سنسور خازنی سنسورهای بدون تماس و بدون کنتاکت الکتریکی هستند که در مقابل فلزات و اغلب غیر فلزات عمل می‌نمایند. این سنسورها برای کنترل سطوح در مخازنی که از مواد پودری، مایع و با دانه دانه پر شده اند مناسب می‌باشند. همچنین از آنها می‌توان به عنوان مولد پالس به منظور کنترل وضعیت برنامه ماشین آلات برای شمارنده‌ها و آشکارسازی تقریباً تمام مواد فلزی و غیر فلزی استفاده کرد. سنسورهای خازنی سنسورهای بدون تماس و بدون کنتاکت الکتریکی هستند که در مقابل فلزات و اغلب غیر فلزات عمل می نمایند.
این سنسورها برای کنترل سطوح در مخازنی که از مواد پودری، مایع و یا دانه دانه پر شده اند مناسب هستند. سنسورهای مجاورتی خازنی بیشتر برای تشخیص مواد غیر فلزی مانند شیشه، چوب، پلاستیک و … استفاده می شوند و برای آشکارسازی اجسام فلزی بیشتر سنسورهای القایی به کار می روند. همچنین از آنها می توان به عنوان مولد پالس به منظور کنترل وضعیت برنامه ماشین آلات، برای شمارنده ها و آشکارسازی تقریبا تمام مواد فلزی و غیرفلزی استفاده کرد.
سنسور خازنی از چهار قسمت اصلی ساخته شده است:
بدنه سنسور
بدنه‌ی سنسور محفظه‌ای است که مدار اصلی سنسور را در خود جای میدهد. مدار اصلی سنسور شامل صفحه‌ی دی‌الکتریک، اسیلاتور، آشکارساز و قسمت خروجی است.
صفحه سنسور
صفحه‌ی سنسور که برای آشکارسازی اهداف استفاده می‌شود.
چراغ نشان گر
چراغ نشانگر در انتهای دیگر سنسور از سمت صفحه‌ی سنسور قرار دارد. این چراغ زمانی روشن می‌شود که هدفی در محدوده سنسور باشد و در غیر این صورت خاموش می‌شود.
کابل اتصال
کابل اتصال که در انتهایی‌ترین قسمت سنسور قرار دارد. این کابل در سنسورهای چهارسیمه شامل چهار سیم به رنگ‌های قهوه‌ای، آبی، سفید و سیاه است. سیم قهوه‌ای رنگ به ولتاژ ۲۴+ ولت و سیم آبی به ۲۴- ولت وصل می‌شود. سیم سفید، سیم معمولا بسته (Normally closed) خروجی است. سنسور در زمانی که شئ تشخیص داده نشده از طریق سیم سفید سیگنال ارسال می‌کند. سیم سیاه، سیم معمولا باز (Normally open) است که سیگنال تشخیص شئ از طریق آن ارسال می‌شود.
اساس کار و ساختار سنسور خازنی
ساختمان این سنسورها از چهار قسمت تشکیل شده است:
– آمپلی فایر
– اشمیت تریکر
– دمدو لاتور
– اسیلاتور
قسمت اساسی اسیلاتور از دو قطعه فلزی تشکیل شده، وضعیت قرارگیری این قطعات فلزی نسبت به هم طوری است که باعث ایجاد یک ظرفیت خازنی می شود.
هرچه ثابت دی الکتریک قطعه مورد نظر بزرگ تر باشد شناسایی آن توسط سنسور راحت تر صورت می گیرد. هوا با دی الکتریک ۱ به عنوان مقدار مبنا قرار می گیرد. قطعات با دی الکتریک بزرگتر از ۲ توسط سنسور خازنی اشنایدر الکتریک تشخیص داده می شوند. هم چنین هر چه اندازه قطعه بزرگ تر باشد تشخیص آن توسط سنسور راحت تر است.
در صورت عدم حضور قطعه در مقابل سنسور خازنی، به دلیل وجود هوا در بین صفحات خازن دی الکتریک آن برابر با ۱ است و ظرفیت خازنی کم است. در نتیجه اسیلاتور عمل نمی کند و خروجی سنسور خاموش خواهد بود.
هرگاه قطعه ای با ضریب الکتریکی E به صفحه حساس نزدیک گردد، باعث تغییر ظرفیت خازنی بین صفحات می شود (C1>C0). این تغییرات باعث تغییر دامنه خروجی اسیلاتور می شود.
دمولاتور دامنه اسیلاتور را آشکار می کند و این مقدار را با سطح مرجع مقایسه می نماید. هرگاه دامنه این مقدار از دامنه مرجع بیشتر باشد، خروجی سنسور تحریک می شود. آمپلی فایر خروجی وظیفه تأمین جریان بار را بر عهده دارد.
انواع سنسور خازنی
سنسورها را از دو منظر می‌توان دسته‌بندی کرد: ۱. از منظر ویژگی‌های فیزیکی و ۲. از منظر نوع اتصالات
سنسورهای خازنی را بر اساس ویژگی‌های فیزیکی می‌توان به چهار دسته‌ی زیر تقسیم کرد
سنسور خازنی مینیاتوری
سنسورهای خازنی مینیاتوری می‌توانند به شکل استوانه ای یا مکعبی باشند تا بتوانند در فشرده‌ترین فضاها فعالیت کنند. این نوع سنسورها کاربردهای متعددی دارند، از جمله کنترل و نظارت بر فرآیند ماشین.
سنسور خازنی استوانه ای یا سیلندری
این نوع سنسورهای خازنی بزرگتر از مینیاتوری‌ها هستند و فاصله عملکرد قابل تنظیم دارند.
سنسورخازنی دما بالا
سنسورهای خازنی دما بالا، راه‌حلی هستند برای برنامه‌هایی که تحت درجه حرارت شدید قرار می‌گیرند. این سنسورها می‌توانند حتی در تماس مستقیم با مواد داغ عمل کرده و سطح مایعات و کالاهای فله را در شدیدترین شرایط دمایی تشخیص دهند.
سنسور خازنی آنالوگ
سنسور آنالوگ در خروجی خود سیگنالی آنالوگ تولید می‌کند و بسته به نحوه استفاده از آن می‌تواند چندین مزیت داشته باشد. به عنوان مثال، سنسورهای آنالوگ برای انتخاب مواد، نظارت بر ضخامت و نظارت بر انحراف غلظت عالی هستند.
سنسورها از منظر نوع اتصالات به چهار دسته‌ی زیر تقسیم می‌شوند
دو سیمه AC
در دو نوع Normally Open (NO) و Normally close (NC) ساخته می شوند. این نوع سنسورها فقط دو حالت دارند یا باز و یا بسته، به همین دلیل دو سیم در آنها به کار رفته است.
سه سیمه DC
در دو نوع NPN و PNP وجود دارد. این نوع سنسورها سه حالت دارند یا باز و یا بسته، و نیز یک حد وسط در این نوع سنسورها وجود دارد.
یک مورد از استفاده این سنسورها در فشار سنج ها است. این نوع سنسور می تواند نشان دهد که در حال حاضر فشار کم است یا فشار زیاد است و با حالت سوم فشار به حالت تعادل رسیده است.
چهار سیمه DC
و در دو نوع NPN و PNP و به دو صورت Normally Open (NO) و Normally close (NC) ساخته می شوند.
عملکرد این نوع سنسورها مانند کلیدهای مرکب است، که با بسته شدن یک کنتاکت آن، فرمان باز شدن کنتاکت دیگر را میدهد.
کاربرد انواع سنسور خازنی
کنترل فاصله هد از سطح
در سیستم کنترل یک هد که می‌بایست با فاصله معینی روی یک سطح با سرعت و دقت بالا در حرکت باشد، نیاز به یک سنسور با حساسیت و پهنای باند بالا می‌باشد که بتواند تغییرات موقعیت هد را به سرعت و با دقت حس کند. یکی از انواع سنسورها که امروزه به طور متداول برای این کار مورد استفاده قرار می‌گیرند، سنسور خازنی می‌باشند که حساسیت و پهنای باند بالایی دارند. به عنوان مثال برای کنترل موقعیت یا فاصله هد هارد دیسک از سطح دیسک یا هد رباتی که برای ساخت برد‌ها و وسایل ظریف الکترونیکی به کار می‌رود، از این نوع سنسورها استفاده می‌شود.
در این کاربردها، یک سنسور را به هد متصل می‌کنند که با تغییر فاصله هد با سطح، ظرفیت خازنی سنسور تغییر می‌کند. در واقع در اینجا probe به عنوان صفحه متغیر خازن به کار می‌رود. با تغییر موقعیت هد، probe نیز جابجا می‌شود و همین باعث تغییر ظرفیت خازن و تغییر ولتاژ خروجی سنسور می‌گردد. البته تصویر فوق زیاد گویا نیست و فقط شماتیک روش را بیان می‌کند.
سیستم وزن کردن در حرکت برای وسایل نقلیه
روش متداول برای وزن کردن وسایل نقلیه، وزن کردن استاتیک می‌باشد که وسیله را روی یک ترازو (کرنش سنج متداول) متوقف می‌کنند؛ این روش دقت زیادی دارد، ولی وزن هر محور را نمی‌توان به طور مجزا تعیین نمود، همچنین در بعضی کاربردها مطلوب نیست که وسیله نقلیه را متوقف کرد. این سیستم با نام (WIM Weigh In Motion) معرفی شده است. یک روش بری اندازه گیری وزن خودرو در حال حرکت، استفاده از سنسور خازنی است که البته با خازنهای معمولی تفاوت دارد. این ساختار نسبت به تداخل الکترومغناطیسی حساسیت کمتری دارد. این روش وزن کردن نسبت به روشهای قبلی خیلی سبک‌تر و راحت‌تر است و نیاز به توقف کامل وسیله نقلیه برای اندازه گیری وزن آن نیست.
اندازه گیری ضخامت مواد عایق
در این روش دو صفحه خازن ثابت هستند و دی الکتریک بین آنها تغییر می‌کند. از آنجایی که تغییر ظرفیت، متناسب با تغییر ضخامت عایق بین صفحات است، از این روش می‌توان برای تعیین ضخامت مواد عایق استفاده کرد. روش فوق فقط برای تعیین ضخامت یک ماده خاص به کار می‌رود و سنسور برای همان ماده کالیبره شده است.
در روش دیگر سنسور نسبت به تغییر جنس ماده عایق بین صفحات واکنش بیشتری نشان میدهد که این روش بیشتر برای کنترل کیفیت مواد ساخته شده به کار می‌رود. در نهایت با توجه به کاربردهای فوق، متداول‌ترین روش استفاده از سنسور خازنی، تغییر فاصله بین صفحات آن می‌باشد که بیشتر برای اندازه گیری نیرو، فشار یا هر تنش دیگری به کار می‌رود. روشهای دیگر بر اساس تغییر سطح مشترک صفحات خازن و یا ماده دی الکتریک بین صفحات به کار می‌روند.
تشخیص پر شدن بطری‌ها
یکی از کاربردهای سنسور خازنی در صنعت تشخیص پر شدن بطری ها از مایع مورد نظر است. به این منظور بطری های برای پر شدن روی نوار نقاله حرکت می کنند. با توجه به شکل زیر، سنسور ۱ برای تشخیص حضور بطری و سنسور ۲ برای تشخیص مایع درون بطری در نظر گرفته شده است. به محض تشخیص حضور بطری در محل در نظر گرفته شده توسط سنسور ۱، عمل پر کردن بطری شروع می شود. در این حالت سنسور ۲ هنوز غیر فعال است. با تشخیص و رسیدن مایع به سطح مورد نظر توسط سنسور ۲، عمل پر کردن بطری متوقف می شود.
مزایای سنسورهای خازنی
– سنسورهای خازنی برای تشخیص طیف وسیعی از اجسام، از مواد غیر رسانا و رسانا، تا اجسام ریز، مانند حشرات و اجسام بزرگتر، مانند انسان استفاده می‌شوند. یکی از مزایای سنسورهای خازنی این است که می‌توانند مواد جامد یا مایعات را تشخیص دهد. بنابراین از فناوری سنسور خازنی می‌توان برای ساخت سنسورهای تشخیص و کنترل سطح سیال، مانند نشت‌یاب، استفاده کرد.
– سنسورهای خازنی در مقایسه با سایر سنسورها وضوح بالایی دارند و به راحتی قابل تنظیم هستند.
– این سنسورها ساده، کوچک و مقرون به صرفه هستند.
معایب سنسورهای خازنی
– یکی از معایب اصلی سنسورهای خازنی این است که به راحتی تحت تأثیر نویز (تغییر رطوبت یا تغییر در محیط سنجش) قرار می‌گیرند. به همین دلیل است که در برخی از کاربردها بهتر است به جای سنسور خازنی از سنسور القایی استفاده شود.
– معمولا این سنسورها محدود به بردهای کوتاه هستند.
– هر خازن ناخواسته‌ای که در یک مدار بوجود آید خازن انگلی نام دارد. یکی‌دیگر از معایب سنسورهای خازنی احتمال وجود خازن انگلی است که می‌تواند عملکرد سنسور را مختل کند.
– سنسورهای خازنی توانایی تشخیص فاصله شئ را ندارند، به همین دلیل ممکن است بین دو شئ که یکی توانایی بیشتری در تغییر ظرفیت خازن دارد اما در فاصله‌ی دورتر قرار گرفته و شئ نزدیک‌تر که کمتر ظرفیت را تحت تاثیر می‌گذارد، تفاوتی قائل نشود.
چنانچه در حوزه کاری خود به مشکلی برخورد کرده‌اید و در جستجوی فرد و یا شرکت‌های توانمند برای حل مشکلتان هستید می توانید با عضویت در سامانه گلوپ و ثبت مشکل خود با این افراد و شرکت ها ارتباط برقرار کنید.
برای مشاهده مطالب بیشتر به گلوپ پلاس مراجعه فرمایید.