Kapazitiver Näherungssensor

Einleitung

Es gibt viele Arten von Näherungssensoren, die in verschiedenen Anwendungen verwendet werden. Wir verwenden kapazitive Näherungssensoren, um jede Art von Objekt berührungslos zu erkennen. Sie tasten Objekte ab, indem sie die Änderung einer elektrischen Eigenschaft messen, Kapazität.

Dieser Artikel zielt darauf ab, eine detaillierte Anleitung zu geben kapazitive Näherungssensoren und ihre Anwendungen.

Was ist ein kapazitiver Näherungssensor?

Ein kapazitiver Näherungssensor ist ein Sensor, der ein Objekt anhand der elektrischen Eigenschaft erkennen kann, Kapazität. Sie werden häufig verwendet, um Objekte/Flüssigkeiten zu erkennen und zu messen, die eine höhere Dielektrizitätskonstante als Luft haben. Dazu gehört alles, was leitend oder nicht leitend ist.

Kapazitive Näherungssensoren haben viele Anwendungen in industriellen Automatisierungssystemen, von der Positionserkennung bis hin zur nicht-invasiven Analyse der Zusammensetzung von Objekten.

Kapazitiver Näherungssensor und seine Funktionsweise

Kapazitive Näherungssensoren sind eine spezielle Anwendung von kapazitiven Sensoren. Wir verwenden sie, um das Vorhandensein von Objekten in industriellen Umgebungen zu erkennen. Das unten gezeigte Bild ist ein RS PRO M30 x 1.5 Kapazitiver Näherungssensor.

Bevor wir näher ins Detail eintauchen, wollen wir verstehen, was ein Kondensator ist und wie er funktioniert. Einfach ausgedrückt ist ein Kondensator ein Gerät, das eine elektrische Ladung wie eine Batterie aufnehmen kann. Sie bestehen aus zwei leitfähigen Platten mit einem dielektrischen Material, das den Spalt ausfüllt. Abhängig von der Dielektrikumsbreite ändert sich ihre Kapazität (Kapazität, elektrische Ladung zu speichern).

Die Dielektrizitätskonstante ist materialabhängig. Materialien mit hoher Dielektrizitätskonstante sind leicht zu erkennen. Wasser ist beispielsweise besser nachweisbar als Öl oder PVC. Dies liegt daran, dass Wasser eine Dielektrizitätskonstante von etwa 78 hat und für PVC nur etwa 5.

Ein kapazitiver Näherungssensor folgt dem gleichen Prinzip, nur eine der Platten ist jetzt das Objekt, das wir erkennen wollen. Wird ein Objekt in die Nähe der aktiven Fläche gebracht, ändert sich die Kapazität. Der Sensor kann dann die Änderung messen und feststellen, ob sich das Objekt in der Nähe befindet.

Es ist nicht möglich, die Kapazitätsänderung mit gewöhnlichen Mitteln direkt zu messen. Um dies zu beheben, verfügen kapazitive Näherungssensoren über eine spezielle Schaltung im Inneren. Die Schaltung übernimmt die gesamte Signalverarbeitung, um letztendlich ein verwendbares digitales Signal auszugeben.

Die erste Stufe des Sensors ist der Kondensator selbst. Wenn sich ein Objekt in der Nähe der aktiven Fläche befindet, bildet es einen Kondensator. Die Luft zwischen ihnen wird zum dielektrischen Material. Im Inneren des Sensors befindet sich eine Oszillatorschaltung. Dies kann entweder ein RC or LC-Oszillator Schaltung.

Die vom externen Objekt erzeugte Kapazität setzt eine Schwingung im Stromkreis in Gang. Dieser kleinste Abstand, den ein Objekt zur Sensorfläche einhalten muss, um die Schwingung zu starten, wird auch als „Arbeitspunkt“ bezeichnet. Dies ist bei den meisten Sensoren einstellbar. Nähert sich ein Objekt dem Sensor, erhöht sich diese Schwingungsfrequenz. Dadurch erhöht sich die Amplitude der Schwingung.

Die Schaltung besteht auch aus einer Triggerschaltung mit Hysterese. Die Triggerschaltung überwacht die Frequenz und die Amplitude der Schwingung. Er steuert den Ausgang, wenn die Amplitude einen voreingestellten Wert überschreitet. Es gibt Sensoren, die digitale oder analoge Signale ausgeben können.

Näherungssensoren stellen Mittel bereit, um ihren Arbeitspunkt einzustellen. Einige verfügen über Potentiometer, während andere über eine spezielle "Teach-Taste" verfügen. Mit dieser Taste oder der Potentiometerschraube kann der Sensor kalibriert werden. Eine Erhöhung der Empfindlichkeit macht den Sensor auch anfälliger für Fehlerkennungen. Dies bedeutet, dass manchmal sogar Änderungen von Luftfeuchtigkeit und Temperatur zum Auslösen des Sensors führen können.

Kapazitive Sensoren können sowohl leitfähiges als auch nicht leitfähiges Material erkennen. Leitfähige Materialien sind am einfachsten zu erkennen, da sie mit dem Sensor einen guten Kondensator bilden. In diesem Fall wird die Spannungsfestigkeit vernachlässigbar.

Die Erkennung von nichtleitendem Material hängt von drei Faktoren ab:

• Größe der Sensorfläche – größere Fläche ermöglicht längere Schaltabstände
• Die Dielektrizitätskonstante des Targetmaterials – höher die Konstante, länger der Abstand
• Die Oberfläche des Ziels – größere Oberfläche, größere Entfernung

Die Zielgeschwindigkeit und -temperatur können sich ebenfalls auf die Reichweite auswirken.

Reichweite

Ein kapazitiver Näherungssensor hat einen größeren Erfassungsbereich als sein induktives Gegenstück. Der Erfassungsbereich liegt zwischen 3 und 60 mm. Der größte Schaltabstand basiert auf einem Standardziel, einer 1 mm dicken, geerdeten Fe 360-Stahlplatte. Diese sollte eine Seitenlänge haben, die dem Durchmesser der Sensoroberfläche entspricht. Ist der Schaltabstand größer als der Durchmesser, sollte die Seitenlänge das Dreifache des Nennschaltabstands betragen.

Nichtleitende Gegenstände sollten einen Reduktionsfaktor aufweisen, der auf der Dielektrizitätskonstante des Materials basiert. Für einige Materialien gibt es Tabellen mit ungefähren Werten. Sie helfen, einen genauen Schaltabstand zu bestimmen.

Bei der Betrachtung der Reichweite gibt es zwei wichtige Parameter:

• Nenn-/Nennschaltabstand (Sn)
  • Dies ist ein theoretischer Wert. Sie beinhaltet keine Fertigungstoleranzen, Betriebsspannungen oder Temperaturen.
• Effektiver Schaltabstand (Sr)
  • Definiert für einen bestimmten Satz von Bedingungen. (dh Unterputzmontage, Raumtemperatur und eine gegebene Versorgungsspannung)

Hysterese

Hysterese ist die Differenz zwischen dem Einschaltabstand und dem Ausschaltabstand. Es definiert a Zone eher als ein Linie zum Erfassen eines Objekts.

Die Hysterese bewirkt, dass der Ausgang 'einrastet', selbst wenn sich das Objekt vom oder zum Sensorfeld bewegt. Dadurch wird der „Chattering“-Effekt (immer wieder ein- und ausschalten des Ausgangs) verhindert, wenn sich ein Objekt am Rand des Erfassungsbereichs befindet.

Hysterese ist ein unabhängiger Parameter. Es ist ein Prozentsatz des Nennschaltabstands. Beispielsweise kann ein Sensor mit einem Nennschaltabstand von 20 mm eine maximale Hysterese von 15 % haben. Dies sind etwa 3 mm des Erfassungsbereichs. Sie kann von Sensor zu Sensor variieren, sogar zwischen den gleichen Modellen.

Es gibt mehrere Faktoren, die die Hysterese beeinflussen können:

• Umgebungs- und lokale Sensortemperatur
• Luftdruck
• Relative Luftfeuchte
• Mechanische Belastung des Sensorgehäuses
• Empfindlichkeitskorrelation – höhere Empfindlichkeit, größere Hysterese

Kapazitive Sensortypen

Kapazitive Sensoren werden verwendet, um viele Arten von Materialien zu erkennen. Dazu gehören auch Flüssigkeitsfluss, Flüssigkeitsstand und sogar Druck. Es gibt eine Vielzahl von kapazitiven Näherungssensoren auf dem Markt:

• Kapazitive Miniatursensoren
  • Kapazitive Miniatursensoren sind in zylindrischen oder Wafer-Gehäusen erhältlich, um Montageplatz zu sparen. Diese Sensoren haben keine Signalverarbeitungsschaltung im Inneren. Zur Verarbeitung der Signale wird ein separater Verstärker verwendet.
• Zylindrische kapazitive Sensoren
  • Diese sind größer als Miniatursensoren und können einen Durchmesser von 6.5 mm bis 30 mm haben. Ihre Schaltabstände sind einstellbar.
• Kapazitive Hochtemperatursensoren
  • Kapazitive Hochtemperatursensoren sind für extreme Temperaturen ausgelegt und können sogar den direkten Kontakt mit Objekten/Flüssigkeiten mit hoher Temperatur bewältigen.
• Analoge kapazitive Sensoren
  • Diese finden ihre Anwendung bei der Materialauswahl, Dickenüberwachung und Konzentrationsprüfung. Analoge Sensoren geben eine Reihe von Spannungen/Strömen aus, um die Art des überwachten Objekts zu bestimmen.

Verdrahtungsplan für kapazitive Sensoren

Es gibt eine ganze Reihe von Sensorschaltplänen, die in der Automatisierungsindustrie verwendet werden. Wir können Sensoren nach ihrem Versorgungsspannungstyp und dem Ausgangstyp klassifizieren:

• AC- oder DC-Versorgung
  • Bestimmt, ob die Sensoren mit 220V AC oder 24V DC Stromversorgung arbeiten
• Ausgabetyp
  • Transistorausgang (3-Leiter)
    • Transistorausgangssensoren können entweder NPN oder PNP sein. Für beide Typen gibt es hier die Ausgangsoptionen NO (Normally Open) und NC (Normally Closed). Einige Sensoren können sogar beides unterstützen. (Schließer+Öffner).
  • Relaisausgang (2-Draht oder 3-Draht)
    • AC-2-Draht- und 3-Draht-Sensoren sind immer mit Relaisausgang ausgestattet. DC-Sensoren können entweder vom Relais- oder Transistorausgangstyp sein. Relaisausgangssensoren haben auch die Optionen NO, NC und NO+NC.

Hier ist OMCH.coDas Angebot an kapazitiven Näherungssensoren und die damit verbundenen Verdrahtungsoptionen:

Unten sehen Sie das gebräuchliche Schaltbild einiger Näherungssensortypen. Obwohl es keine Seltenheit ist, werden 4-Leiter-Modelle nur in sehr speziellen Anwendungen verwendet.

Empfindlichkeitseinstellungen eines kapazitiven Sensors

Es gibt zwei Ansätze. Wir können die Empfindlichkeit eines kapazitiven Sensors anpassen.

• Einstellen der Sensorposition

Wir können die Sensorposition anpassen, indem wir das Gewinde und die Sicherungsmuttern anpassen. Dies ermöglicht es uns, den Sensor näher oder vom Objekt entfernt zu platzieren und den Sensor dauerhaft an einer Halterung zu montieren. Die Justierung sollte erfolgen, wenn der Sensor eingeschaltet ist und das zu erkennende Objekt vorhanden ist. Stellen Sie den Sensor hin und her, bis die LED des Sensors anzeigt, dass das Objekt erkannt wurde.

• Empfindlichkeit des Sensors einstellen

Die Empfindlichkeitseinstellung eines Näherungssensors ist nützlich, wenn wir die Sensorposition nicht anpassen können.

So stellen Sie einen Sensor auf das Vorhandensein erkennen eines Objekts oder voller Zustand, folge diesen Schritten:

1. Drehen Sie die Einstellschraube gegen den Uhrzeigersinn und verringern Sie die Empfindlichkeit auf ein Minimum.
2. Bringen Sie das zu erkennende Objekt in den Erfassungsbereich des Sensors. Drehen Sie die Einstellschraube langsam im Uhrzeigersinn, bis der Sensor das Objekt erkennt. Die LED-Anzeige am Sensor leuchtet auf, wenn er das Objekt erkennt.
3. Zur Sicherheit die Einstellschraube ¼ Umdrehung weiterdrehen (optionale Stufe)

So stellen Sie einen Sensor auf die Abwesenheit erkennen eines Objekts oder leerer Zustand, folge diesen Schritten:

1. Drehen Sie die Einstellschraube im Uhrzeigersinn und erhöhen Sie die Empfindlichkeit auf ein Maximum.
2. Die LED-Anzeige am Sensor leuchtet auch dann auf, wenn kein Objekt vorhanden ist.
3. Drehen Sie die Einstellschraube gegen den Uhrzeigersinn, bis die LED erlischt.
4. Zur Sicherheit die Einstellschraube ¼ Umdrehung weiterdrehen (optionale Stufe)

Kapazitiver Näherungssensor-Schaltkreis in der Tiefe

Für diejenigen, die daran interessiert sind, das Funktionsprinzip eines kapazitiven Näherungssensors zu verstehen, lassen Sie uns einen genaueren Blick darauf werfen.

Wie bereits erwähnt, enthält ein kapazitiver Näherungssensor eine komplexe Schaltung. Es hat vier Hauptteile:

• Oszillatorstufe
• Demodulatorstufe
• Triggerphase
• Ausgangsstufe

Oszillatorstufe

Die Oszillatorstufe enthält einen RC Relaxationsoszillator. Diese Schaltung ist eine Schaltung auf Operationsverstärkerbasis. Kondensatoren und Widerstände in dieser Schaltung bestimmen die Schwingungsfrequenz. Der zur Steuerung der Oszillationsfrequenz verwendete Kondensator C1 ist mit dem Sensorkopf gekoppelt. Gelangt ein externer Gegenstand in die Nähe des Sensorkopfes, ändert sich die Schwingungsfrequenz. Das oszillierende Signal von dieser Stufe ist ein Eingang in die Demodulatorstufe.

Demodulatorstufe

Die Demodulatorstufe nimmt das oszillierende Signal der vorherigen Stufe auf und richtet es gleich. Diese oben gezeigte Schaltung hat a Halbwellengleichrichter. Der Kondensator C3 glättet das Spannungssignal und gibt eine stabile Gleichspannung an die Triggerstufe aus.

Triggerphase

Diese Stufe hat eine spezielle Komponente namens 'Schmitt-Trigger'. Dieses Gerät kann sich über eine Reihe von Eingängen an einem bestimmten Ausgang „klinken“. Beispielsweise kann ein Schmitt-Trigger logisch HIGH für Eingangsspannungen über 3 V ausgeben und logisch LOW ausgeben, sobald die Eingangsspannung unter 2.5 V fällt. Die Differenz von 0.5 V wird als "Hysterese" bezeichnet und hilft dem Ausgang, stabil zu bleiben, wenn sich die Eingangsspannung geringfügig ändert.

Ausgangsstufe

Die Triggerstufe steuert die Ausgangsstufe. Der hier gezeigte Sensor hat einen Transistorausgang. Es ist ein sinkender Typ (NPN) Ausgang. Sobald die Triggerstufe ein logisches HIGH-Signal liefert, wird der Transistor in der Endstufe aktiviert. Es bewirkt das Schließen des Lastkreises und aktiviert die Last. Bei Sensoren mit Relaisausgang wird der Transistor durch ein kleines Relais ersetzt.

Die Endstufe besteht ebenfalls aus den Dioden D2 und Z1 zum Schutz des Sensors. Bei Verpolung der Stromversorgung schützen diese Dioden den Sensor.

Kapazitive Näherungssensoren vs. induktive Näherungssensoren

Kapazitive und induktive Näherungssensoren sind zwei der beliebtesten Näherungssensoren. Kapazitive Sensoren können sowohl leitfähige als auch nicht leitfähige Materialien erkennen. Induktive Näherungssensoren können nur metallisches (leitfähiges) Material erkennen.

Induktive Näherungssensoren nutzen das Prinzip des Elektromagnetismus zur Erkennung von Objekten. Aus diesem Grund können sie nur metallische Gegenstände aus Eisen, Kupfer oder Aluminium erkennen. Ihre interne Schaltung ist kapazitiven Sensoren sehr ähnlich. Der Hauptunterschied liegt in der Oszillatorschaltung. Induktive Sensoren nutzen Prinzipien des Elektromagnetismus und Wirbelströme während kapazitive Sensoren Kapazität verwenden, um die Schwingung zu steuern.

Induktive Sensoren sind ziemlich schneller und liegen im Bereich von 10-20Hz bei AC und 500Hz-5kHz bei DC. Sie haben einen Erfassungsbereich von ca. 4-40 mm. Es sind auch speziell entwickelte Sensoren mit Schaltabständen bis ca. 80 mm erhältlich. Sie haben jedoch aufgrund von Magnetfeldbegrenzungen einen engen Erfassungsbereich.

Kapazitive Sensoren sind relativ langsamer als induktive Sensoren. Dies liegt daran, dass die leitfähige Platte im Sensor geladen wird. Die Geschwindigkeit liegt im Bereich von 10 bis 50 Hz. Kapazitive Näherungssensoren haben einen Nennbereich von 3 mm bis 60 mm. Es kann spezielle Sensoren geben, die höhere Schaltabstände haben.

Kapazitive Sensoren sind fehleranfälliger, da sie alle Arten von Objekten erkennen können. Dies kann zu einer falschen Auslösung des Sensors durch Nicht-Zielmaterialien führen. Bei metallischen Objekten kann daher ein induktiver Näherungssensor die bessere Wahl sein. Um beispielsweise metallische Gegenstände in einem Lebensmittelprodukt zu erkennen, ist ein induktiver Näherungssensor eine zuverlässigere Option.

Kapazitiver Näherungssensor mit Arduino

Industriesensoren sind so konstruiert, dass sie mit höheren Spannungen wie 12V oder 24V DC und sogar 220V AC arbeiten. Arduino-Entwicklungsboards arbeiten mit 5V DC. Um einen Näherungssensor mit einem Arduino zu verwenden, ist es notwendig, das Hochspannungssignal in eine niedrigere Spannung umzuwandeln.

In dieser Schaltung von Elektroklinik, wird ein Näherungssensor vom PNP-Typ verwendet. Der Optokoppler/Optoisolator PC817 schützt den Arduino vor Hochspannungssignalen. Pin 1 des PC817 ist mit +12 V verbunden und Pin 2 ist über einen 1k-Widerstand mit dem schwarzen Kabel des Sensors verbunden. Der Sensor wird wie gewohnt über braune und blaue Drähte mit Strom versorgt. (Braun – +12 V, Blau – 0 V)

Zum Auslesen des Sensors wird Arduino Pin 13 mit Pin 4 des Optokopplers verbunden und ist nach oben gezogen mit R3 (10k Widerstand). Dies stabilisiert das Eingangssignal, wenn der Sensor nicht aktiv ist.

Wird kein Objekt erkannt, bleibt der Optokoppler inaktiv. Pin 13 von Arduino bleibt bei +5V. Wenn der Sensor aktiv ist, schaltet sich der Optokoppler ein und zieht den Pin 13 auf 0V. Dies wird vom Code überwacht und kann verwendet werden, um Entscheidungen wie das Ein- und Ausschalten eines Motors zu treffen.

int Endschalter=13;
int Zustand = NIEDRIG;
int Wert;
ungültig Setup()
{
Serial.begin (9600);
PinMode (Endschalter, EINGANG);
}
ungültig Schleife()
{
Wert = digitalRead (Endschalter);
   if(Wert!=Zustand)
{
Zustand = Wert;
Serial.println ("Sensorwert =");
if (Zustand==0)
{
Serial.println ("Ziel erkannt");
}

sonst{
Serial.println ("Kein Ziel erkannt");
}
}
}

Kapazitiver Näherungssensor-Symbol

3-Draht- und 2-Draht-Näherungssensoren sind in der Automatisierungsbranche am weitesten verbreitet. Um sie zu unterscheiden, hat jeder von ihnen sein eigenes Standardsymbol, das von der IEC (International Electrotechnical Commission) definiert wurde.

3-Draht-Näherungssensorsymbol

BR-Kabel oben zeigt an, dass die Farbe braun ist (BRbesitzen), und es ist der positive Draht. Der BL-Draht unten zeigt seine Farbe als blau an (BLue) und zeigt an, dass es sich um das 0-V-Kabel handelt. BK ist das Schwarze (BSeeK) Draht, der der Ausgang ist.

Das Symbol enthält 4 Untersymbole. Das Symbol oben links zeigt an, dass dies a . ist Näherungssensor. Das Transistorsymbol zeigt an, ob der Sensor NPN oder PNP Typ. Das Symbol unten links zeigt an, dass es sich um a . handelt kapazitiver Sensor während das Symbol unten rechts bedeutet, dass die Ausgabe ist normalerweise geschlossen.

2-Draht-Näherungssensorsymbol

Das IEC-Zeichen für die 2-Draht-Näherungssensoren ist fast identisch mit seinem 3-Draht-Pendant. Der einzige Unterschied besteht darin, dass dieses Symbol keine separate Ausgangsleitung hat.

Die Symbole innerhalb des Hauptkomponentensymbols können sich je nach Konfiguration des Sensors geringfügig ändern. Dazu gehören der Ausgangstyp, der Erfassungsmodus (kapazitiv, induktiv usw.) und die Konfiguration des NO/NC-Ausgangs.

Anwendung für kapazitive Näherungssensoren

Kapazitive Näherungssensoren werden in industriellen Anwendungen eingesetzt, um sowohl feste Objekte als auch Flüssigkeiten zu erkennen. Ihre industriellen Anwendungen umfassen:

• Produktionsautomatisierung wie Zählen von Produkten, Produkttransfers
• Abfüllprozesse (d. h. Körnung, Pulver, Tinte, Wasser usw.)
• Füllstandsmessung
• Zusammensetzungsprüfung (Dichte, Dicke usw.)
• Druckmessung
• Feuchtigkeitsmessung

Preis des kapazitiven Näherungssensors

Der Preis der kapazitiven Näherungssensoren hängt von verschiedenen Faktoren wie Größe, Schaltabstand, Betriebsspannung, Ausgangstyp und zusätzlichen Funktionen wie IP (Ingress Schutz) Nennwerte und Temperaturwerte.

Die Preise für kapazitive Näherungssensoren können bei komplexeren und spezialisierteren Modellen zwischen 30 und 1500 US-Dollar variieren.

Was kann ein kapazitiver Näherungssensor erkennen?

Kapazitive Näherungssensoren können sowohl leitfähige als auch nicht leitfähige Objekte erkennen. Die Gegenstände/Materialien können in fester, granulierter, pulverförmiger und sogar flüssiger Form vorliegen. Sie werden jedoch hauptsächlich verwendet, um nichtmetallische Materialien wie Holz, Getreide, Kunststoff, Glas, Wasser und andere Flüssigkeiten wie Kraftstoff und Chemikalien zu erkennen.

Mit zusätzlichen Verbesserungen können kapazitive Näherungssensoren noch mehr Parameter wie Druck und Flüssigkeitsfluss erfassen.

Woraus bestehen kapazitive Näherungssensoren?

Es gibt einige Arten von Materialien, die verwendet werden, um kapazitive Näherungssensoren herzustellen. Näherungssensoren vom zylindrischen Typ werden typischerweise aus Edelstahl hergestellt. Sensoren mit Edelstahlgehäuse sind langlebiger und für den Einsatz in Hochtemperatur-/korrosiven Umgebungen geeignet.

Kunststoffe wie PBT (Polybutylenterephthalat) und PVDF (Polyvinylidenfluorid) werden verwendet, um kleinere Näherungssensoren wie rechteckige Modelle herzustellen. Sie sind temperatur-, flammen- und UV-beständig und bieten zusätzlichen Schutz für die Sensorschaltung. Diese Spezialkunststoffe finden ihren Einsatz in korrosiven chemischen Anwendungen.

Zusammenfassung

In diesem Artikel haben wir kapazitive Näherungssensoren, ihren Aufbau, ihre prinzipielle Funktionsweise und ihre Anwendungen diskutiert. Während kapazitive Sensoren vielseitig sind, gibt es andere Arten von Näherungssensoren, die für eine bestimmte Anwendung möglicherweise besser geeignet sind. Es sollte darauf geachtet werden, den besten Typ des Näherungssensors richtig zu identifizieren und ihn zu kalibrieren, um sicherzustellen, dass die durchgeführten Messungen korrekt und genau sind.