در این مقاله در مورد سنسورهای خازنی صحبت می کنیم. ما توضیح می دهیم که سنسور خازنی چیست و چگونه کار می کند. همچنین در مورد ساختار اصلی این سنسورها بحث می کنیم ، در مورد کاربرد های حسگرهای خازنی صحبت خواهیم کرد و انواع آنها را مورد بررسی قرار می دهیم، همچنین به توضیح مزایا و معایب این سنسورها می پردازیم با فرنام الکتریک همراه باشید.
سنسور خازنی چیست؟
سنسور خازنی نوعی حسگر مجاورتی است که اجسام مجاور را از طریق اثر شدت میدان الکتریکی ایجاد شده توسط حسگر تشخیص می دهد. برای شناسایی این اهداف، حسگرهای خازنی یک میدان الکتریکی از انتهای حسگر منتشر می کنند. هر هدفی که بتواند این میدان الکتریکی را مختل کند، توسط یک حسگر خازنی قابل شناسایی است.حسگرهای مجاورتی خازنی دستگاه‌های غیر تماسی هستند که می‌توانند وجود یا عدم حضور تقریباً هر جسمی با هر مواد تشکیل دهنده ای را تشخیص دهند.
سنسورهای خازنی توانایی تشخیص دو دسته هدف را دارند:
- رساناها : شامل فلزات، آب، اسیدها، بازها و خون.
- نارساناها : مثل شیشه، پلاستیک و….
ساختار انواع سنسور خازنی
ساختمان اساسی این سنسورها از چهار قسمت تشکیل شده است:
قسمت اساسی اسیلاتور از دو قطعه فلزی تشکیل شده است. وضعیت قرارگیری این قطعات فلزی نسبت به هم طوری است که باعث ایجاد یک ظرفیت خازنی می‌شود. هرگاه قطعه‌ای با ضریب الکتریکی E. به صفحه حساس نزدیک گردد باعث تغییر ظرفیت خازنی بین صفحات می‌شود. این تغییر ظرفیت خازنی باعث تغییر دامنه خروجی اسیلاتور می‌شود. دمدولاتور دامنه اسیلاتور را آشکار می‌کند و این مقدار را با سطح مرجع مقایسه می‌نماید. هرگاه دامنه این مقدار از دامنه مرجع بیشتر باشد، خروجی سنسور تحریک می‌شود. آمپلی فایر خروجی وظیفه تامین جریان بار را به عهده دارد.
انواع سنسور خازنی
١- 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.
۲- 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.
۳- دو سیمه NAMOR
۴- 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.
ساختار سنسور خازنی
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.
نحوه ی عملکرد سنسور خازنی
سنسور خازنی مانند یک خازن ساده عمل می‌کند. صفحههای فلزی به عنوان صفحههای خازن به یک اسیلاتور داخلی متصل شده و شئ مورد نظر می‌تواند باعث ایجاد تغییر در ظرفیت خازن شود. با نزدیک شدن شئ به صفحه‌ی سنسور، اسیلاتور نوسانات بیشتری را نشان میدهد تا زمانی که دامنه‌ی این نوسانات به سطح آستانه برسد و خروجی سیگنال تشخیص شئ را ارسال کند.
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.
سیستم وزن کردن در حرکت برای وسایل نقلیه
یک روش برای 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 دیگر خیلی راحتتر است و نیازی 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. این روش فقط برای تعیین ضخامت یک ماده خاص به کار می‌رود و سنسور برای همان ماده کالیبره شده است.
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.
کاربرد سنسور خازنی در تابلو بانک خازنی
سنسورهای خازنی در موارد مختلفی از جمله صنعت کاربرد دارند. برای مثال از آنها در تابلو بانک خازنی نیز استفاده می‌شود. از سنسورهای خازنی به منظور کنترل سطح مخازنی که از مواد پودری، مایع و یا دانه دانه پر می‌شوند، استفاده می‌شود. این سنسورها به منظور کنترل وضعیت برنامه ماشین‌آلاتی که برای شمارنده‌ها و یافتن مواد فلزی و غیرفلزی کاربرد دارند، استفاده می‌شوند.
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.
محاسبه‌ی فاصله‌ی عملکرد یک سنسور خازنی
سنسورهای خازنی دارای روشی برای تعیین حساسیت سنسور برای کاربردهای خاص هستند. برای تشخیص فاصله‌ی عملکرد سنسور تا شئ به صورت زیر عمل می‌کنیم.
- برای تعیین حساسیت یک سنسور خازنی، سنسور را به منبع تغذیه متصل می‌کنیم
- شئ را از محدوده سنسور خارج کرده و سپس آن را به صورت محوری به سمت سنسور حرکت می‌دهیم. به محض فعال شدن خروجی سنسور، فاصله را با میکرومتر اندازه‌گیری می‌کنیم
- فاصله‌ی اندازه‌گیری شده همان فاصله عملکرد سنسور است.
جمع‌بندی:
- اساس کار سنسورهای خازنی بر مبنای تغییر ظرفیت خازن است.
- سنسورهای خازنی توانایی تشخیص انواع اجسام (رسانا و نارسانا) را دارند.
- این نوع از سنسورها برای تشخیص مایع هم قابل استفاده‌اند.
- در کاربردهایی مانند تشخیص سطح مایع، تشخیص پارگی نوار نقاله و … ذر صنعت بسیار پرکاربردند.