Capteur de proximité capacitif

Introduction

Il existe de nombreux types de capteurs de proximité utilisés dans différentes applications. Nous utilisons des capteurs de proximité capacitifs pour détecter tout type d'objet sans aucun contact. Ils détectent les objets en mesurant le changement d'une propriété électrique, capacitance.

Cet article vise à fournir un guide détaillé sur capteurs de proximité capacitifs et leurs applications.

Qu'est-ce qu'un capteur de proximité capacitif ?

Un capteur de proximité capacitif est un capteur qui peut détecter un objet en utilisant la propriété électrique, capacitance. Ils sont largement utilisés pour détecter et mesurer des objets/fluides qui ont une constante diélectrique plus élevée que l'air. Cela inclut tout ce qui est conducteur ou non conducteur.

Les capteurs de proximité capacitifs ont de nombreuses applications dans les systèmes d'automatisation industrielle, de la détection de positions à l'analyse de la composition des objets de manière non invasive.

Capteur de proximité capacitif et son fonctionnement

Les capteurs de proximité capacitifs sont une application spéciale des capteurs capacitifs. Nous les utilisons pour détecter la présence d'objets dans des environnements industriels. L'image ci-dessous est un Capteur de proximité capacitif RS PRO M30 x 1.5.

Avant de plonger dans les détails, comprenons ce qu'est un condensateur et comment il fonctionne. En termes simples, un condensateur est un appareil qui peut contenir une charge électrique comme une batterie. Ils sont constitués de deux plaques conductrices avec un matériau diélectrique remplissant l'espace. En fonction de la largeur diélectrique, leur capacité (capacité à stocker la charge électrique) change.

La constante diélectrique dépend du matériau. Les matériaux à constante diélectrique élevée sont faciles à détecter. Par exemple, l'eau est plus détectable que l'huile ou le PVC. En effet, l'eau a une constante diélectrique d'environ 78 et pour le PVC, elle n'est que d'environ 5.

Un capteur de proximité capacitif suit le même principe, une seule des plaques est désormais l'objet que l'on veut détecter. Le fait d'approcher un objet de la face de détection provoque une modification de la capacité. Le capteur peut alors mesurer le changement et déterminer si l'objet est proche.

Il n'est pas possible de mesurer directement le changement de capacité par des moyens ordinaires. Pour résoudre ce problème, les capteurs de proximité capacitifs contiennent des circuits spécialisés. Le circuit effectue tout le traitement du signal pour finalement produire un signal numérique utilisable.

Le premier étage du capteur est le condensateur lui-même. Lorsqu'un objet est près de la face de détection, il forme un condensateur. L'air entre eux devient le matériau diélectrique. A l'intérieur du capteur, il y a un circuit oscillateur. Cela peut être soit un RC or Oscillateur LC circuit.

La capacité créée par l'objet externe déclenche une oscillation dans le circuit. Cette plus petite distance qu'un objet doit maintenir avec la face du capteur pour démarrer l'oscillation est également connue sous le nom de « point de fonctionnement ». Ceci est réglable dans la plupart des capteurs. Lorsqu'un objet se rapproche du capteur, cette fréquence d'oscillation augmente. Cela provoque l'augmentation de l'amplitude de l'oscillation.

Le circuit se compose également d'un circuit de déclenchement avec hystérésis. Le circuit de déclenchement surveille la fréquence et l'amplitude de l'oscillation. Il contrôle la sortie si l'amplitude dépasse une valeur prédéfinie. Il existe des capteurs qui peuvent émettre des signaux numériques ou analogiques.

Les capteurs de proximité permettent d'ajuster leur point de fonctionnement. Certains ont des potentiomètres tandis que d'autres peuvent avoir un « bouton d'apprentissage » dédié. Ce bouton ou la vis du potentiomètre peut être utilisé pour calibrer le capteur. L'augmentation de la sensibilité rend également le capteur plus sensible aux fausses détections. Cela signifie que parfois même des changements d'humidité et de température peuvent provoquer le déclenchement du capteur.

Les capteurs capacitifs peuvent détecter à la fois des matériaux conducteurs et non conducteurs. Les matériaux conducteurs sont les plus faciles à détecter car ils forment un bon condensateur avec le capteur. Dans ce cas, la rigidité diélectrique devient négligeable.

La détection de matériaux non conducteurs dépend de trois facteurs :

• Taille de la surface du capteur - une surface plus grande permet des distances de détection plus longues
• La constante diélectrique du matériau cible – plus la constante est élevée, plus la distance est longue
• La surface de la cible – plus grande surface, plus longue distance

La vitesse et la température cibles peuvent également affecter la distance de détection.

Plage de détection

Un capteur de proximité capacitif a une plage de détection plus large que son homologue inductif. La plage de détection se situe entre 3 et 60 mm. La plus grande distance de détection est basée sur une cible standard, une plaque d'acier mise à la terre Fe 1 ​​de 360 mm d'épaisseur. Celui-ci doit avoir une longueur de côté correspondant au diamètre de la surface du capteur. Si la distance de détection est supérieure au diamètre, la longueur du côté doit être trois fois supérieure à la distance de détection nominale.

Les objets non conducteurs doivent avoir un facteur de réduction basé sur la constante diélectrique du matériau. Il existe des tableaux qui fournissent des valeurs approximatives pour certains matériaux. Ils aident à déterminer une distance de détection précise.

Il y a deux paramètres importants lors de l'examen de la plage de détection :

• Distance de détection nominale/nominale (Sn)
  • C'est une valeur théorique. Il n'inclut pas les tolérances de fabrication, les tensions de fonctionnement ou les températures.
• Distance de détection effective (Sr)
  • Défini pour un ensemble spécifique de conditions. (c'est-à-dire montage encastré, température ambiante et tension d'alimentation donnée)

Hystérèse

L'hystérésis est la différence entre la distance d'activation et la distance de désactivation. Il définit un Zone plutôt qu'une en ligne pour détecter un objet.

L'hystérésis provoque le « verrouillage » de la sortie même lorsque l'objet se déplace depuis ou vers le champ du capteur. Cela empêche l'effet de « broutage » (activation et désactivation répétées de la sortie) si un objet se trouve à la limite de la plage de détection.

L'hystérésis est un paramètre indépendant. Il s'agit d'un pourcentage de la distance de détection nominale. Par exemple, un capteur avec une distance de détection nominale de 20 mm peut avoir une hystérésis maximale de 15 %. Cela correspond à environ 3 mm de la plage de détection. Cela peut varier d'un capteur à l'autre, même entre un même modèle.

Plusieurs facteurs peuvent affecter l'hystérésis :

• Température ambiante et locale du capteur
• pression atmosphérique
• Humidité relative
• Contrainte mécanique du boîtier du capteur
• Corrélation de sensibilité - sensibilité plus élevée, hystérésis plus grande

Types de capteurs capacitifs

Les capteurs capacitifs sont utilisés pour détecter de nombreux types de matériaux. Cela inclut également le débit de fluide, le niveau de liquide et même la pression. Il existe une variété de capteurs de proximité capacitifs sur le marché :

• Capteurs capacitifs miniatures
  • Les capteurs capacitifs miniatures sont disponibles dans des boîtiers cylindriques ou de type plaquette pour économiser de l'espace de montage. Ces capteurs n'ont pas le circuit de traitement du signal à l'intérieur. Un amplificateur séparé est utilisé pour traiter les signaux.
• Capteurs capacitifs cylindriques
  • Ceux-ci sont plus grands que les capteurs miniatures et peuvent avoir un diamètre de 6.5 mm à 30 mm. Leurs distances de détection sont réglables.
• Capteurs capacitifs haute température
  • Les capteurs capacitifs haute température sont conçus pour résister à des températures extrêmes et peuvent même gérer un contact direct avec des objets/fluides à haute température.
• Capteurs capacitifs analogiques
  • Ceux-ci trouvent leurs applications dans la sélection des matériaux, la surveillance de l'épaisseur et les tâches de contrôle de la concentration. Les capteurs analogiques émettent une gamme de tensions/courants pour aider à déterminer le type d'objet qu'il surveille.

Schéma de câblage du capteur capacitif

Il existe de nombreux schémas de câblage de capteurs utilisés dans l'industrie de l'automatisation. Nous pouvons classer les capteurs en fonction de leur type de tension d'alimentation et du type de sortie :

• Alimentation AC ou DC
  • Détermine si les capteurs fonctionnent avec une alimentation 220V AC ou 24V DC
• Le type de sortie
  • Sortie transistor (3 fils)
    • Les capteurs de sortie transistor peuvent être NPN ou PNP. Pour ces deux types, voici les options de sortie NO (normalement ouvert) et NC (normalement fermé). Certains capteurs peuvent même prendre en charge les deux. (NO+NF).
  • Sortie relais (2 fils ou 3 fils)
    • Les capteurs AC 2 fils et 3 fils sont toujours du type à sortie relais. Les capteurs CC peuvent être de type relais ou sortie transistor. Les capteurs de sortie de relais ont également des options NO, NC et NO+NC.

Voici OMCH.coLa gamme de capteurs de proximité capacitifs et les options de câblage qu'ils offrent :

Vous trouverez ci-dessous le schéma de câblage couramment utilisé de quelques types de capteurs de proximité. Bien qu'ils ne soient pas rares, les modèles à 4 fils ne sont pas largement utilisés, sauf dans des applications très spéciales.

Réglages de sensibilité d'un capteur capacitif

Il existe deux approches. on peut prendre pour régler la sensibilité d'un capteur capacitif.

• Réglage de la position du capteur

Nous pouvons ajuster la position du capteur en ajustant le filetage et les écrous de blocage. Cela nous permet de placer le capteur plus près ou plus loin de l'objet et de le monter de façon permanente sur un support. Le réglage doit avoir lieu lorsque le capteur est sous tension et que l'objet à détecter est présent. Ajustez le capteur d'avant en arrière jusqu'à ce que la LED du capteur indique que l'objet est détecté.

• Réglage de la sensibilité du capteur

Le réglage de la sensibilité d'un capteur de proximité est utile lorsque nous ne pouvons pas régler la position du capteur.

Pour régler un capteur sur détecter la présence d'un objet ou état complet, Suivez ces étapes:

1. Tournez la vis de réglage dans le sens inverse des aiguilles d'une montre et réduisez la sensibilité au minimum.
2. Placez l'objet à détecter dans la plage de détection du capteur. Tournez lentement la vis de réglage dans le sens des aiguilles d'une montre jusqu'à ce que le capteur détecte l'objet. L'indicateur LED sur le capteur s'allume lorsqu'il détecte l'objet.
3. Tournez la vis de réglage de ¼ de tour supplémentaire pour plus de sécurité (étape facultative)

Pour régler un capteur sur détecter l'absence d'un objet ou état vide, Suivez ces étapes:

1. Tournez la vis de réglage dans le sens horaire et augmentez la sensibilité au maximum.
2. L'indicateur LED sur le capteur s'allumera même si aucun objet n'est présent.
3. Tournez la vis de réglage dans le sens antihoraire jusqu'à ce que la LED s'éteigne.
4. Tournez la vis de réglage de ¼ de tour supplémentaire pour plus de sécurité (étape facultative)

Circuit de capteur de proximité capacitif en profondeur

Pour ceux qui souhaitent comprendre le principe de fonctionnement d'un capteur de proximité capacitif, regardons en profondeur.

Comme mentionné précédemment, un capteur de proximité capacitif abrite des circuits complexes à l'intérieur. Il comporte quatre parties principales :

• Stage d'oscillateur
• Étage démodulateur
• Étape de déclenchement
• Étape de sortie

Stage d'oscillateur

L'étage oscillateur contient un RC oscillateur de relaxation. Ce circuit est un circuit basé sur un amplificateur opérationnel. Les condensateurs et les résistances de ce circuit déterminent la fréquence d'oscillation. Le condensateur C1 utilisé pour contrôler la fréquence d'oscillation est couplé à la tête de capteur. Si un objet externe atteint près de la tête du capteur, la fréquence d'oscillation change. Le signal oscillant de cet étage est une entrée de l'étage démodulateur.

Étage démodulateur

L'étage démodulateur prend le signal oscillant de l'étage précédent et le redresse. Ce circuit illustré ci-dessus a un redresseur demi-onde. Le condensateur C3 lisse le signal de tension et délivre une tension continue stable dans l'étage de déclenchement.

Étape de déclenchement

Cette étape a un composant spécial nommé 'gâchette de schmitt'. Cet appareil peut « verrouiller » sur une sortie spécifique via une gamme d'entrées. Par exemple, un déclencheur de schmitt peut sortir une logique HAUT pour des tensions d'entrée supérieures à 3 V et une logique de sortie BAS une fois que la tension d'entrée tombe en dessous de 2.5 V. La différence de 0.5 V est appelée « hystérésis » et elle aide la sortie à rester stable si la tension d'entrée change légèrement.

Étape de sortie

L'étage de déclenchement contrôle l'étage de sortie. Le capteur montré ici a une sortie transistor. C'est un type de naufrage (NPN) sortir. Une fois que l'étage de déclenchement donne un signal logique HAUT, le transistor de l'étage de sortie s'active. Il complète le circuit de charge et active la charge. Dans les capteurs à sortie relais, le transistor est remplacé par un petit relais.

L'étage de sortie est également constitué de diodes D2 et Z1 pour protéger le capteur. Si la polarité de l'alimentation est inversée, ces diodes protégeront le capteur.

Capteurs de proximité capacitifs par rapport aux capteurs de proximité inductifs

Les capteurs de proximité capacitifs et inductifs sont deux des capteurs de proximité les plus populaires. Les capteurs capacitifs peuvent détecter à la fois des matériaux conducteurs et non conducteurs. Les capteurs de proximité inductifs ne peuvent détecter que les matériaux métalliques (conducteurs).

Les capteurs de proximité inductifs utilisent le principe de l'électromagnétisme pour détecter des objets. Pour cette raison, ils ne peuvent détecter que des objets métalliques en fer, en cuivre ou en aluminium. Leurs circuits internes sont très similaires aux capteurs capacitifs. La principale différence réside dans le circuit de l'oscillateur. Les capteurs inductifs utilisent les principes de l'électromagnétisme et Courants de Foucault tandis que les capteurs capacitifs utilisent la capacité pour contrôler l'oscillation.

Les capteurs inductifs sont assez rapides et se situent dans une plage de 10 à 20 Hz en courant alternatif et de 500 Hz à 5 kHz en courant continu. Ils ont une plage de détection d'environ 4-40 mm. Des capteurs spécialement conçus sont également disponibles qui ont des distances de détection jusqu'à environ 80 mm. Cependant, ils ont une plage de détection étroite en raison des limitations du champ magnétique.

Les capteurs capacitifs sont relativement plus lents que les capteurs inductifs. En effet, il s'agit de charger la plaque conductrice dans le capteur. La vitesse est comprise entre 10 et 50 Hz. Les capteurs de proximité capacitifs ont une plage nominale de 3 mm à 60 mm. Il peut y avoir des capteurs spéciaux qui ont des distances de détection plus élevées.

Les capteurs capacitifs sont plus sujets aux erreurs car ils peuvent détecter tous les types d'objets. Cela peut provoquer un faux déclenchement du capteur par des matériaux non ciblés. Par conséquent, si l'intérêt porte sur les objets métalliques, un capteur de proximité inductif peut être un meilleur choix. Par exemple, pour détecter des objets métalliques dans un produit alimentaire, un capteur de proximité inductif est une option plus fiable.

Capteur de proximité capacitif avec Arduino

Les capteurs industriels sont conçus pour fonctionner avec des tensions plus élevées telles que 12V ou 24V DC et même 220V AC. Les cartes de développement Arduino fonctionnent avec 5V DC. Pour utiliser un capteur de proximité avec un Arduino, il est nécessaire de convertir le signal haute tension en une tension plus basse.

Dans ce circuit par Électroclinique, un capteur de proximité de type PNP est utilisé. L'optocoupleur/optoisolateur PC817 protège l'Arduino des signaux haute tension. La broche 1 du PC817 se connecte au +12V et la broche 2 est connectée au fil noir du capteur via une résistance de 1k. Le capteur est alimenté à l'aide de fils marron et bleu comme d'habitude. (Marron – +12v, Bleu – 0V)

Pour lire le capteur, la broche 13 de l'Arduino est connectée à la broche 4 de l'optocoupleur et est tiré vers le haut en utilisant R3 (résistance 10k). Cela stabilise le signal d'entrée lorsque le capteur n'est pas actif.

Lorsqu'aucun objet n'est détecté, l'optocoupleur reste inactif. La broche 13 d'Arduino reste à +5V. Lorsque le capteur est actif, l'optocoupleur s'allume et tire la broche 13 à 0V. Ceci est surveillé à partir du code et peut être utilisé pour prendre des décisions telles que allumer/éteindre un moteur.

int interrupteur de fin de course=13 ;
int état = FAIBLE ;
int valeur;
annuler installation()
{
Serial.begin (9600);
pinMode (fin de course, INPUT);
}
annuler boucle()
{
value = digitalRead(limiteur);
   if(valeur !=état)
{
état=valeur ;
Serial.println("valeur du capteur =");
if (état==0)
{
Serial.println("cible détectée");
}

d'autre{
Serial.println ("Aucune cible détectée");
}
}
}

Symbole du capteur de proximité capacitif

Les capteurs de proximité à 3 et 2 fils sont les plus courants dans l'industrie de l'automatisation. Pour les distinguer, chacun d'eux a son propre symbole standard défini par la CEI (Commission Electrotechnique Internationale).

Symbole du capteur de proximité à 3 fils

Le fil BR en haut indique que la couleur est marron (BRpropre), et c'est le fil positif. Le fil BL en bas indique sa couleur bleue (BLue) et indique qu'il s'agit du fil 0V. BK est le noir (BlacK) fil, qui est la sortie.

Le symbole contient 4 sous-symboles. Le symbole en haut à gauche indique qu'il s'agit d'un capteur de proximité. Le symbole du transistor indique si le capteur est NPN ou PNP taper. Le symbole en bas à gauche indique qu'il s'agit d'un capteur capacitif tandis que le symbole en bas à droite signifie que la sortie est normalement fermé.

Symbole du capteur de proximité à 2 fils

Le symbole IEC pour les capteurs de proximité à 2 fils est presque identique à son homologue à 3 fils. La seule différence est que ce symbole n'a pas de fil de sortie séparé.

Les symboles dans le symbole du composant principal peuvent légèrement changer en fonction de la configuration du capteur. Cela inclut le type de sortie, le mode de détection (capacitif, inductif, etc.) et la configuration de sortie NO/NC.

Application de capteur de proximité capacitif

Les capteurs de proximité capacitifs sont utilisés dans les applications industrielles pour détecter à la fois des objets solides et des liquides. Leurs applications industrielles incluent :

• Automatisation de la production telle que le comptage des produits, les transferts de produits
• Processus de remplissage (c.-à-d. grain, poudre, encre, eau, etc.)
• Détection de niveau de liquide
• Essais de composition (densité, épaisseur, etc.)
• Détection de pression
• Détection d'humidité

Prix ​​du capteur de proximité capacitif

Le prix des capteurs de proximité capacitifs dépend de divers facteurs tels que la taille, la distance de détection, la tension de fonctionnement, le type de sortie et des fonctionnalités supplémentaires telles que IP (Ingress Protection) cotes et cotes de température.

Les prix des capteurs de proximité capacitifs peuvent varier d'environ 30 $ à 1500 XNUMX $ pour des modèles plus complexes et spécialisés.

Que peut détecter un capteur de proximité capacitif ?

Les capteurs de proximité capacitifs peuvent détecter à la fois des objets conducteurs et non conducteurs. Les objets/matériaux peuvent être sous forme solide, de granulés, de poudre et même de liquide. Cependant, ils sont principalement utilisés pour détecter les matériaux non métalliques comme le bois, les céréales, le plastique, le verre, l'eau et d'autres liquides tels que le carburant et les produits chimiques.

Avec des améliorations supplémentaires, les capteurs de proximité capacitifs peuvent détecter encore plus de paramètres tels que la pression et le débit de liquide.

De quoi sont faits les capteurs de proximité capacitifs ?

Il existe quelques types de matériaux utilisés pour fabriquer des capteurs de proximité capacitifs. Les capteurs de proximité de type cylindrique sont généralement fabriqués en acier inoxydable. Les capteurs avec boîtiers en acier inoxydable sont plus durables et conviennent à une utilisation dans des environnements à haute température/corrosifs.

Des plastiques comme le PBT (polybutylène téréphtalate) et le PVDF (polyfluorure de vinylidène) sont utilisés pour fabriquer des capteurs de proximité de plus petite taille tels que des modèles rectangulaires. Ils sont résistants à la température, aux flammes et aux UV et offrent une protection supplémentaire aux circuits du capteur. Ces plastiques spécialisés trouvent leurs utilisations dans des applications chimiques corrosives.

Conclusion

Dans cet article, nous avons discuté des capteurs de proximité capacitifs, de leur construction, de leur fonctionnement principal et de leurs applications. Bien que les capteurs capacitifs soient polyvalents, il existe d'autres types de capteurs de proximité qui peuvent être plus adaptés à une application spécifique. Des précautions doivent être prises pour identifier correctement le meilleur type de capteur de proximité et les calibrer pour s'assurer que les mesures prises sont correctes et précises.