Sensore di prossimità capacitivo

Introduzione

Esistono molti tipi di sensori di prossimità utilizzati in diverse applicazioni. Utilizziamo sensori di prossimità capacitivi per rilevare qualsiasi tipo di oggetto senza alcun contatto. Percepiscono gli oggetti misurando il cambiamento di una proprietà elettrica, capacità.

Questo articolo mira a fornire una guida dettagliata su sensori di prossimità capacitivi e le loro applicazioni.

Che cos'è un sensore di prossimità capacitivo?

Un sensore di prossimità capacitivo è un sensore in grado di rilevare un oggetto utilizzando la proprietà elettrica, capacità. Sono ampiamente utilizzati per rilevare e misurare oggetti/fluidi che hanno una costante dielettrica maggiore dell'aria. Ciò include tutto ciò che è conduttivo o non conduttivo.

I sensori di prossimità capacitivi hanno molte applicazioni nei sistemi di automazione industriale, dal rilevamento delle posizioni all'analisi della composizione degli oggetti in modo non invasivo.

Sensore di prossimità capacitivo e come funziona

I sensori di prossimità capacitivi sono un'applicazione speciale dei sensori capacitivi. Li utilizziamo per rilevare la presenza di oggetti in ambienti industriali. L'immagine mostrata di seguito è un Sensore di prossimità capacitivo RS PRO M30 x 1.5.

Prima di addentrarci più nel dettaglio, capiamo cos'è un condensatore e come funziona. In parole povere, un condensatore è un dispositivo che può contenere una carica elettrica come una batteria. Sono costituiti da due piastre conduttive con un materiale dielettrico che riempie lo spazio vuoto. A seconda della larghezza del dielettrico, la loro capacità (capacità di immagazzinare carica elettrica) cambia.

La costante dielettrica dipende dal materiale. I materiali con un'elevata costante dielettrica sono facili da rilevare. Ad esempio, l'acqua è più rilevabile dell'olio o del PVC. Questo perché l'acqua ha una costante dielettrica di circa 78 e per il PVC è solo di circa 5.

Un sensore di prossimità capacitivo segue lo stesso principio, solo una delle piastre ora è l'oggetto che vogliamo rilevare. Avvicinare un oggetto alla superficie di rilevamento provoca la variazione della capacità. Il sensore può quindi misurare il cambiamento e determinare se l'oggetto è vicino.

Non è possibile misurare direttamente la variazione di capacità con mezzi ordinari. Per risolvere questo problema, i sensori di prossimità capacitivi hanno al loro interno circuiti specializzati. Il circuito esegue tutta l'elaborazione del segnale per emettere infine un segnale digitale utilizzabile.

Il primo stadio del sensore è il condensatore stesso. Quando un oggetto è vicino alla superficie sensibile, forma un condensatore. L'aria tra di loro diventa il materiale dielettrico. All'interno del sensore, c'è un circuito oscillatore. Questo può essere un RC or LC dell'oscillatore circuito.

La capacità creata dall'oggetto esterno avvia un'oscillazione nel circuito. Questa distanza minima che un oggetto deve mantenere con la superficie del sensore per avviare l'oscillazione è anche nota come "punto operativo". Questo è regolabile nella maggior parte dei sensori. Quando un oggetto si avvicina al sensore, questa frequenza di oscillazione aumenta. Ciò fa aumentare l'ampiezza dell'oscillazione.

Il circuito è costituito anche da un circuito di trigger con isteresi. Il circuito di trigger controlla la frequenza e l'ampiezza dell'oscillazione. Controlla l'uscita se l'ampiezza supera un valore preimpostato. Esistono sensori in grado di emettere segnali digitali o analogici.

I sensori di prossimità forniscono i mezzi per regolare il loro punto operativo di. Alcuni hanno potenziometri mentre altri possono avere un "pulsante di apprendimento" dedicato. Questo pulsante o la vite del potenziometro possono essere utilizzati per calibrare il sensore. L'aumento della sensibilità rende inoltre il sensore più suscettibile ai falsi rilevamenti. Ciò significa che a volte anche i cambiamenti di umidità e temperatura possono causare l'attivazione del sensore.

I sensori capacitivi possono rilevare sia materiale conduttivo che non conduttivo. I materiali conduttivi sono i più facili da rilevare poiché formano un buon condensatore con il sensore. In questo caso, la rigidità dielettrica diventa trascurabile.

Il rilevamento di materiale non conduttivo dipende da tre fattori:

• Dimensioni della superficie del sensore: una superficie più ampia consente distanze di rilevamento maggiori
• La costante dielettrica del materiale target: maggiore è la costante, maggiore è la distanza
• La superficie del bersaglio: superficie maggiore, distanza maggiore

Anche la velocità e la temperatura target possono influenzare la distanza di rilevamento.

Gamma di rilevamento

Un sensore di prossimità capacitivo ha un campo di rilevamento più ampio rispetto alla sua controparte induttiva. Il campo di rilevamento è compreso tra 3 e 60 mm. La distanza di rilevamento maggiore si basa su un target standard, una piastra in acciaio Fe 1 ​​con messa a terra dello spessore di 360 mm. Questo dovrebbe avere una lunghezza laterale pari al diametro della superficie del sensore. Se la distanza di rilevamento è maggiore del diametro, la lunghezza del lato deve essere tre volte la distanza di rilevamento nominale.

Gli oggetti non conduttivi dovrebbero avere un fattore di riduzione basato sulla costante dielettrica del materiale. Sono disponibili tabelle che forniscono valori approssimativi per alcuni materiali. Aiutano a determinare una distanza di rilevamento accurata.

Ci sono due parametri importanti quando si considera il campo di rilevamento:

• Distanza di rilevamento nominale/nominale (Sn)
  • Questo è un valore teorico. Non include tolleranze di produzione, tensioni di esercizio o temperature.
• Distanza di rilevamento effettiva (Sr)
  • Definito per un insieme specifico di condizioni. (cioè montaggio a incasso, temperatura ambiente e una data tensione di alimentazione)

Isteresi

L'isteresi è la differenza tra la distanza di accensione e la distanza di spegnimento. Definisce a zona piuttosto che un linea per il rilevamento di un oggetto.

L'isteresi fa sì che l'uscita si 'blocca' anche quando l'oggetto si sposta da o verso il campo del sensore. In questo modo si evita l'effetto "vibrazione" (attivazione e disattivazione continua dell'uscita) se un oggetto si trova al limite del campo di rilevamento.

L'isteresi è un parametro indipendente. È una percentuale della distanza di rilevamento nominale. Ad esempio, un sensore con una distanza di rilevamento nominale di 20 mm può avere un'isteresi massima del 15%. Si tratta di circa 3 mm del campo di rilevamento. Può variare da sensore a sensore, anche tra lo stesso modello.

Ci sono diversi fattori che possono influenzare l'isteresi:

• Temperatura del sensore ambientale e locale
• Pressione atmosferica
• Umidità relativa
• Stress meccanico dell'alloggiamento del sensore
• Correlazione della sensibilità: maggiore sensibilità, maggiore isteresi

Tipi di sensori capacitivi

I sensori capacitivi vengono utilizzati per rilevare molti tipi di materiali. Ciò include anche il flusso del fluido, il livello del liquido e persino la pressione. Sul mercato sono disponibili diversi sensori di prossimità capacitivi:

• Sensori capacitivi miniaturizzati
  • I sensori capacitivi miniaturizzati sono disponibili in confezioni cilindriche o di tipo wafer per risparmiare spazio di montaggio. Questi sensori non hanno al loro interno il circuito di elaborazione del segnale. Un amplificatore separato viene utilizzato per elaborare i segnali.
• Sensori capacitivi cilindrici
  • Questi sono più grandi dei sensori in miniatura e possono avere un diametro da 6.5 ​​mm a 30 mm. Le loro distanze di rilevamento sono regolabili.
• Sensori capacitivi ad alta temperatura
  • I sensori capacitivi per alte temperature sono progettati per resistere a temperature estreme e possono persino gestire il contatto diretto con oggetti/fluidi ad alta temperatura.
• Sensori capacitivi analogici
  • Questi trovano le loro applicazioni nella selezione dei materiali, nel monitoraggio dello spessore e nelle attività di controllo della concentrazione. I sensori analogici emettono una gamma di tensioni/correnti per aiutare a determinare il tipo di oggetto che sta monitorando.

Schema di cablaggio del sensore capacitivo

Ci sono parecchi schemi di cablaggio dei sensori utilizzati nel settore dell'automazione. Possiamo classificare i sensori in base al tipo di tensione di alimentazione e al tipo di uscita:

• Alimentazione CA o CC
  • Determina se i sensori funzionano con alimentazione a 220 V CA o 24 V CC
• Tipo di uscita
  • Uscita a transistor (3 fili)
    • I sensori di uscita a transistor possono essere NPN o PNP. Per entrambi i tipi, qui ci sono le opzioni di uscita NO (normalmente aperto) e NC (normalmente chiuso). Alcuni sensori potrebbero persino supportare entrambi. (NO+NC).
  • Uscita relè (2 fili o 3 fili)
    • I sensori CA a 2 e 3 fili sono sempre del tipo con uscita a relè. I sensori CC possono essere del tipo con uscita a relè o a transistor. I sensori di uscita relè hanno anche le opzioni NO, NC e NO+NC.

Qui è OMCH.cogamma di sensori di prossimità capacitivi e le opzioni di cablaggio che forniscono:

Di seguito è mostrato lo schema elettrico comunemente usato di alcuni tipi di sensori di prossimità. Sebbene non siano rari, i modelli a 4 fili non sono ampiamente utilizzati se non in applicazioni molto speciali.

Regolazioni della sensibilità di un sensore capacitivo

Ci sono due approcci. possiamo prendere per regolare la sensibilità di un sensore capacitivo.

• Regolazione della posizione del sensore

Possiamo regolare la posizione del sensore regolando la filettatura e i dadi di bloccaggio. Questo ci consente di posizionare il sensore più vicino o lontano dall'oggetto e di montare in modo permanente il sensore su una staffa. La regolazione dovrebbe avvenire quando il sensore è alimentato e l'oggetto da rilevare è presente. Regolare il sensore avanti e indietro finché il LED del sensore non indica che l'oggetto è stato rilevato.

• Regolazione della sensibilità del sensore

La regolazione della sensibilità di un sensore di prossimità è utile quando non è possibile regolare la posizione del sensore.

Per regolare un sensore su rilevare la presenza di un oggetto o condizioni complete, Segui questi passi:

1. Ruotare la vite di regolazione in senso antiorario e ridurre al minimo la sensibilità.
2. Posizionare l'oggetto da rilevare all'interno del raggio di rilevamento del sensore. Ruotare lentamente la vite di regolazione in senso orario finché il sensore non rileva l'oggetto. L'indicatore LED sul sensore si accende quando rileva l'oggetto.
3. Ruotare la vite di regolazione di ¼ di giro ulteriormente per sicurezza (passo opzionale)

Per regolare un sensore su rilevare l'assenza di un oggetto o condizione vuota, Segui questi passi:

1. Ruotare la vite di regolazione in senso orario e aumentare la sensibilità al massimo.
2. L'indicatore LED sul sensore si accenderà anche quando non è presente alcun oggetto.
3. Ruotare la vite di regolazione in senso antiorario fino allo spegnimento del LED.
4. Ruotare la vite di regolazione di ¼ di giro ulteriormente per sicurezza (passo opzionale)

Circuito del sensore di prossimità capacitivo in dettaglio

Per chi fosse interessato a comprendere il principio di funzionamento di un sensore di prossimità capacitivo, diamo uno sguardo approfondito.

Come accennato in precedenza, un sensore di prossimità capacitivo ospita al suo interno circuiti complessi. Ha quattro parti principali:

• Oscillatore
• Stadio demodulatore
• Fase di attivazione
• Stadio di uscita

Oscillatore

Lo stadio dell'oscillatore contiene un RC oscillatore di rilassamento. Questo circuito è un circuito basato su amplificatori operazionali. Condensatori e resistori in questo circuito determinano la frequenza di oscillazione. Il condensatore C1 utilizzato per controllare la frequenza di oscillazione è accoppiato con la testa del sensore. Se un oggetto esterno si avvicina alla testa del sensore, la frequenza di oscillazione cambia. Il segnale oscillante da questo stadio è un ingresso allo stadio demodulatore.

Stadio demodulatore

Lo stadio demodulatore preleva il segnale oscillante dallo stadio precedente e lo rettifica. Questo circuito mostrato sopra ha a raddrizzatore a semionda. Il condensatore C3 livella il segnale di tensione ed emette una tensione continua stabile nello stadio di trigger.

Fase di attivazione

Questa fase ha un componente speciale chiamato 'innesco di Schmitt'. Questo dispositivo può "agganciarsi" a un'uscita specifica attraverso una gamma di ingressi. Ad esempio, un trigger di Schmitt può emettere logica ALTA per tensioni di ingresso superiori a 3 V e logica di uscita BASSA una volta che la tensione di ingresso scende al di sotto di 2.5 V. La differenza di 0.5 V è chiamata "isteresi" e aiuta l'uscita a rimanere stabile se la tensione di ingresso cambia leggermente.

Stadio di uscita

Lo stadio di trigger controlla lo stadio di uscita. Il sensore mostrato qui ha un'uscita a transistor. È un tipo affondante (NPN) produzione. Una volta che lo stadio di trigger fornisce un segnale logico ALTO, il transistor nello stadio di uscita si attiva. Fa sì che il circuito di carico si completi e attiva il carico. Nei sensori di uscita a relè il transistor è sostituito da un piccolo relè.

Lo stadio di uscita è costituito anche dai diodi D2 e ​​Z1 per proteggere il sensore. Se la polarità dell'alimentazione è invertita, questi diodi proteggeranno il sensore.

Sensori di prossimità capacitivi e sensori di prossimità induttivi

I sensori di prossimità capacitivi e induttivi sono due dei sensori di prossimità più popolari. I sensori capacitivi possono rilevare sia materiali conduttivi che non conduttivi. I sensori di prossimità induttivi possono rilevare solo materiale metallico (conduttivo).

I sensori di prossimità induttivi utilizzano il principio dell'elettromagnetismo per rilevare gli oggetti. Per questo motivo, possono rilevare solo oggetti metallici in ferro, rame o alluminio. Il loro circuito interno è molto simile ai sensori capacitivi. La differenza principale è nel circuito dell'oscillatore. I sensori induttivi utilizzano i principi dell'elettromagnetismo e correnti parassite mentre i sensori capacitivi utilizzano la capacità per controllare l'oscillazione.

I sensori induttivi sono abbastanza più veloci e nell'intervallo 10-20Hz in AC e 500Hz-5kHz in DC. Hanno un raggio di rilevamento di circa 4-40 mm. Sono inoltre disponibili sensori appositamente progettati con distanze di rilevamento fino a circa 80 mm. Tuttavia, hanno un campo di rilevamento ristretto a causa delle limitazioni del campo magnetico.

I sensori capacitivi sono relativamente più lenti dei sensori induttivi. Questo perché comporta la ricarica della piastra conduttiva nel sensore. La velocità è nell'intervallo da 10 a 50Hz. I sensori di prossimità capacitivi hanno una gamma nominale di 3 mm-60 mm. Possono esserci sensori speciali che hanno distanze di rilevamento più elevate.

I sensori capacitivi sono più soggetti a errori in quanto possono rilevare tutti i tipi di oggetti. Ciò può causare una falsa attivazione del sensore da parte di materiali non bersaglio. Pertanto, se l'interesse è negli oggetti metallici, un sensore di prossimità induttivo può essere una scelta migliore. Ad esempio, per rilevare oggetti metallici in un prodotto alimentare, un sensore di prossimità induttivo è un'opzione più affidabile.

Sensore di prossimità capacitivo con Arduino

I sensori industriali sono costruiti per funzionare con tensioni più elevate come 12V o 24V DC e persino 220V AC. Le schede di sviluppo Arduino funzionano con 5V DC. Per utilizzare un sensore di prossimità con un Arduino, è necessario convertire il segnale ad alta tensione in un voltaggio più basso.

In questo circuito di Elettroclinica, viene utilizzato un sensore di prossimità di tipo PNP. Il fotoaccoppiatore/optoisolatore PC817 protegge l'Arduino dai segnali ad alta tensione. Il pin 1 del PC817 si collega a +12V e il pin 2 è collegato al filo nero del sensore tramite un resistore da 1k. Il sensore è alimentato come di consueto utilizzando i fili marrone e blu. (Marrone – +12 V, Blu – 0 V)

Per leggere il sensore, il pin 13 di Arduino è collegato al pin 4 del fotoaccoppiatore ed è tirato su utilizzando R3 (resistenza 10k). Questo stabilizza il segnale in ingresso quando il sensore non è attivo.

Quando non viene rilevato alcun oggetto, l'accoppiatore ottico rimane inattivo. Il pin 13 di Arduino rimane a +5V. Quando il sensore è attivo, il fotoaccoppiatore si accende e porta il pin 13 a 0V. Questo è monitorato dal codice e può essere usato per prendere decisioni come accendere/spegnere un motore.

int finecorsa=13;
int stato= BASSO;
int valore;
nulla flessibile.()
{
Serial.begin (9600);
pinMode(finecorsa,INPUT);
}
nulla loop()
{
valore = digitalRead(finecorsa);
   if(valore!=stato)
{
stato=valore;
Serial.println("valore sensore =");
if (stato==0)
{
Serial.println(“bersaglio rilevato”);
}

altro{
Serial.println("Nessun obiettivo rilevato");
}
}
}

Simbolo del sensore di prossimità capacitivo

I sensori di prossimità a 3 e 2 fili sono i più comuni nel settore dell'automazione. Per distinguerli, ognuno di essi ha un proprio simbolo standard definito dalla IEC (International Electrotechnical Commission).

Simbolo del sensore di prossimità a 3 fili

Il filo BR in alto indica che il colore è marrone (BRproprio), ed è il filo positivo. Il filo BL nella parte inferiore denota il suo colore blu (BLue) e indica che è il filo 0V. BK è il nero (BlagoK) filo, che è l'uscita.

Il simbolo contiene 4 simboli secondari. Il simbolo in alto a sinistra indica che si tratta di un sensore di prossimità. Il simbolo del transistor indica se il sensore è NPN o PNP genere. Il simbolo in basso a sinistra indica che è a sensore capacitivo mentre il simbolo in basso a destra significa che l'output è normalmente chiuso.

Simbolo del sensore di prossimità a 2 fili

Il simbolo IEC per i sensori di prossimità a 2 fili è quasi identico alla sua controparte a 3 fili. L'unica differenza è che questo simbolo non ha un cavo di uscita separato.

I simboli all'interno del simbolo del componente principale possono cambiare leggermente a seconda della configurazione del sensore. Ciò include il tipo di uscita, la modalità di rilevamento (capacitiva, induttiva, ecc.) e la configurazione dell'uscita NO/NC.

Applicazione del sensore di prossimità capacitivo

I sensori di prossimità capacitivi sono utilizzati nelle applicazioni industriali per rilevare sia oggetti solidi che liquidi. Le loro applicazioni industriali includono:

• Automazione della produzione come conteggio prodotti, trasferimenti di prodotti
• Processi di riempimento (es. grano, polvere, inchiostro, acqua, ecc.)
• Rilevamento del livello del fluido
• Test di composizione (densità, spessore, ecc.)
• Rilevamento della pressione
• Rilevamento dell'umidità

Prezzo del sensore di prossimità capacitivo

Il prezzo dei sensori di prossimità capacitivi dipende da vari fattori come dimensioni, distanza di rilevamento, tensione operativa, tipo di uscita e funzionalità aggiuntive come IP (protezione ingresso) valutazioni e valutazioni di temperatura.

I prezzi dei sensori di prossimità capacitivi possono variare da circa $ 30 fino a $ 1500 per modelli più complessi e specializzati.

Cosa può rilevare un sensore di prossimità capacitivo?

I sensori di prossimità capacitivi possono rilevare oggetti sia conduttivi che non conduttivi. Gli oggetti/materiali possono essere in forma solida, granulata, in polvere e anche liquida. Tuttavia, sono principalmente utilizzati per rilevare materiali non metallici come legno, grano, plastica, vetro, acqua e altri liquidi come carburante e prodotti chimici.

Con ulteriori miglioramenti, i sensori di prossimità capacitivi possono rilevare ancora più parametri come pressione e flusso di liquido.

Di cosa sono fatti i sensori di prossimità capacitivi?

Esistono alcuni tipi di materiali utilizzati per realizzare sensori di prossimità capacitivi. I sensori di prossimità di tipo cilindrico sono tipicamente realizzati in acciaio inossidabile. I sensori con custodia in acciaio inossidabile sono più durevoli e adatti all'uso in ambienti ad alta temperatura/corrosivi.

Materie plastiche come PBT (polibutilentereftalato) e PVDF (fluoruro di polivinilidene) vengono utilizzate per realizzare sensori di prossimità di dimensioni più piccole come i modelli rettangolari. Sono resistenti alla temperatura, alla fiamma e ai raggi UV e forniscono una protezione aggiuntiva ai circuiti del sensore. Queste materie plastiche specializzate trovano i loro usi in applicazioni chimiche corrosive.

Conclusione

In questo articolo abbiamo discusso dei sensori di prossimità capacitivi, della loro costruzione, del funzionamento principale e delle applicazioni. Sebbene i sensori capacitivi siano versatili, esistono altri tipi di sensori di prossimità che potrebbero essere più adatti per un'applicazione specifica. Occorre prestare attenzione per identificare correttamente il miglior tipo di sensore di prossimità e calibrarli per garantire che le misurazioni effettuate siano corrette e accurate.