سنسور خازنی چیست و چگونه کار می‌کند؟

تشخیص صحیح وجود یا عدم وجود اشیاء با ماهیت‌های گوناگون در صنایع مختلف اهمیت بسیاری دارد. سنسور خازنی یک فناوری رایج است که برای اهداف کنترلی متفاوت استفاده می‌شود. سنسورهای خازنی نه تنها می‌توانند وجود یا عدم وجود یک جسم را تشخیص دهند، بلکه می‌توانند جریان مایع، سطح مایع، فشار و فاصله‌ها را نیز تشخیص دهند.

 

با مطالعه‌ی مقاله‌ی” سنسور چیست و چه انواعی دارد؟ ” با سنسورها و انواع آن بیشتر آشنا میشوید.

فهرست مطالب این مقاله

سنسور خازنی چیست و چگونه کار می‌کند؟

 

سنسور خازنی چیست؟

سنسور خازنی، سنسوری غیرتماسی است که می‌تواند وجود یا عدم ‌وجود هر شئ را بدون توجه به جنس مواد سازنده‌ی آن تشخیص دهد. این تجهیزات از تاثیر اشیاء بر میدان الکتریکی و تغییر ظرفیت خازن استفاده می‌کنند. برای تشخیص اشیاء، یک میدان الکتریکی با اعمال ولتاژ به صفحات سنسور تولید می‌شود، هرشئ که بتواند این میدان الکتریکی و ظرفیت خازن را تغییر دهد توسط یک سنسور خازنی تشخیص داده می‌شود.

سنسورهای خازنی توانایی تشخیص دو دسته هدف را دارند، دسته‌ی اول رساناها(با رسانایی بیشتر از μS/cm 20) شامل فلزات، آب، اسیدها، بازها و خون. دسته‌ی دوم نارساناها ( با رسانایی کم‌تر از  μS/cm 20) مثل شیشه، پلاستیک و… .

 

ساختار سنسور خازنی

سنسور خازنی از چهار قسمت اصلی ساخته شده است:

  1. بدنه‌ی 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.

  1. صفحه‌ی سنسور:

صفحه‌ی سنسور که برای آشکارسازی اهداف استفاده می‌شود.

  1. چراغ نشان‌گر:

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.

  1. 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.

ادامه مطلب
اینورتر یا درایو چیست و چه کاربردی دارد؟

شکل ۲ اجزای اصلی سنسور خازنی و نحوه‌ی قرارگیری آن‌ها در ساختمان سنسور را نشان می‌دهد.

ساختار سنسورهای خازنی

شکل۲- ساختار سنسورهای خازنی

 

مکانیزم عملکرد سنسور خازنی

خازن در ساده‌ترین شکل خود دو صفحه رسانا است که توسط یک محیط دی الکتریک جدا می‌شوند. هنگامی که ولتاژ روی خازن اعمال می‌شود، بارهای الکتریکی روی صفحات خازن باعث ایجاد یک میدان الکتریکی سرتاسر دی‌الکتریک می‌شوند. مقدار باری که خازن می‌تواند ذخیره کند به ظرفیت خازن بستگی دارد و ظرفیت خازن به مساحت و فاصله صفحات و ثابت دی الکتریک وابسته است. تغییر در ظرفیت خازن اساس عملکرد سنسور خازنی است.

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.

شکل۳  دامنه‌ی نوسانات را در حالت حضور و عدم حضور شئ (برمبنای سیگنال‌های سیم معمولا باز) در فاصله‌ی عملکرد سنسور نشان می‌دهد.

 

دامنه‌ی نوسانات تشخیص شئ

شکل۳- دامنه‌ی نوسانات تشخیص شئ

 

تنظیم حساسیت

قابلیت تنظیم حساسیت در برخی از سنسورهای خازنی وجود دارد. اگر سنسور قابلیت تنظیم نداشته باشد، باید به طور فیزیکی برای تشخیص درست به شئ هدف نزدیک شود. وقتی حساسیت سنسور افزایش پیدا کند، فاصله‌ی عملکرد آن هم بیشتر می‌شود. در نتیجه‌ی افزایش فاصله‌ی سنسور تا شئ احتمال این که سنسور تحت تاثیر عواملی مانند دما، رطوبت و سایر عوامل فیزیکی قرار بگیرد هم افزایش می‌یابد.

 

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.

  1. برای تعیین حساسیت یک سنسور خازنی، سنسور را به منبع تغذیه متصل می‌کنیم
  2. 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
  3. فاصله‌ی اندازه‌گیری شده همان فاصله عملکرد سنسور است.

 

انواع سنسورهای 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.

 

  1. 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 مینیاتوری

شکل ۴ – سنسور خازنی مینیاتوری

 

  1. سنسور خازنی استوانه‌ای یا سیلندری

این نوع سنسورهای خازنی بزرگتر از مینیاتوری‌ها هستند و فاصله عملکرد  قابل تنظیم دارند.

 

سنسور خازنی سیلندری

شکل ۵- سنسور خازنی سیلندری

 

  1. سنسورهای خازنی 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 دما بالا

شکل ۶- سنسور خازنی دما بالا

 

  1. سنسورهای 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.

سنسور خازنی آنالوگ

شکل ۷- سنسور خازنی آنالوگ

 

  • سنسورها از منظر نوع اتصالات به سه دسته‌ی زیر تقسیم می‌شوند.

  1. دو سیمه: این سنسورها دو سیم ارتباطی دارند و فقط در دو حالت بسته یا باز موجودند.
  2. سه سیمه: این سنسورها سه سیم قهوه‌ای، آبی و سیاه داشته و در دو حالت بسته یا باز ارائه می‌شوند. دو سیم به منابع تغذیه و یک سیم امکان اتصال به تجهیزاتی مانند کنتاکتور را دارد.
  3. چهارسیمه: چهار سیم قهوه‌ای، آبی، سفید و سیاه سیم‌های این دسته‌بندی هستند. این نوع سنسورها در دو نوع PNP و NPN ساخته می‌شوند و عملکردی مشابه کلیدهای مرکب دارند. در این سنسورها دو سیم به منابع تغذیه متصل شده و دو سیم دیگر معمولا به کنتاکتورها متصل می‌شوند. وقتی یکی از کنتاکتورهای متصل به این سیم‌ها قطع می‌شود، کنتاکتور دوم وصل خواهد شد.

 

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.

 

منبع: آکادمی ماهر

ادامه مطلب
RCD یا کلید حفاظت نشتی جریان چیست؟
آیا این مطلب را می پسندید؟

باکس دانلود

اشتراک گذاری:

نظرات

0 نظر در مورد سنسور خازنی چیست و چگونه کار می‌کند؟

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.

هیچ دیدگاهی نوشته نشده است.