انواع مدل سنسور خازنی

سنسورهای خازنی را می توان بر اساس عملکرد و کاربرد مورد نظر به دو دسته تقسیم کرد، سنسورهایی با وضوح بالا که معمولاً در برنامه های جابجایی و نظارت بر موقعیت که در آنها به دقت بالا، پایداری و رانش دمای پایین نیاز است، استفاده می شوند. اغلب این حسگرها در سیستم های کنترل فرآیند و کنترل بازخورد حلقه بسته استفاده می شوند. سنسورهای خازنی نوع Proximity قیمت بسیار کمتری دارند و معمولاً برای تشخیص وجود قطعه یا در کاربردهای شمارش استفاده می گردند.

بررسی نمونه های مختلف سنسورهای خازنی

- سنجش موقعیت

موقعیت عمومی، احتمالاً متداول ترین کاربرد برای حسگرهای خازنی است. خروجی یک سنسور نشان دهنده ظرفیت فاصله تا هدف است. اگر پروب ثابت بماند، هرگونه تغییر ظرفیتی که توسط تقویت کننده تشخیص داده می شود، مستقیماً با موقعیت هدف ارتباط دارد. پاسخ خطی و تغییر فاز خروجی کم در سنسورها، آنها را در حالت ایده آل برای استفاده در برنامه های موقعیت یابی استاتیک و بازخورد مناسب، فعال می کند. سایر کاربردهای معمول سنسورهای خازنی در سنجش موقعیت عبارتند از:

- تمرکز میکروسکوپ

- تراز بندی لنز

- نمایه سازی قسمت

- تجزیه و تحلیل تنش

- اندازه گیری های پویا

سنسورهای غیر تماسی برای اندازه گیری اهداف متحرک ایده آل هستند، زیرا پاسخ فرکانس بالایی دارند و با افزودن جرم، حرکات هدف را خنثی نمی کنند. پهنای باند در سیستم های سنجش خازن معمولی بیش از 20 کیلوهرتز است و آنها را برای برنامه هایی با سرعت بالا آماده می کند و شامل:

- تجزیه و تحلیل دوک اسپیندل

- موقعیت بازخورد پیزوالکتریک

- ارتعاش بوق اولتراسونیک

- تجزیه و تحلیل تنش

- اندازه گیری ضخامت

یک برنامه معمول شامل دو پروب ظرفیت است که در دو طرف ماده، اندازه گیری شده است. تفاوت بین خروجی هر سنسور خارنی به طور مستقیم به ضخامت ماده اندازه گیری شده مربوط می شود. با اندازه گیری دیفرانسیل، هرگونه حرکت موضعی مواد در شکاف پروب لغو می شود.

- اندازه گیری ضخامت معمول با استفاده از پروب های خازنی

این یک تنظیم ضخامت معمولی است که در آن از دو حرف انگلیسی استفاده می شود که A و B نشان دهنده خروجی سنسور است. شکاف بین کاوشگرها برابر با A + B + T است. اندازه گیری ضخامت یک طرفه می تواند با استفاده از سنسورهای خازنی با موفقیت انجام شود. در صورتی که قسمت پشتی ماده مورد اندازه گیری را به یک صفحه ثابت ارجاع دهید، ضخامت محصول به طور مستقیم با فاصله بین پروب و سطح ماده متناسب است. کاربردهای معمول ضخامت در سنسورهای خازنی عبارتند از:

- بررسی بخش های نیمه هادی

- دیسک های درایو و دیسک رایانه

- روتور ترمز

- ورق های فلزی

- بخش های فتوولتائیک

اندازه گیری ضخامت مواد دی الکتریک در سنسورهای خازنی

اگرچه سیستم های MTII در درجه اول برای اندازه گیری غیر تماسی موقعیت، جابجایی و لرزش در  سنسورهای خازنی استفاده می شوند، اما همچنین می توانند برای اندازه گیری ضخامت مواد دی الکتریک هم استفاده شوند. هنگام انجام این نوع اندازه گیری ها، یک شکاف ثابت بین سطح پروب و یک صفحه زمین ایجاد می شود. اگر یک ماده عایق در این شکاف وارد شود، ظرفیت تغییر می کند، حتی اگر فاصله بین سطح پروب و صفحه زمین ثابت بماند. این تغییر متناسب با ضخامت دی الکتریک است و تغییری در ولتاژ خروجی تقویت کننده ایجاد می کند. هنگامی که یک عامل حساسیت زا بر اساس ماده خاصی اندازه گیری می شود، مهم است که نمونه های اندازه گیری شده بعدی دارای ویژگی های دی الکتریک یکسان برای نتایج دقیق باشند. برای تعیین ضخامت دی الکتریک می توان از چندین روش به شرح زیر استفاده کرد:

- روش A

هنگامی که ثابت دی الکتریک دارای ماده قابل اندازه گیری شده است:

اگر یک تقویت کننده و پروب ظرفیت خازنی در هر شکاف هوا در محدوده عملکرد سنسورهای خازنی تنظیم شود، ضریب حساسیت ضخامت، برای ماده ای با ثابت دی الکتریک خاص می تواند به صورت های مختلف بررسی گردد.

- روش B

هنگامی که ثابت دی الکتریک ناشناخته است و نمونه ای از ضخامت مشخص در دسترس نیست:

اگر ثابت دی الکتریک ناشناخته یا نامشخص باشد، می توان با قرار دادن نمونه ای از ماده در شکاف عملیاتی آن را تنظیم کرد و تنظیم پروب تا زمانی که نمونه قابل لمس است، می توان آن را با سیستم خازنی اندازه گیری کرد. این امر تنها با مواد اندازه گیری شده قابل بررسی است و فاصله بین کاوشگر و صفحه زمین را پر می کند. یک ارزیابی از ولتاژ خروجی گرفته می شود و مواد بدون تغییر تنظیمات، با دقت برداشته می شوند. قرائت ولتاژ خروجی بدون اینکه ماده ای در شکاف باشد، دوباره گرفته می شود.

مزایای کلیدی در استفاده از سنسورهای خازنی

- امکان حل اندازه گیری های زیر یک میکرو اینچ، با کسری از هزینه و با استفاده از فناوری هایی با کارایی بالا

- بیشتر آنها دارای طراحی "منفعل" هستند و این امر به آن ها امکان می دهد در محیط های مختلف و در عین حال پایدار استفاده شوند.

- سنسورهای خازنی را می توان به راحتی سفارشی کرد و به آنها اجازه داد تا در انواع برنامه ها یا تنظیمات مختلف سازگار شوند.

- آنها از ترکیب هدف، مصون هستند و برخلاف کاوشگرهای جریان، روی همه اهداف رسانا به همان اندازه کار می کنند.

- آنها در بیشتر موارد از صداهای فراصوت، شرایط روشنایی، رطوبت و دما در امان هستند.

✓ مشخصات سنسورهای ظرفیت

- بدون تماس هستند

حسگرهای جابجایی خازنی از نظر طراحی بدون تماس هستند. یعنی آنها قادرند موقعیت یا جابجایی یک شی را بدون دست زدن به آن اندازه گیری کنند. به همین دلیل جسم اندازه گیری شده تحریف یا آسیب نمی بیند. علاوه بر این، آنها می توانند حرکات با فرکانس بالا را اندازه گیری کنند، زیرا هیچ بخشی از سنسورخازنی نیازی به تماس با جسم ندارد و آنها را برای اندازه گیری لرزش یا برنامه های خط تولید با سرعت بالا مناسب می کند.

- دارای فاصله عملیاتی هستند

محدوده سنسورهای خازنی با قطر یا مساحت سنسور تعیین می شود. هرچه مساحت بزرگتر باشد، دامنه اندازه گیری بیشتر خواهد بود. دامنه اندازه گیری معمولاً از زمانی که کاوشگر هدف را لمس می کند، مشخص می شود. هنگامی که شکاف افزایش می یابد، تا برابر با دامنه اندازه گیری شده مقیاس کامل سیستم خازنی باشد، خروجی تقویت کننده 10 ولت (Vdc) است. از نظر تئوری، این کاوشگر می تواند در هر مکانی بین این دو حالت کار کند، با این حال، توصیه نمی شود که زیر 10٪ شکاف کار کنید. با این اوصاف، فاصله عملیاتی یا ایستادن ایده آل بین 5Vdc  تا 7Vdc  است، که به شما این امکان را می دهد تا هدف را بدون اینکه از محدوده خارج کنید، به کاوشگر نزدیک یا دورتر کنید. تمام سنسورهای خازنی اندازه گیری شده، دارای جبران ولتاژ، dc داخلی هستند. پس از درگیری، با تنظیم ساده پتانسیومتر می توان ولتاژ خروجی را تا 10 ولت تغییر داد.

- دارای وضوح هستند.

وضوح یک سنسور خازنی به عنوان کمترین مقدار در تغییر فاصله تعریف شده است که می تواند توسط یک سیستم خاص و قابل اعتماد، اندازه گیری شود. سنسورهای خازنی با وضوح و پایداری بسیار بالا اغلب از سیستم های تداخل سنج لیزری گران و پیچیده فراتر می روند. به دلیل توانایی آنها در تشخیص چنین حرکات کوچکی، آنها با موفقیت در بسیاری از برنامه های اندازه گیری از جمله اجرا شدن درایو دیسک رایانه، تمرکز میکروسکوپ و موقعیت نانو در ابزارهای نوری بسیار پیچیده استفاده شده اند. عامل اصلی در تعیین وضوح، نویز الکتریکی سیستم است. اگر فاصله بین سنسور و هدف ثابت باشد، باز هم ولتاژ خروجی به دلیل نویز سفید سیستم، کمی در نوسان است. فرض بر این است که بدون پردازش سیگنال خارجی، نمی توان تغییر ولتاژ خروجی دستگاه را تشخیص داد. به همین دلیل بیشترین مقادیر وضوح بر اساس مقدار اوج آن تعیین می شود و می تواند با فرمول زیر نمایش داده شوند:

وضوح = حساسیت X نویز

توجه به این نکته مهم است که برخی از تولیدکنندگان وضوح را بر اساس نویز اوج یا rms تعیین می کنند، در نتیجه ادعاهایی به ترتیب 2 برابر و 6 برابر را ارائه می دهند. اگرچه این امر یک روش قابل قبول است، اما تا حدودی گمراه کننده است، زیرا اکثر کاربران توانایی رمزگشایی تغییرات ولتاژ را ندارند. میزان نویز در سنسورهای خازنی به پهنای باند سیستم بستگی دارد. به این دلیل که نویز به طور کلی به طور تصادفی در محدوده وسیعی از فرکانس ها توزیع می شود و محدود کردن پهنای باند با فیلتر کردن بررسی می شود، لذا برخی از نوسانات فرکانس بالاتر را از بین می برند. همه سیستم های ظرفیت دارای فیلترهای کم گذر پلاگین هستند که امکان تنظیم آسان در این زمینه را فراهم می کند.

- پهنای باند

پهنای باند یا فرکانس قطع سیستم، معمولاً به عنوان نقطه ای که خروجی را کاهش می دهد، تعریف می شود. این تقریباً برابر است با افت ولتاژ خروجی در حدود 30٪ مقدار واقعی. است. منحنی های پهنای باند با تمام سیستم های MTII ارائه شده اند و می توانند برای اصلاح در برنامه هایی با فرکانس بالا استفاده شوند.