30 мм) применяются редко.

3. Расстояние переключения (рабочий зазор).

   Это то расстояние до металлической пластины, на котором гарантируется надежное срабатывание датчика. Для миниатюрных датчиков это расстояние — до 2 мм, для датчиков диаметром 12 и 18 мм — до 4 и 8 мм, для крупногабаритных датчиков — до 20…30 мм.

4. Количество проводов для подключения.

   2-х проводные. Датчик включается непосредственно в цепь нагрузки (например, катушка пускателя). Так же, как мы включаем дома свет. Удобны при монтаже, но капризны к нагрузке. Плохо работают и при большом, и при маленьком сопротивлении нагрузки. Нагрузку можно подключать в любой провод, для постоянного напряжения важно соблюдать полярность. Для датчиков, рассчитанных на работу с переменным напряжением — не играет роли ни подключение нагрузки, ни полярность. Главное — обеспечить рабочий ток.

   3-х проводные. Наиболее распространены. Есть два провода для питания, и один — для нагрузки. Подробнее расскажу ниже.

   4-х и 5-ти проводные. Такое возможно, если используется два выхода на нагрузку (например, PNP и NPN (транзисторные), или переключающие (реле). Пятый провод — выбор режима работы или состояния выхода.

5. Виды выходов датчиков по полярности.

   У всех дискретных датчиков может быть только 3 вида выходов в зависимости от ключевого (выходного) элемента.

Релейный. Реле коммутирует в простейшем случае один из проводов питания, как это делается в бытовых датчиках движения или освещенности. Универсальный вариант с «сухим» контактом, когда выходные контакты реле не связаны с питанием датчика. При этом обеспечивается полная гальваническая развязка, что является основным достоинством такой схемы. То есть, независимо от напряжения питания датчика, можно включать/выключать нагрузку с любым напряжением.

Транзисторный PNP. На выходе — транзистор PNP, то есть коммутируется «плюсовой» провод. К «минусу» нагрузка подключена постоянно.

Транзисторный NPN. На выходе — транзистор NPN, то есть коммутируется «минусовой», или нулевой провод. К «плюсу» нагрузка подключена постоянно.

Пример оптического датчика с релейным выходом

Можно четко усвоить разницу, понимая принцип действия и схемы включения транзисторов. Поможет такое правило: Куда подключен эмиттер, тот провод питания и коммутируется. Другой полюс подключен к нагрузке постоянно. Ниже будут даны схемы включения датчиков, на которых будет хорошо видно эти отличия.

1. Виды датчиков по состоянию выхода.

   Какой бы ни был датчик, один из основных его параметров — электрическое состояние выхода в тот момент, когда датчик не активирован (на него не производится какое-либо воздействие).

   Выход в этот момент может быть включен (на нагрузку подается питание), либо выключен. Соответственно, говорят — нормально открытый (НО) контакт или нормально закрытый (нормально замкнутый, НЗ) контакт. В иностранном обозначении — NO и NC.

   То есть, главное, что надо знать про транзисторные выходы датчиков — то, что их может быть 4 разновидности, в зависимости от полярности выходного транзистора и от исходного состояния выхода: PNP NO, PNP NC, NPN NO, NPN NC.

2. Положительная и отрицательная логика работы.

   Это понятие относится скорее к исполнительным устройствам, которые подключаются к датчикам (контроллеры, реле). Отрицательная или положительная логика относится к уровню напряжения, который активизирует вход.

Отрицательная логика: вход контроллера активизируется (логическая «1») при подключении к НУЛЮ. Клемму S/S контроллера (общий провод для дискретных входов) при этом необходимо соединить с +24 В. Отрицательная логика используется для датчиков типа NPN.

Положительная логика: вход активизируется при подключении к +24 В. Клемму контроллера S/S необходимо соединить с нулем. Используйте положительную логику для датчиков типа PNP. Положительная логика применяется чаще всего.

В следующей статье мы рассмотрим реальные индуктивные датчики и их схемы включения.

Автор: Александр Ярошенко, автор блога «СамЭлектрик»

Основной принцип работы индуктивного датчика приближения

Вы когда-нибудь задумывались, как индуктивный датчик приближения может определять присутствие металлической цели? Хотя лежащая в основе электротехника сложна, основной принцип работы понять нетрудно.

В основе индуктивного датчика приближения («prox», «датчик» или «prox sensor» для краткости) лежит электронный генератор, состоящий из индуктивной катушки, состоящей из множества витков очень тонкой медной проволоки, конденсатора для хранения электрического заряда, и источник энергии для электрического возбуждения.Размер индукционной катушки и конденсатора согласован для создания самоподдерживающихся синусоидальных колебаний с фиксированной частотой. Катушка и конденсатор действуют как две электрические пружины с грузом, подвешенным между ними, постоянно толкая электроны вперед и назад между собой. Электрическая энергия подается в цепь, чтобы инициировать и поддерживать колебания. Без поддержания энергии колебания исчезли бы из-за небольших потерь мощности из-за электрического сопротивления тонкой медной проволоки в катушке и других паразитных потерь.

Колебание создает электромагнитное поле перед датчиком, потому что катушка расположена прямо за «лицевой стороной» датчика. Техническое название лицевой панели датчика — «активная поверхность».

Когда кусок проводящего металла входит в зону, определяемую границами электромагнитного поля, часть энергии колебаний передается металлу цели. Эта переданная энергия проявляется в виде крошечных циркулирующих электрических токов, называемых вихревыми токами.Вот почему индуктивные датчики иногда называют вихретоковыми датчиками.

Протекающие вихревые токи сталкиваются с электрическим сопротивлением, пытаясь циркулировать. Это создает небольшую потерю мощности в виде тепла (как маленький электрический нагреватель). Потери мощности не полностью компенсируются внутренним источником энергии датчика, поэтому амплитуда (уровень или интенсивность) колебаний датчика уменьшается. В конце концов, колебания уменьшаются до такой степени, что другая внутренняя цепь, называемая триггером Шмитта, обнаруживает, что уровень упал ниже заранее определенного порога.Этот порог — это уровень, при котором присутствие металлической цели точно подтверждается. При обнаружении цели триггером Шмитта включается выход датчика.

На короткой анимации справа показано влияние металлической цели на колеблющееся магнитное поле датчика. Когда вы видите, что кабель, выходящий из датчика, становится красным, это означает, что обнаружен металл и датчик был включен. Когда цель уходит, вы можете видеть, что колебания возвращаются к своему максимальному уровню, и выход датчика снова отключается.

Хотите узнать больше об основных принципах работы индуктивных датчиков приближения? Вот короткое видео на YouTube, посвященное основам:

Как это:

Нравится Загрузка …

Генри Менке

У меня есть электротехническое образование, которое дает мне прочную техническую основу для моей нынешней должности директора по маркетингу продуктов.

Эксплуатация и оптимизация емкостного датчика

Техническая записка емкостного датчика LT03-0020

Авторские права © 2012 Lion Precision.www.lionprecision.com

Сводка

В этой технической заметке рассматриваются концепции и теория емкостного измерения, помогающие оптимизировать характеристики емкостного датчика. Он также определяет термины емкостного считывания, которые используются в литературе и руководствах Lion Precision.

Емкость и расстояние

Бесконтактные емкостные датчики работают путем измерения изменений 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, заставляя положительные и отрицательные заряды накапливаться на каждом объекте (рис. 1). Если полярность напряжения поменять местами, заряды также поменяются местами.

Емкостные датчики используют переменное напряжение, которое заставляет заряды постоянно менять свое положение. Движение зарядов создает переменный электрический ток, который регистрируется датчиком (рис. 2). Сумма

поток 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 (рис. 3).

Рис. 1 Приложение напряжения к проводящим объектам вызывает накопление положительных и отрицательных зарядов на каждом объекте.Это создает электрическое поле в пространстве между объектами

Рис. 2 Подача переменного напряжения заставляет заряды перемещаться вперед и назад между объектами, создавая переменный ток, который обнаруживается датчиком.

Рисунок 3 Емкость определяется площадью, расстоянием и диэлектрической проницаемостью (материалом между проводниками). Емкость увеличивается при увеличении площади или диэлектрической проницаемости, а емкость уменьшается на при увеличении расстояния.

В типичных емкостных измерениях зонд или датчик является одним из проводящих объектов; целевой объект — другой. (Использование емкостных датчиков для обнаружения пластмасс и других изоляторов обсуждается в разделе, посвященном непроводящим целям.) Размеры датчика и цели предполагаются постоянными, 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 заданной 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 точно на 1,0 В. При этой калибровке изменение выходного сигнала на +2 В означает, что цель переместилась на 200 мкм ближе к датчику.

Фокусировка электрического поля

Когда к проводнику прикладывается напряжение, электрическое поле исходит от каждой поверхности.В емкостном датчике чувствительное напряжение прикладывается к чувствительной области зонда (рис. 4, 5).

Для точных измерений электрическое поле из области измерения должно удерживаться в пространстве между зондом и целью. Если электрическому полю разрешено распространяться на другие объекты или другие области на цели, то изменение положения другого объекта будет измеряться как изменение положения цели.

Для предотвращения этого используется техника, называемая «охрана».Чтобы создать защиту, задняя и боковые стороны чувствительной области окружены другим проводником, который находится под тем же напряжением, что и сама чувствительная область (рис. 4, 6).

Когда напряжение подается на чувствительную область, отдельная цепь прикладывает точно такое же напряжение к ограждению. Поскольку нет разницы в напряжении между чувствительной областью и защитой, между ними нет электрического поля. Любые другие проводники, расположенные рядом с датчиком или за ним, образуют электрическое поле с защитой, а не с зоной измерения.Только неохраняемая передняя часть зоны обнаружения может образовывать электрическое поле с целью.

Рисунок 4 Компоненты емкостного датчика

Рис. 5 Вид в разрезе, показывающий электрическое поле неохраняемой зоны зондирования

Рисунок 6 Вырез, показывающий защитное поле, формирующее электрическое поле чувствительной области

Влияние размера объекта

Целевой размер является основным фактором при выборе датчика для конкретного приложения.Когда чувствительное электрическое поле фокусируется защитой, оно создает слегка коническое поле, которое является проекцией чувствительной области. Минимальный диаметр цели для стандартной калибровки составляет 130% диаметра чувствительной области. Чем дальше зонд находится от цели, тем больше минимальный размер цели.

Диапазон измерения

Диапазон, в котором полезен зонд, зависит от размера чувствительной области. Чем больше площадь, тем больше диапазон.Электроника драйвера рассчитана на определенную емкость датчика. Следовательно, зонд меньшего размера должен быть значительно ближе к цели, чтобы достичь желаемой емкости. Электроника регулируется во время калибровки, но диапазон регулировки ограничен.
Как правило, максимальный зазор, при котором может использоваться зонд, составляет примерно 40% диаметра чувствительной области. При стандартной калибровке зазор обычно значительно меньше.

Многоканальное считывание

Часто цель измеряется одновременно несколькими датчиками.Поскольку система измеряет изменяющееся электрическое поле, напряжение возбуждения для каждого зонда должно быть синхронизировано, иначе зонды будут мешать друг другу. Если бы они не были синхронизированы, один зонд пытался бы увеличить электрическое поле, а другой пытался бы уменьшить его, давая ложные показания.

Электроника драйвера может быть настроена как ведущая или ведомая. Мастер устанавливает синхронизацию для ведомых устройств в многоканальных системах.

Влияние материала мишени

Чувствительное электрическое поле ищет проводящую поверхность.При условии, что цель является проводником, на емкостные датчики не влияет конкретный целевой материал. Поскольку электрическое поле измерения останавливается на поверхности проводника, толщина цели не влияет на измерения. .

Измерение непроводников

Рис. 7
Непроводники можно измерить, пропустив через них электрическое поле к неподвижной проводящей цели позади.

Емкостные датчики чаще всего используются для измерения изменения положения проводящей цели.Но емкостные датчики также могут быть эффективными при измерении присутствия, плотности, толщины и местоположения непроводников. Непроводящие материалы, такие как пластик, имеют диэлектрическую проницаемость, отличную от диэлектрической проницаемости воздуха. Диэлектрическая постоянная определяет, как непроводящий материал влияет на емкость между двумя проводниками. Когда между зондом и неподвижной эталонной целью вставляется непроводящий провод, чувствительное поле проходит через материал к заземленной цели (рис. 7). Присутствие непроводящего материала изменяет диэлектрик и, следовательно, изменяет емкость.Емкость будет меняться в зависимости от толщины или плотности материала.

Повышение точности

Теперь, когда мы обсудили основы того, как работает емкостное зондирование, мы можем разработать стратегии для максимизации эффективности и минимизации ошибок при использовании емкостных датчиков. Точность требует, чтобы измерения проводились в тех же условиях, в которых был откалиброван датчик. Независимо от того, откалиброван ли это датчик на заводе или датчик, откалиброванный во время использования, повторяемость результатов зависит от повторяющихся условий.Если мы хотим, чтобы на измерение влияло только расстояние, тогда все другие переменные должны быть постоянными. В следующих разделах обсуждаются распространенные источники ошибок и способы их минимизации.

Повышение точности: размер цели

Рис. 9
Цель заниженного размера приводит к тому, что поле считывания распространяется по сторонам цели, что приводит к ошибке

Если не указано иное, заводские калибровки выполняются с плоской проводящей мишенью, размер которой значительно превышает площадь измерения.Датчик, откалиброванный таким образом, даст точные результаты при измерении плоской цели, размер которой более чем на 30% превышает размер чувствительной области. Если целевая область слишком мала, электрическое поле начнет охватывать стороны цели, что означает, что электрическое поле распространяется дальше, чем это было при калибровке, и будет измерять цель как можно дальше (рис. 9). В этом случае датчик должен быть ближе к цели для той же нулевой точки. Поскольку это расстояние отличается от исходной калибровки, будет внесена ошибка.Ошибка возникает также из-за того, что зонд больше не измеряет плоскую поверхность.

Если расстояние между зондом и целью считается осью Z, то дополнительная проблема малоразмерной цели заключается в том, что датчик становится чувствительным к местоположению зонда по осям X и Y. Без изменения зазора выходной сигнал значительно изменится, если зонд перемещается либо по оси X, либо по оси Y, потому что меньшее электрическое поле идет к центру цели, а больше — по сторонам.

Повышение точности: форма цели

Рис. 10 Изогнутая цель требует, чтобы зонд был ближе, и это повлияет на чувствительность

Форма также важна. Поскольку датчики откалиброваны для плоской цели, измерение цели с изогнутой поверхностью вызовет ошибки (рис. 10). Поскольку зонд будет измерять среднее расстояние до цели, зазор при нулевом напряжении будет отличаться от того, когда система была откалибрована. Также будут внесены ошибки из-за различного поведения электрического поля с искривленной поверхностью.В случаях, когда необходимо измерить неплоскую цель, система может быть откалибрована на заводе для получения окончательной формы цели. В качестве альтернативы, когда используются плоские калибровки с изогнутыми поверхностями, могут быть предусмотрены множители для корректировки значения измерения.

Повышение точности: чистота поверхности

Когда целевая поверхность не идеально гладкая, система будет усреднять по площади, покрытой размером пятна датчика. Значение измерения может изменяться при перемещении зонда по поверхности из-за изменения среднего положения поверхности.Величина этой ошибки зависит от характера и симметрии неровностей поверхности.

Максимальная точность: параллельность

При калибровке поверхность датчика параллельна целевой поверхности. Если зонд или цель наклоняются на значительную величину, форма пятна, в котором поле попадает в цель, удлиняется и изменяет взаимодействие поля с целью. Из-за различного поведения электрического поля будут внесены ошибки измерения.При высоких разрешениях даже несколько градусов могут привести к ошибке. При проектировании приспособления для измерения необходимо учитывать параллельность.

Повышение точности: окружающая среда

Системы емкостных датчиков

Lion Precision имеют компенсацию для минимизации дрейфа из-за температуры от 22 ° C до 35 ° C (72 ° F — 95 ° F). В этом диапазоне температур погрешность составляет менее 0,5% от полной шкалы.

Более неприятная проблема заключается в том, что практически все материалы, используемые в мишенях и приспособлениях, демонстрируют значительное расширение и сжатие в этом диапазоне температур.Когда это происходит, изменения измерения, связанные с температурой, не являются ошибкой датчика. Это реальные изменения зазора между целью и зондом. Тщательная конструкция приспособлений имеет большое значение для минимизации этой ошибки и повышения точности.

На диэлектрическую проницаемость воздуха влияет влажность. С увеличением влажности увеличивается диэлектрическая проницаемость. Влажность также может взаимодействовать с материалами конструкции зонда. Экспериментальные данные показывают, что изменение от 50% до 80% может вызвать ошибки до 0.5% от полной шкалы.

В то время как материалы зонда Lion Precision выбраны для минимизации этих ошибок, в приложениях, требующих максимальной точности, контроль температуры и влажности является стандартной практикой. Международные стандарты указывают, что измерения должны проводиться при 20 ° C или с поправкой на «истинную длину» при 20 ° C.

Заводская калибровка

Система калибровки емкостного датчика

Lion Precision была разработана в сотрудничестве с Professional Instruments, мировым лидером в производстве шпинделей и ползунов с воздушными подшипниками.Его современная конструкция обеспечивается прецизионной электроникой управления движением с погрешностью менее 0,012 мкм.
Система калибровки регулярно сертифицируется с помощью прослеживаемого лазерного интерферометра NIST. Измерительное оборудование, используемое во время калибровки (цифровые измерители и генераторы сигналов), также калибруется по прослеживаемым стандартам NIST. Информация о калибровке для каждого из этих единиц оборудования хранится в файле для проверки прослеживаемости.

Технические специалисты используют систему калибровки для точного позиционирования объекта калибровки на известном расстоянии от емкостного датчика.Измерения в этих точках собираются, а чувствительность и линейность анализируются системой калибровки. Анализ данных используется для настройки калибруемой системы в соответствии со спецификациями заказа.

После калибровки чувствительности и линейности системы емкостных датчиков помещают в камеру окружающей среды, где калибруется схема температурной компенсации для минимизации дрейфа в диапазоне температур от 22 ° C до 35 ° C. Также проводятся измерения полосы пропускания и выходного шума, которые влияют на разрешение.

По завершении калибровки создается сертификат калибровки. Этот сертификат поставляется с заказанной системой и заархивирован. Сертификаты калибровки соответствуют разделу 4.8 ISO 10012-1.

Чувствительность

Чувствительность — наклон линии — это чувствительность; в данном случае 1 В / 0,05 мм.

Чувствительность показывает, насколько изменяется выходное напряжение в результате изменения зазора между целью и емкостным датчиком.Обычная чувствительность составляет 1 В / 0,1 мм. Это означает, что на каждые 0,1 мм изменения зазора выходное напряжение будет изменяться на 1 В. Когда выходное напряжение отображается в зависимости от размера зазора, наклон линии представляет собой чувствительность.

Ошибка чувствительности

Ошибка чувствительности. Наклон фактических измерений отклоняется от идеального.

Чувствительность датчика устанавливается при калибровке. Когда чувствительность отклоняется от идеального значения, это называется ошибкой чувствительности, ошибкой усиления или ошибкой масштабирования.Поскольку чувствительность — это наклон линии, ошибка чувствительности обычно выражается в процентах от наклона; сравнение идеального уклона с фактическим уклоном.

Ошибка смещения

Ошибка смещения возникает при добавлении постоянного значения к

Ошибка смещения — ко всем измерениям добавляется постоянное значение.

выходное напряжение системы. Системы емкостных датчиков обычно «обнуляются» во время настройки, что устраняет любые отклонения смещения от исходной калибровки.Однако, если ошибка смещения изменится после обнуления системы, ошибка будет внесена в измерение. Изменение температуры является основным фактором ошибки смещения. В системах Lion Precision предусмотрена компенсация погрешностей смещения, связанных с температурой, чтобы они не превышали 0,04% F.S. / ° C.

Ошибка линейности

Ошибка линейности — данные измерения не на прямой линии.

Чувствительность может незначительно отличаться между любыми двумя точками данных. Это изменение называется ошибкой линейности.Спецификация линейности — это измерение того, насколько выходной сигнал отличается от прямой линии.

Для расчета погрешности линейности данные калибровки сравниваются с прямой линией, которая наилучшим образом соответствует точкам. Эта прямая контрольная линия рассчитывается на основе данных калибровки с использованием метода, называемого подгонкой по методу наименьших квадратов. Величина ошибки в точке калибровочной кривой, наиболее удаленной от этой идеальной линии, является ошибкой линейности. Ошибка линейности обычно выражается в процентах от полной шкалы.Если ошибка в наихудшей точке составляла 0,001 мм, а полный диапазон калибровки составлял 1 мм, ошибка линейности составила бы 0,1%.
Обратите внимание, что ошибка линейности не учитывает ошибки чувствительности. Это всего лишь мера прямолинейности линии, а не ее наклон. Система с грубыми ошибками чувствительности может быть очень линейной.

Диапазон ошибок

Диапазон ошибок учитывает комбинацию ошибок линейности и чувствительности. Это измерение абсолютной погрешности наихудшего случая в калиброванном диапазоне.Полоса ошибок рассчитывается путем сравнения выходных напряжений в определенных зазорах с их ожидаемым значением. Наихудшая ошибка из этого сравнения указывается как диапазон ошибок системы.

Зазор (мм)	Ожидаемое Значение (В постоянного тока)	Фактическое Значение (В постоянного тока)	Ошибка (мм)
0.50	-10,000	-9,800	-0,010
0,75	-5,000	-4,900	-0,005
1,00	0,000	0,000	0,000
1,25	5.000	5.000	0,000
1,50	10.000	10,100	0,005

Диапазон ошибок — наихудший случай отклонения измеренных значений от ожидаемых значений в калибровочной таблице.В этом случае полоса погрешности составляет -0,010 мм.

Пропускная способность

Полоса пропускания определяется как частота, при которой выходной сигнал падает до -3 дБ. Эта частота также называется частотой среза. Падение уровня сигнала на -3 дБ соответствует примерно 70% падению фактического выходного напряжения. При полосе пропускания 15 кГц изменение ± 1 В на низкой частоте приведет только к изменению ± 0,7 В на 15 кГц. В дополнение к обнаружению высокочастотного движения быстродействующие выходы максимизируют запас по фазе при использовании в системах обратной связи сервоуправления.Некоторые драйверы предоставляют возможность выбора полосы пропускания для максимального увеличения разрешения или времени отклика.

Разрешение

Рисунок 14
Шум от датчика 15 кГц

Разрешение определяется как наименьшее надежное измерение, которое может выполнить система. Разрешающая способность измерительной системы должна быть лучше, чем конечная точность, требуемая для измерения. Если вам нужно знать размер в пределах 0,02 мкм, то разрешение системы измерения должно быть лучше 0.02 мкм.
Основным определяющим фактором разрешения являются электрические помехи. Электрический шум появляется в выходном напряжении, вызывая небольшие мгновенные ошибки на выходе. Даже когда зазор между зондом и мишенью совершенно постоянен, выходное напряжение драйвера имеет небольшой, но измеримый шум, который, казалось бы, указывает на то, что зазор изменяется. Этот шум присущ электронным компонентам, и его можно только минимизировать, но никогда не устранить.
Если драйвер имеет выходной шум 0.002V с чувствительностью 10 В / 1 мм, тогда он имеет выходной шум 0,000,2 мм (0,2 мкм). Это означает, что в любой момент на выходе может быть ошибка 0,2 мкм.

Рисунок 15
Шум от датчика 100 Гц

Количество шума на выходе напрямую связано с полосой пропускания. Вообще говоря, шум равномерно распределяется в широком диапазоне частот. Если перед выходом фильтруются более высокие частоты, в результате получается меньше шума и лучшее разрешение (рис.14, 15). При изучении характеристик разрешения важно знать, к какой полосе пропускания применяются спецификации. Ознакомьтесь с нашей полной статьей о взаимосвязи между разрешением и пропускной способностью и о том, как быть уверенным, что вы получаете точную информацию из таблиц.

Что такое емкостное зондирование — неизолированный провод

В Bare Conductive мы сосредоточены на создании масштабируемых интеллектуальных поверхностей, и емкостное зондирование является фундаментальной частью этого видения. Начиная с нашей Electric Paint, компания Bare Conductive создала инструменты, которые упрощают создание прототипов умных поверхностей.С самого начала наши клиенты использовали Electric Paint для создания емкостных датчиков на разнообразных поверхностях для столь же разнообразного набора сценариев использования. Наша сенсорная плата, колпачок для Pi и плата с подсветкой используют емкостное зондирование, чтобы превратить подушку Electric Paint в мощный датчик. Эта функциональность не ограничивается прототипированием, динамически функциональные поверхности Bare Conductive используют емкостное зондирование для создания решений для OEM-партнеров в области интеллектуальных зданий и автомобилей. Учитывая наше глубокое понимание этой технологии, мы подумали, что было бы полезно обсудить емкостное зондирование более подробно, чтобы дать вам больше информации о наших продуктах и ​​о роли, которую емкостное зондирование играет в нашей повседневной жизни.

Емкостное считывание — это технология, которую можно рассматривать как замену механических кнопок, и это широко распространенная технология, например, каждый смартфон использует емкостное считывание на экране, чтобы сделать его сенсорным. Несмотря на то, что существуют разные способы достижения емкостного зондирования, принципы аналогичны, и с емкостным датчиком пользователь может определять касание или приближение.

Наша технология и наши продукты, включая сенсорную плату, колпачок для Pi и Light Up Board, используют эту же технологию.Вместе с Electric Paint он позволяет пользователям создавать различные интерфейсы, датчики присутствия или детекторы жидкости. Но что такое емкостное зондирование?

Как работают емкостные датчики?

Сначала давайте обсудим, что такое конденсатор. В электрической цепи есть три основных компонента: резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности. Резистор — это пассивный элемент, рассеивающий энергию. Однако индукторы и конденсаторы являются активными элементами, они накапливают энергию, и именно конденсаторы позволяют проводить емкостные измерения.И наоборот, вы можете проводить индуктивные измерения с помощью индукторов.

Конденсатор в своей простейшей форме представляет собой две проводящие пластины, разделенные диэлектрической средой, которая может быть воздухом, но в большинстве случаев — фарфором, стеклом или пластиком. Когда на конденсатор подается напряжение, они накапливают заряд, и на диэлектрике образуется электрическое поле. Конденсаторы могут использоваться для сглаживания выходного напряжения источника питания или для фильтрации при обработке сигналов. Количество заряда, который может хранить конденсатор, зависит от его емкости, а емкость конденсатора зависит от площади и расстояния пластины, а также от диэлектрической проницаемости.Емкостное зондирование, в свою очередь, определяет изменение емкости. Индуктивный датчик аналогичен емкостному датчику, но использует индуктивность датчика для обнаружения или измерения объектов.

Таким образом, емкостный датчик касания — это датчик, который использует изменение емкости для определения прикосновения или присутствия сыпучих материалов или жидкостей. Емкостные датчики приближения работают так же, как и емкостные сенсоры касания, за исключением того, что они более чувствительны. Есть два распространенных способа измерения емкости. Один из них — это собственная емкость, и мы используем это измерение с помощью нашей технологии.На наших платах есть несколько электродов, которые используются для емкостного измерения. Вы можете представить их как одну пластину конденсатора с параллельными пластинами. Другая плита — это поверхность земли — очень большая, но довольно далеко. Когда вы приближаете часть своего тела к одному из этих электродов, эта часть тела действует как другая пластина конденсатора. Он берет верх с земли, поскольку часть тела находится намного ближе и поэтому имеет больший эффект, и это увеличивает емкость, измеренную на этом электроде.Это датчик приближения, и это изменение регистрируется платой. Если вы поднесете руку так близко, что действительно коснетесь электрода, эффект будет даже больше, чем если бы вы просто приблизились к нему. Если вы посмотрите на выходной сигнал этого электрода на нашем графере, вы заметите, что линия идет вниз, а не вверх — это потому, что микросхема, которая измеряет емкость на наших платах, имеет выходной сигнал, который обратно пропорционален емкости — если емкость падает. вверх, выходной сигнал падает. Каждый электрод наших плат действует как емкостный датчик касания или как емкостной датчик приближения.Этот метод емкостного измерения называется собственной емкостью, и каждый электрод работает независимо. Здесь емкость измеряется относительно земли.

Другой метод — взаимное емкостное зондирование, которое используется в сенсорных экранах смартфонов. При взаимном емкостном считывании две решетки конденсаторов накладываются друг на друга. Вместо двух емкостных пластин, которые не обращены друг к другу, пластины лежат рядом друг с другом. Когда подается напряжение, у вас есть сетка пластин конденсатора, которые создают электрическое поле между ними.Когда вы приближаетесь к ним пальцем, изменяется характеристика поля, и это изменение регистрируется как прикосновение. Этот метод емкостного считывания позволяет обнаруживать более одного емкостного касания, а вместо этого может обнаруживать несколько касаний.

Еще одним важным типом емкостных датчиков является емкостный датчик перемещения. Они в основном используются в производстве и используются для измерения расстояний и любого смещения. В емкостном датчике смещения у вас есть одна часть конденсатора цилиндрической формы, которая образует первую пластину вашего конденсатора.Другая пластина состоит из измеряемой площади. Поскольку площадь и диэлектрическая проницаемость датчика остаются постоянными, расстояние можно измерить, обнаружив изменения емкости, позволяющие определить положение объекта.

Благодаря емкостному зондированию пользователь может обнаруживать и измерять прикосновение или приближение, наличие сыпучих материалов или уровней жидкости и многое другое. Вы можете использовать емкостный датчик для создания сенсорных интерфейсов, таких как сенсорный экран на смартфоне, или в качестве датчика приближения, где вы можете создать переключатель, наведя руку на датчик.

Преимущества емкостного зондирования

Емкостные датчики используются для обнаружения различных объектов, от непроводящего и проводящего материала до крошечных объектов, таких как насекомые, и более крупных, таких как человек. Использование измерения емкости дает много преимуществ по сравнению с другими технологиями измерения. Мы используем эти функции в нашей технологии для обнаружения активных взаимодействий, таких как прикосновения и движения рук, для создания интерфейсов, а также пассивных, например, датчиков присутствия. Еще одно преимущество емкостных датчиков заключается в том, что они могут обнаруживать твердые материалы или жидкости.Возможно, вы видели это, когда на сенсорном экране вашего смартфона появлялись капли, и он перестает отвечать. Мы используем эту мощь в другом приложении, потому что мы используем нашу технологию емкостного зондирования для создания датчиков уровня жидкости, таких как детектор утечки.

Вы можете не только обнаружить емкостное прикосновение с помощью емкостного датчика, но и использовать его в качестве датчика приближения. Это можно использовать двумя способами. Во-первых, вы можете создать емкостной датчик и использовать его как выключатель света. Но вместо того, чтобы прикасаться к датчику, вы можете подойти к датчику рукой, чтобы включить свет.Во-вторых, вы можете встроить датчики в другой материал, например пластик. Затем вы можете прикоснуться к пластиковой поверхности, чтобы вызвать событие. Это может показаться другим сенсорным датчиком, но это емкостной датчик приближения, даже если вы касаетесь пластика. Таким образом, емкостные датчики можно встроить и спрятать в окружающей среде, а эти интерфейсы можно легко очистить или спрятать даже под полом в комнате.

Емкостные датчики не ограничиваются двоичными значениями и действуют как переключатели.Их также можно использовать для создания переключателя, где можно регулировать яркость, приближая датчик рукой или телом. Действительно, это то, что у нас есть в качестве примера с нашим комплектом электрических ламп для окраски, где одна лампа использует электрод платы для определения приближения.

Наконец, емкостные датчики, по сравнению с другими сенсорными технологиями, дешевле в изготовлении, при этом сохраняя высокое разрешение и легко регулируемые. Использование наших печатных датчиков в сочетании с емкостным сенсорным датчиком на наших платах — это лишь один пример того, как вы можете объединить две технологии для создания эффективного датчика приближения и касания с высоким разрешением.

Последнее преимущество, перечисленное выше, также является одним из основных недостатков емкостного измерения: высокий уровень точности означает, что датчики легко подвержены влиянию шума, такого как изменение влажности или изменение среды измерения. Вот почему в некоторых приложениях лучше использовать индуктивный датчик вместо емкостного. Кроме того, также необходимо учитывать паразитную емкость, которая представляет собой любую нежелательную емкость, которая может возникнуть в цепи. Эти недостатки необходимо учитывать при работе с емкостными датчиками.Вот почему, например, мы включаем экранированные кабели в наш интерактивный настенный комплект, так как он снижает шумовые помехи.

Как использовать емкостное зондирование

Емкостное зондирование отлично подходит для создания сенсорных интерфейсов, интерфейсов приближения, датчиков движения, силы и ускорения или для использования в качестве датчиков уровня жидкости и влажности. В зависимости от вашего приложения реализация емкостного считывания может варьироваться от простой реализации до более сложной технологии.

С нашими платами, например Touch Board, Pi Cap и Light Up Board, очень легко создать емкостной сенсорный датчик.Каждая плата имеет по крайней мере 6 электродов, которые действуют как датчики, и их можно удлинить с помощью проводящего материала, такого как электрическая краска, тем самым увеличивая или расширяя зону восприятия. Тогда каждый электрод может действовать как датчик касания или приближения.

Физика электрода и датчика следующая: когда на одну из плат подается питание, на каждый датчик подается напряжение. Это создает электрическое поле вокруг каждого емкостного датчика относительно земли. Когда вы касаетесь датчика пальцем, вы изменяете электрическое поле и, следовательно, емкость датчика.Это изменение, которое обнаруживается и интерпретируется как прикосновение. Изменяя настройки, можно обнаруживать меньшие изменения электрического поля и интерпретировать их как приближение пальцем, тем самым создавая датчик приближения. Этот метод емкостного измерения называется собственной емкостью.

На сенсорном экране вашего устройства он очень похож. Но вместо того, чтобы каждый конденсатор был привязан к земле, существует целый ряд конденсаторов, которые связаны друг с другом посредством емкостной связи.Связь между каждым крошечным конденсатором характеризуется взаимной емкостью. Когда пользователь касается экрана, они снова меняют электрическое поле конденсаторов и меняют взаимную емкость.

Использование емкостного зондирования дает ряд преимуществ, таких как возможность спрятать датчик за материалами, которые легко чистить, или использовать их в качестве датчика приближения. С нашим набором Touch Board Pro Kit легко создать прототип емкостного датчика приближения и использовать его в качестве переключателя света, когда вы просто наводите руку на датчик, чтобы включить свет.

Там, где сегодня используется емкостное зондирование.

Емкостное зондирование можно использовать во многих областях. Самый распространенный — использовать его с сенсорным экраном. Гибкость и низкая стоимость создания емкостных датчиков с использованием оксида индия и олова, который является почти прозрачным проводником, — вот что делает смартфоны такими волшебными: пользователь прикасается к куску стекла, чтобы взаимодействовать со своим устройством.

Мы используем емкостное зондирование по-другому. С нашими досками, например Touch Board, Pi Cap или Light Up Board, многие из нашего сообщества используют сенсорную технологию для создания простых, но суперэффективных интерфейсов.Будь то массивная интерактивная фреска для проекционного мэппинга или сенсорная кнопка в лампе. Мы разработали наши доски с расчетом на электрическую краску. Преимущество Electric Paint заключается в том, что он дает пользователю большую гибкость и творческий подход. Вы можете нарисовать нужную форму для творческих целей или напечатать датчик на бумаге или другом носителе, чтобы встроить датчик в вашу среду. Сочетание нашей электрокрасочной краски и емкостной сенсорной технологии позволяет превратить любую поверхность и объект в датчик.Вы можете покрасить стену краской или встроить сенсорную подушку с краской за поверхность стола, а затем прикрепить краску с помощью сенсорного электрода. Тогда стена станет емкостным сенсором прикосновения, на столе появится емкостной датчик приближения, а мы превратили обычные объекты в умные поверхности.

Интерфейс является активным элементом конструкции, но вы также можете использовать емкостное зондирование как более пассивный элемент. Датчик присутствия — один из примеров. Эти датчики присутствия могут использоваться в различных областях, будь то простой датчик присутствия в кресле, определяющий, использует ли кто-то кресло или сидит правильно, или встраивание датчика присутствия под полом.Затем датчик пола можно использовать в коммерческой среде, чтобы узнать, сколько клиентов находится в магазине, или в сфере здравоохранения, где вы можете определить, упал ли кто-то.

Если вы хотите изучить емкостное зондирование в своих приложениях, наши комплекты для разработки и оборудование станут простой отправной точкой для создания прототипов интеллектуальных поверхностей.