Sensor Kedekatan Kapasitif

Pengantar

Ada banyak jenis sensor jarak yang digunakan dalam aplikasi yang berbeda. Kami menggunakan sensor jarak kapasitif untuk mendeteksi semua jenis objek tanpa kontak apa pun. Mereka merasakan objek dengan mengukur perubahan sifat listrik, kapasitansi.

Artikel ini bertujuan untuk memberikan panduan terperinci tentang sensor jarak kapasitif dan aplikasinya.

Apa itu Sensor Kedekatan Kapasitif?

Sensor jarak kapasitif adalah sensor yang dapat mendeteksi objek menggunakan properti listrik, kapasitansi. Mereka banyak digunakan untuk mendeteksi dan mengukur benda/cairan yang memiliki konstanta dielektrik lebih tinggi daripada udara. Ini termasuk segala sesuatu yang konduktif atau non-konduktif.

Sensor jarak kapasitif memiliki banyak aplikasi dalam sistem otomasi industri mulai dari mendeteksi posisi hingga menganalisis komposisi objek secara non-invasif.

Sensor Kedekatan Kapasitif dan Cara Kerjanya

Sensor jarak kapasitif adalah aplikasi khusus dari sensor kapasitif. Kami menggunakannya untuk mendeteksi keberadaan objek di lingkungan industri. Gambar di bawah ini adalah RS PRO M30 x 1.5 Sensor Kedekatan Kapasitif.

Sebelum menyelam lebih dalam, mari kita pahami apa itu kapasitor dan cara kerjanya. Secara sederhana, kapasitor adalah perangkat yang dapat menampung muatan listrik seperti baterai. Mereka terbuat dari dua pelat konduktif dengan bahan dielektrik mengisi celah. Bergantung pada lebar dielektrik, kapasitansinya (kapasitas untuk menyimpan muatan listrik) berubah.

Konstanta dielektrik tergantung pada bahan. Bahan dengan konstanta dielektrik tinggi mudah dideteksi. Misalnya, air lebih mudah dideteksi daripada minyak atau PVC. Ini karena air memiliki konstanta dielektrik sekitar 78 dan untuk PVC hanya sekitar 5.

Sensor jarak kapasitif mengikuti prinsip yang sama, hanya satu pelat yang sekarang menjadi objek yang ingin kami deteksi. Mendekatkan objek ke wajah penginderaan menyebabkan kapasitansi berubah. Sensor kemudian dapat mengukur perubahan dan menentukan apakah objek dekat.

Tidak mungkin untuk secara langsung mengukur perubahan kapasitansi dengan cara biasa. Untuk mengatasi ini, sensor jarak kapasitif memiliki sirkuit khusus di dalamnya. Sirkuit melakukan semua pemrosesan sinyal untuk akhirnya menghasilkan sinyal digital yang dapat digunakan.

Tahap pertama dari sensor adalah kapasitor itu sendiri. Ketika sebuah objek berada di dekat permukaan penginderaan, ia membentuk sebuah kapasitor. Udara di antara mereka menjadi bahan dielektrik. Di dalam sensor terdapat rangkaian osilator. Ini bisa berupa RC or LC osilator sirkuit.

Kapasitansi yang dibuat oleh objek eksternal memulai osilasi di sirkuit. Jarak terkecil yang harus dipertahankan objek dengan permukaan sensor untuk memulai osilasi ini juga dikenal sebagai 'titik operasi'. Ini dapat disesuaikan di sebagian besar sensor. Ketika sebuah objek mendekat ke sensor, frekuensi osilasi ini meningkat. Hal ini menyebabkan amplitudo osilasi meningkat.

Rangkaian ini juga terdiri dari rangkaian pemicu dengan histeresis. Rangkaian pemicu memonitor frekuensi dan amplitudo osilasi. Ini mengontrol output jika amplitudo melampaui nilai yang telah ditentukan sebelumnya. Ada sensor yang dapat mengeluarkan sinyal digital atau analog.

Sensor jarak menyediakan sarana untuk menyesuaikan titik operasinya. Beberapa memiliki potensiometer sementara yang lain mungkin memiliki 'tombol ajar' khusus. Tombol ini atau sekrup potensiometer dapat digunakan untuk mengkalibrasi sensor. Meningkatkan sensitivitas juga membuat sensor lebih rentan terhadap deteksi palsu. Ini berarti bahwa kadang-kadang bahkan perubahan kelembaban dan suhu dapat menyebabkan sensor terpicu.

Sensor kapasitif dapat mendeteksi bahan konduktif dan non-konduktif. Bahan konduktif paling mudah dideteksi karena membentuk kapasitor yang baik dengan sensor. Dalam hal ini, kekuatan dielektrik menjadi diabaikan.

Mendeteksi bahan non-konduktif tergantung pada tiga faktor:

• Ukuran permukaan sensor – permukaan yang lebih besar memungkinkan jarak penginderaan yang lebih jauh
• Konstanta dielektrik bahan target – semakin tinggi konstanta, semakin jauh jaraknya
• Luas permukaan target – luas permukaan lebih besar, jarak lebih jauh

Kecepatan dan suhu target juga dapat memengaruhi jarak penginderaan.

Rentang Penginderaan

Sensor jarak kapasitif memiliki jangkauan penginderaan yang lebih besar daripada rekan induktifnya. Rentang deteksi jatuh antara 3 hingga 60mm. Jarak penginderaan terbesar didasarkan pada target standar, pelat baja arde Fe 1 ​​setebal 360 mm. Ini harus memiliki panjang sisi yang merupakan diameter permukaan sensor. Jika jarak penginderaan lebih besar dari diameter, panjang sisi harus tiga kali jarak penginderaan terukur.

Benda non-konduktif harus memiliki faktor reduksi berdasarkan konstanta dielektrik material. Ada tabel yang memberikan nilai perkiraan untuk beberapa bahan. Mereka membantu menentukan jarak penginderaan yang akurat.

Ada dua parameter penting ketika mempertimbangkan rentang penginderaan:

• Jarak penginderaan terukur/nominal (Sn)
  • Ini adalah nilai teoretis. Ini tidak termasuk toleransi manufaktur, tegangan operasi, atau suhu.
• Jarak penginderaan efektif (Sr)
  • Ditetapkan untuk serangkaian kondisi tertentu. (yaitu flush mount, suhu kamar, dan tegangan suplai yang diberikan)

Histeresis

Histeresis adalah perbedaan antara jarak sakelar hidup dan jarak sakelar mati. Ini mendefinisikan daerah bukan a line untuk merasakan suatu objek.

Histeresis menyebabkan output 'mengunci' bahkan ketika objek bergerak dari atau menuju bidang sensor. Ini mencegah efek 'berceloteh' (menghidupkan dan mematikan output berulang-ulang) jika suatu objek berada di tepi jangkauan deteksi.

Histeresis adalah parameter independen. Ini adalah persentase dari jarak penginderaan terukur. Misalnya, sensor dengan jarak penginderaan terukur 20mm dapat memiliki histeresis maksimal 15%. Ini adalah sekitar 3mm dari jangkauan penginderaan. Ini dapat bervariasi dari satu sensor ke sensor lainnya, bahkan di antara model yang sama.

Ada beberapa faktor yang dapat mempengaruhi histeresis:

• Suhu sensor sekitar dan lokal
• Tekanan atmosfir
• Kelembaban relatif
• Tegangan mekanis dari rumah sensor
• Korelasi sensitivitas – sensitivitas lebih tinggi, histeresis lebih besar

Jenis Sensor Kapasitif

Sensor kapasitif digunakan untuk mendeteksi berbagai jenis material. Ini juga termasuk aliran fluida, level cairan, dan bahkan tekanan. Ada berbagai sensor jarak kapasitif di pasaran:

• Sensor kapasitif miniatur
  • Sensor kapasitif miniatur datang dalam paket silinder atau tipe wafer untuk menghemat ruang pemasangan. Sensor ini tidak memiliki sirkuit pemrosesan sinyal di dalamnya. Sebuah amplifier terpisah digunakan untuk memproses sinyal.
• Sensor kapasitif silinder
  • Ini lebih besar dari sensor mini dan dapat memiliki diameter dari 6.5 mm hingga 30 mm. Jarak penginderaan mereka dapat disesuaikan.
• Sensor kapasitif suhu tinggi
  • Sensor kapasitif suhu tinggi dirancang untuk menahan suhu ekstrem dan bahkan dapat menangani kontak langsung dengan benda/cairan bersuhu tinggi.
• Sensor kapasitif analog
  • Ini menemukan aplikasi mereka dalam pemilihan material, pemantauan ketebalan, dan tugas pemeriksaan konsentrasi. Sensor analog mengeluarkan rentang tegangan/arus untuk membantu menentukan jenis objek yang dipantau.

Diagram Pengkabelan Sensor Kapasitif

Ada beberapa diagram pengkabelan sensor yang digunakan dalam industri otomasi. Kami dapat mengklasifikasikan sensor berdasarkan jenis tegangan suplai dan jenis outputnya:

• Pasokan AC atau DC
  • Menentukan apakah sensor bekerja dengan catu daya 220V AC atau 24V DC
• Jenis output
  • Output transistor (3-kawat)
    • Sensor keluaran transistor dapat berupa NPN atau PNP. Untuk kedua tipe tersebut, berikut adalah opsi output NO (Normally Open) dan NC (Normally Closed). Beberapa sensor bahkan mungkin mendukung keduanya. (TIDAK+NC).
  • Output relai (2-kawat atau 3-kawat)
    • Sensor AC 2-kawat dan 3-kawat selalu merupakan tipe keluaran relai. Sensor DC dapat berupa tipe keluaran relay atau transistor. Sensor keluaran relai juga memiliki opsi NO, NC, dan NO+NC.

Berikut ini adalah OMCH.coberbagai sensor jarak kapasitif dan opsi kabel yang mereka sediakan:

Di bawah ini adalah diagram pengkabelan yang umum digunakan dari beberapa jenis sensor jarak. Meskipun tidak jarang, model 4-kawat tidak banyak digunakan selain dalam aplikasi yang sangat khusus.

Penyesuaian Sensitivitas Sensor Kapasitif

Ada dua pendekatan. kita dapat mengambil untuk mengatur sensitivitas sensor kapasitif.

• Menyesuaikan posisi sensor

Kita dapat mengatur posisi sensor dengan mengatur ulir dan mur pengunci. Ini memungkinkan kita untuk menempatkan sensor lebih dekat atau jauh dari objek dan memasang sensor secara permanen ke braket. Penyesuaian harus dilakukan saat sensor dinyalakan dan objek yang akan dideteksi ada. Sesuaikan sensor maju mundur sampai LED sensor menunjukkan bahwa objek terdeteksi.

• Menyesuaikan sensitivitas sensor

Penyesuaian sensitivitas sensor jarak berguna ketika kita tidak dapat mengatur posisi sensor.

Untuk menyesuaikan sensor ke mendeteksi kehadiran dari suatu objek atau kondisi penuh, ikuti langkah ini:

1. Putar sekrup penyetel berlawanan arah jarum jam dan kurangi sensitivitas seminimal mungkin.
2. Tempatkan objek yang akan dideteksi dalam jangkauan deteksi sensor. Putar sekrup penyetel secara perlahan searah jarum jam hingga sensor mendeteksi objek. Indikator LED pada sensor menyala ketika mendeteksi objek.
3. Putar sekrup penyetel putaran lebih jauh untuk keselamatan (langkah opsional)

Untuk menyesuaikan sensor ke mendeteksi ketidakhadiran dari suatu objek atau kondisi kosong, ikuti langkah ini:

1. Putar sekrup penyetel searah jarum jam dan tingkatkan sensitivitas hingga maksimum.
2. Indikator LED pada sensor akan menyala meskipun tidak ada objek.
3. Putar sekrup penyetel berlawanan arah jarum jam sampai LED mati.
4. Putar sekrup penyetel putaran lebih jauh untuk keselamatan (langkah opsional)

Rangkaian Sensor Kedekatan Kapasitif dalam Kedalaman

Bagi yang tertarik untuk memahami prinsip kerja sensor jarak kapasitif, mari kita lihat lebih dalam.

Seperti disebutkan sebelumnya, sensor jarak kapasitif menampung sirkuit kompleks di dalamnya. Ini memiliki empat bagian utama:

• Tahap Osilator
• Tahap Demodulator
• Tahap Pemicu
• Tahap Output

Tahap Osilator

Tahap osilator berisi RC osilator relaksasi. Rangkaian ini merupakan rangkaian berbasis op-amp. Kapasitor dan resistor dalam rangkaian ini menentukan frekuensi osilasi. Kapasitor C1 yang digunakan untuk mengontrol frekuensi osilasi digabungkan dengan kepala sensor. Jika objek eksternal mencapai dekat kepala sensor, frekuensi osilasi berubah. Sinyal berosilasi dari tahap ini merupakan input ke tahap demodulator.

Tahap Demodulator

Tahap demodulator mengambil sinyal berosilasi dari tahap sebelumnya dan memperbaikinya. Sirkuit yang ditunjukkan di atas memiliki penyearah setengah gelombang. Kapasitor C3 menghaluskan sinyal tegangan dan mengeluarkan tegangan DC yang stabil ke tahap pemicu.

Tahap Pemicu

Tahap ini memiliki komponen khusus bernama 'pemicu schmitt'. Perangkat ini dapat 'menempel' ke output tertentu melalui berbagai input. Misalnya, pemicu schmitt dapat mengeluarkan logika HIGH untuk tegangan input lebih dari 3V, dan logika output LOW setelah tegangan input turun di bawah 2.5V. Perbedaan 0.5v disebut 'histeresis' dan membantu output tetap stabil jika tegangan input sedikit berubah.

Tahap Output

Tahap pemicu mengontrol tahap keluaran. Sensor yang ditunjukkan di sini memiliki output transistor. Ini adalah sebuah jenis tenggelam (NPN) keluaran. Setelah tahap pemicu memberikan sinyal logika TINGGI, transistor pada tahap keluaran aktif. Ini menyebabkan rangkaian beban untuk menyelesaikan dan mengaktifkan beban. Pada sensor keluaran relai transistor digantikan oleh relai kecil.

Tahap keluaran juga terdiri dari dioda D2 dan Z1 untuk melindungi sensor. Jika polaritas catu daya dibalik, dioda ini akan melindungi sensor.

Sensor Kedekatan Kapasitif vs. Sensor Kedekatan Induktif

Sensor jarak kapasitif dan induktif adalah dua sensor jarak yang paling populer. Sensor kapasitif dapat mendeteksi bahan konduktif dan non-konduktif. Sensor jarak induktif hanya dapat mendeteksi material logam (konduktif).

Sensor jarak induktif menggunakan prinsip elektromagnetisme untuk mendeteksi objek. Karena alasan ini, mereka hanya dapat mendeteksi benda logam yang terbuat dari besi, tembaga, atau aluminium. Sirkuit internal mereka sangat mirip dengan sensor kapasitif. Perbedaan utama adalah pada rangkaian osilator. Sensor induktif menggunakan prinsip elektromagnetisme dan Arus pusar sedangkan sensor kapasitif menggunakan kapasitansi untuk mengontrol osilasi.

Sensor induktif cukup cepat dan dalam kisaran 10-20Hz di AC dan 500Hz-5kHz di DC. Mereka memiliki jangkauan penginderaan sekitar 4-40mm. Sensor yang dirancang khusus juga tersedia yang memiliki jarak penginderaan hingga sekitar 80mm. Namun, mereka memiliki jangkauan penginderaan yang sempit karena keterbatasan medan magnet.

Sensor kapasitif relatif lebih lambat daripada sensor induktif. Ini karena melibatkan pengisian pelat konduktif di sensor. Kecepatannya berada di kisaran 10 hingga 50Hz. Sensor jarak kapasitif memiliki kisaran nominal 3mm-60mm. Mungkin ada sensor khusus yang memiliki jarak penginderaan lebih tinggi.

Sensor kapasitif lebih rawan kesalahan karena dapat mendeteksi semua jenis objek. Ini dapat menyebabkan pemicu palsu sensor oleh bahan non-target. Oleh karena itu jika minat pada benda logam, sensor jarak induktif bisa menjadi pilihan yang lebih baik. Misalnya, untuk mendeteksi benda logam dalam produk makanan, sensor jarak induktif adalah pilihan yang lebih andal.

Sensor Kedekatan Kapasitif dengan Arduino

Sensor industri dibuat untuk bekerja dengan tegangan yang lebih tinggi seperti 12V atau 24V DC dan bahkan 220V AC. Papan pengembangan Arduino bekerja dengan 5V DC. Untuk menggunakan sensor jarak dengan Arduino, perlu untuk mengubah sinyal tegangan tinggi menjadi tegangan yang lebih rendah.

Di sirkuit ini oleh Elektroklinik, sensor jarak tipe PNP digunakan. Optocoupler/optoisolator PC817 melindungi Arduino dari sinyal tegangan tinggi. Pin 1 dari PC817 terhubung ke +12V, dan pin 2 terhubung ke kabel hitam sensor melalui resistor 1k. Sensor ini didukung menggunakan kabel coklat dan biru seperti biasa. (Coklat – +12v, Biru – 0V)

Untuk membaca sensor, pin Arduino 13 terhubung ke pin 4 optocoupler, dan ditarik ke atas menggunakan R3 (resistor 10k). Ini menstabilkan sinyal input saat sensor tidak aktif.

Ketika tidak ada objek yang terdeteksi, optocoupler tetap tidak aktif. Pin 13 Arduino tetap di +5V. Saat sensor aktif, optocoupler menyala dan menarik pin 13 ke 0V. Ini dipantau dari kode dan dapat digunakan untuk membuat keputusan seperti menghidupkan/mematikan motor.

int sakelar batas=13;
int negara = RENDAH;
int nilai;
membatalkan penyiapan()
{
Serial.begin (9600);
pinMode (sakelar batas, INPUT);
}
membatalkan lingkaran()
{
nilai = digitalRead(sakelar batas);
   if(nilai!=status)
{
negara = nilai;
Serial.println(“nilai sensor =”);
if (status==0)
{
Serial.println("target terdeteksi");
}

lain{
Serial.println("Target tidak terdeteksi");
}
}
}

Simbol Sensor Kedekatan Kapasitif

Sensor jarak 3-kawat dan 2-kawat adalah yang paling umum di industri otomasi. Untuk membedakannya, masing-masing memiliki simbol standarnya sendiri yang ditentukan oleh IEC (International Electrotechnical Commission).

Simbol sensor jarak 3-kawat

Kawat BR di bagian atas menunjukkan bahwa warnanya coklat (BRsendiri), dan itu adalah kabel positif. Kawat BL di bagian bawah menunjukkan warna biru (BLue) dan menunjukkan itu adalah kabel 0V. BK adalah hitam (BdanauK) kawat, yang merupakan output.

Simbol tersebut berisi 4 sub simbol. Simbol kiri atas menunjukkan bahwa ini adalah sensor jarak. Simbol transistor menunjukkan jika sensor NPN atau PNP Tipe. Simbol kiri bawah menunjukkan bahwa itu adalah sensor kapasitif sedangkan simbol kanan bawah berarti outputnya adalah biasanya tertutup.

Simbol sensor jarak 2-kawat

Simbol IEC untuk sensor jarak 2-kawat hampir identik dengan rekan 3-kawatnya. Satu-satunya perbedaan adalah bahwa simbol ini tidak memiliki kabel keluaran terpisah.

Simbol di dalam simbol komponen utama dapat sedikit berubah tergantung pada konfigurasi sensor. Ini termasuk tipe keluaran, mode penginderaan (kapasitif, induktif, dll.) dan konfigurasi keluaran NO/NC.

Aplikasi Sensor Kedekatan Kapasitif

Sensor jarak kapasitif digunakan dalam aplikasi industri untuk mendeteksi benda padat dan cairan. Aplikasi industri mereka meliputi:

• Otomatisasi produksi seperti menghitung produk, transfer produk
• Proses pengisian (yaitu biji-bijian, bubuk, tinta, air, dll.)
• Penginderaan tingkat cairan
• Pengujian komposisi (kepadatan, ketebalan, dll.)
• Sensing tekanan
• Penginderaan kelembaban

Harga sensor jarak kapasitif

Harga sensor jarak kapasitif tergantung pada berbagai faktor seperti ukuran, jarak penginderaan, tegangan operasi, jenis output, dan fitur tambahan seperti IP (Perlindungan Ingress) peringkat dan peringkat suhu.

Harga sensor jarak kapasitif dapat bervariasi dari sekitar $30 hingga $ 1500 untuk model yang lebih kompleks dan khusus.

Apa yang dapat dideteksi oleh sensor jarak kapasitif?

Sensor jarak kapasitif dapat mendeteksi objek konduktif dan non-konduktif. Benda/bahan tersebut dapat berbentuk padat, butiran, bubuk, bahkan cair. Namun, mereka sebagian besar digunakan untuk mendeteksi bahan non-logam seperti kayu, biji-bijian, plastik, kaca, air, dan cairan lain seperti bahan bakar dan bahan kimia.

Dengan peningkatan tambahan, sensor jarak kapasitif dapat mendeteksi lebih banyak parameter seperti tekanan dan aliran cairan.

Terbuat dari apa sensor jarak kapasitif?

Ada beberapa jenis bahan yang digunakan untuk membuat sensor jarak kapasitif. Sensor proximity tipe silinder biasanya terbuat dari stainless steel. Sensor dengan rumah stainless steel lebih tahan lama dan cocok untuk digunakan di lingkungan bersuhu tinggi/korosif.

Plastik seperti PBT (Polybutylene Terephthalate) dan PVDF (Polyvinylidene Fluoride) digunakan untuk membuat sensor jarak berukuran lebih kecil seperti model persegi panjang. Mereka tahan suhu, api, dan UV dan memberikan perlindungan ekstra pada sirkuit sensor. Plastik khusus ini menemukan penggunaannya dalam aplikasi kimia korosif.

Kesimpulan

Pada artikel ini, kami membahas sensor jarak kapasitif, konstruksinya, prinsip operasi, dan aplikasinya. Sementara sensor kapasitif serbaguna, ada jenis sensor jarak lain yang mungkin lebih cocok untuk aplikasi tertentu. Perawatan harus dilakukan untuk mengidentifikasi dengan benar jenis sensor jarak terbaik dan mengkalibrasinya untuk memastikan pengukuran yang dilakukan benar dan akurat.