Capacitieve naderingssensor

Introductie

Er zijn veel soorten naderingssensoren die in verschillende toepassingen worden gebruikt. We gebruiken capacitieve naderingssensoren om elk type object zonder enig contact te detecteren. Ze detecteren objecten door de verandering in een elektrische eigenschap te meten, capaciteit.

Dit artikel is bedoeld om een ​​gedetailleerde gids te geven over: capacitieve naderingssensoren en hun toepassingen.

Wat is een capacitieve naderingssensor?

Een capacitieve naderingssensor is een sensor die een object kan detecteren met behulp van de elektrische eigenschap, capaciteit. Ze worden veel gebruikt voor het detecteren en meten van objecten/vloeistoffen die een hogere diëlektrische constante hebben dan lucht. Dit omvat alles wat geleidend of niet-geleidend is.

Capacitieve naderingssensoren hebben veel toepassingen in industriële automatiseringssystemen, van het detecteren van posities tot het analyseren van de samenstelling van objecten op een niet-invasieve manier.

Capacitieve naderingssensor en hoe het werkt

Capacitieve naderingssensoren zijn een speciale toepassing van capacitieve sensoren. We gebruiken ze om de aanwezigheid van objecten in industriële omgevingen te detecteren. De onderstaande afbeelding is een RS PRO M30 x 1.5 capacitieve naderingssensor.

Laten we, voordat we dieper ingaan op de details, begrijpen wat een condensator is en hoe deze werkt. In eenvoudige bewoordingen is een condensator een apparaat dat een elektrische lading kan vasthouden, zoals een batterij. Ze zijn gemaakt van twee geleidende platen met een diëlektrisch materiaal dat de opening opvult. Afhankelijk van de diëlektrische breedte verandert hun capaciteit (capaciteit om elektrische lading op te slaan).

De diëlektrische constante is afhankelijk van het materiaal. Materialen met een hoge diëlektrische constante zijn gemakkelijk te detecteren. Water is bijvoorbeeld beter detecteerbaar dan olie of PVC. Dit komt omdat water een diëlektrische constante heeft van ongeveer 78 en voor PVC slechts ongeveer 5.

Een capacitieve naderingssensor volgt hetzelfde principe, slechts één van de platen is nu het object dat we willen detecteren. Door een object dicht bij het detectievlak te brengen, verandert de capaciteit. De sensor kan dan de verandering meten en bepalen of het object dichtbij is.

Het is niet mogelijk om de verandering in capaciteit direct met gewone middelen te meten. Om dit aan te pakken, hebben capacitieve naderingssensoren gespecialiseerde schakelingen erin. Het circuit doet alle signaalverwerking om uiteindelijk een bruikbaar, digitaal signaal af te geven.

De eerste fase van de sensor is de condensator zelf. Wanneer een object zich in de buurt van het detectievlak bevindt, vormt het een condensator. De lucht ertussen wordt het diëlektrische materiaal. In de sensor bevindt zich een oscillatorcircuit. Dit kan ofwel een RC or LC-oscillator circuit.

De capaciteit gecreëerd door het externe object begint een oscillatie in het circuit. Deze kleinste afstand die een object moet aanhouden met het sensorvlak om de oscillatie te starten, wordt ook wel het 'werkpunt' genoemd. Dit is bij de meeste sensoren instelbaar. Wanneer een object dichter bij de sensor komt, neemt deze oscillatiefrequentie toe. Hierdoor neemt de amplitude van de trilling toe.

De schakeling bestaat ook uit een triggerschakeling met hysterese. Het triggercircuit bewaakt de frequentie en de amplitude van de oscillatie. Het regelt de output als de amplitude een vooraf ingestelde waarde overschrijdt. Er zijn sensoren die digitale of analoge signalen kunnen uitvoeren.

Nabijheidssensoren bieden middelen om hun werkpunt van af te stellen. Sommige hebben potentiometers, terwijl andere een speciale 'leerknop' hebben. Met deze knop of de potentiometerschroef kan de sensor worden gekalibreerd. Het verhogen van de gevoeligheid maakt de sensor ook vatbaarder voor valse detecties. Dit betekent dat soms zelfs veranderingen in vochtigheid en temperatuur ervoor kunnen zorgen dat de sensor wordt geactiveerd.

Capacitieve sensoren kunnen zowel geleidend als niet-geleidend materiaal detecteren. Geleidende materialen zijn het gemakkelijkst te detecteren omdat ze een goede condensator vormen met de sensor. In dit geval wordt de diëlektrische sterkte verwaarloosbaar.

Het detecteren van niet-geleidend materiaal is afhankelijk van drie factoren:

• Grootte van het sensoroppervlak - groter oppervlak maakt langere detectieafstanden mogelijk
• De diëlektrische constante van het doelmateriaal - hoe hoger de constante, hoe langer de afstand
• Het oppervlak van het doel - groter oppervlak, langere afstand

De doelsnelheid en -temperatuur kunnen ook de detectieafstand beïnvloeden.

Detectie bereik

Een capacitieve naderingssensor heeft een groter detectiebereik dan zijn inductieve tegenhanger. Het detectiebereik ligt tussen 3 en 60 mm. De grootste detectieafstand is gebaseerd op een standaard doel, een 1 mm dikke Fe 360 ​​geaarde stalen plaat. Deze moet een zijlengte hebben die gelijk is aan de diameter van het sensoroppervlak. Als de detectieafstand groter is dan de diameter, moet de zijdelingse lengte driemaal de nominale detectieafstand zijn.

Niet-geleidende objecten moeten een reductiefactor hebben op basis van de diëlektrische constante van het materiaal. Er zijn tabellen met geschatte waarden voor sommige materialen. Ze helpen bij het bepalen van een nauwkeurige detectieafstand.

Er zijn twee belangrijke parameters bij het overwegen van het detectiebereik:

• Nominale/nominale detectieafstand (Sn)
  • Dit is een theoretische waarde. Het omvat geen fabricagetoleranties, bedrijfsspanningen of temperaturen.
• Effectieve detectieafstand (Sr)
  • Gedefinieerd voor een specifieke set voorwaarden. (dwz inbouwmontage, kamertemperatuur en een bepaalde voedingsspanning)

hysteresis

Hysterese is het verschil tussen de inschakelafstand en de uitschakelafstand. Het definieert een zone In plaats van a lijn voor het waarnemen van een object.

Hysterese zorgt ervoor dat de uitgang 'vergrendelt', zelfs wanneer het object van of naar het sensorveld beweegt. Dit voorkomt het 'klapperende' effect (het keer op keer in- en uitschakelen van de uitgang) als een object zich aan de rand van het detectiebereik bevindt.

Hysterese is een onafhankelijke parameter. Het is een percentage van de nominale detectieafstand. Een sensor met een nominale detectieafstand van 20 mm kan bijvoorbeeld een maximale hysterese van 15% hebben. Dit is ongeveer 3 mm van het detectiebereik. Het kan variëren van sensor tot sensor, zelfs tussen hetzelfde model.

Er zijn meerdere factoren die hysterese kunnen beïnvloeden:

• Omgevings- en lokale sensortemperatuur
• Luchtdruk
• Relatieve vochtigheid
• Mechanische spanning van sensorbehuizing
• Gevoeligheidscorrelatie - hogere gevoeligheid, grotere hysterese

Capacitieve sensortypes

Capacitieve sensoren worden gebruikt om vele soorten materialen te detecteren. Dit omvat ook vloeistofstroom, vloeistofniveau en zelfs druk. Er zijn verschillende capacitieve naderingssensoren op de markt:

• Miniatuur capacitieve sensoren
  • Miniatuur capacitieve sensoren worden geleverd in cilindrische of wafelachtige verpakkingen om montageruimte te besparen. Deze sensoren hebben niet het signaalverwerkingscircuit erin. Voor de verwerking van de signalen wordt een aparte versterker gebruikt.
• Cilindrische capacitieve sensoren
  • Deze zijn groter dan miniatuursensoren en kunnen een diameter hebben van 6.5 mm tot 30 mm. Hun detectieafstanden zijn instelbaar.
• Capacitieve sensoren voor hoge temperaturen
  • Capacitieve sensoren voor hoge temperaturen zijn ontworpen om extreme temperaturen te weerstaan ​​en kunnen zelfs direct contact met voorwerpen/vloeistoffen met hoge temperatuur aan.
• Analoge capacitieve sensoren
  • Deze vinden hun toepassingen in materiaalselectie, diktebewaking en concentratiecontroletaken. Analoge sensoren voeren een reeks spanningen/stromen uit om te helpen bepalen welk type object het bewaakt.

Bedradingsschema capacitieve sensor

Er zijn nogal wat sensorbedradingsschema's die worden gebruikt in de automatiseringsindustrie. We kunnen sensoren classificeren op basis van hun voedingsspanningstype en het outputtype:

• AC- of DC-voeding
  • Bepaalt of de sensoren werken met 220V AC of 24V DC voeding
• Uitgangstype
  • Transistoruitgang (3-draads)
    • Transistoruitgangssensoren kunnen NPN of PNP zijn. Voor beide typen zijn hier de uitvoeropties NO (Normaal Open) en NC (Normaal Gesloten). Sommige sensoren kunnen zelfs beide ondersteunen. (NEE+NC).
  • Relaisuitgang (2-draads of 3-draads)
    • AC 2-draads en 3-draads sensoren zijn altijd het type relaisuitgang. DC-sensoren kunnen van het type relais of transistor zijn. Relaisuitgangssensoren hebben ook de opties NO, NC en NO+NC.

Hier is OMCH.co's reeks capacitieve naderingssensoren en de bedradingsopties die ze bieden:

Hieronder ziet u het veelgebruikte bedradingsschema van enkele typen nabijheidssensoren. Hoewel niet ongebruikelijk, worden 4-draads modellen niet veel gebruikt, behalve in zeer speciale toepassingen.

Gevoeligheidsaanpassingen van een capacitieve sensor

Er zijn twee benaderingen. we kunnen nemen om de gevoeligheid van een capacitieve sensor aan te passen.

• De sensorpositie aanpassen

We kunnen de sensorpositie aanpassen door de schroefdraad en de borgmoeren aan te passen. Hierdoor kunnen we de sensor dichter bij of weg van het object plaatsen en de sensor permanent op een beugel monteren. De afstelling dient plaats te vinden wanneer de sensor onder spanning staat en het te detecteren object aanwezig is. Pas de sensor heen en weer totdat de LED van de sensor aangeeft dat het object is gedetecteerd.

• De gevoeligheid van de sensor aanpassen

Gevoeligheidsaanpassing van een naderingssensor is handig wanneer we de sensorpositie niet kunnen aanpassen.

Een sensor aanpassen aan: detecteer de aanwezigheid van een object of volledige conditie, Volg deze stappen:

1. Draai de stelschroef linksom en verlaag de gevoeligheid tot een minimum.
2. Plaats het te detecteren object binnen het detectiebereik van de sensor. Draai de stelschroef langzaam rechtsom totdat de sensor het object detecteert. De LED-indicator op de sensor licht op wanneer deze het object detecteert.
3. Draai de stelschroef ¼ slag verder voor de veiligheid (optionele stap)

Een sensor aanpassen aan: de afwezigheid detecteren van een object of lege toestand, Volg deze stappen:

1. Draai de stelschroef rechtsom en verhoog de gevoeligheid tot een maximum.
2. De LED-indicator op de sensor licht op, zelfs als er geen object aanwezig is.
3. Draai de stelschroef tegen de klok in totdat de LED uitgaat.
4. Draai de stelschroef ¼ slag verder voor de veiligheid (optionele stap)

Capacitieve naderingssensor Circuit in diepte

Voor degenen die geïnteresseerd zijn in het begrijpen van het werkingsprincipe van een capacitieve naderingssensor, laten we eens nader kijken.

Zoals eerder vermeld, bevat een capacitieve naderingssensor complexe schakelingen erin. Het heeft vier hoofdonderdelen:

• Oscillatorfase
• Demodulator-fase
• Triggerfase
• Uitgangsfase

Oscillatorfase

De oscillatortrap bevat een RC ontspanningsoscillator. Dit circuit is een op-amp-gebaseerd circuit. Condensatoren en weerstanden in dit circuit bepalen de trillingsfrequentie. De condensator C1 die wordt gebruikt om de oscillatiefrequentie te regelen, is gekoppeld aan de sensorkop. Als een extern object in de buurt van de sensorkop komt, verandert de oscillatiefrequentie. Het oscillerende signaal van deze trap is een invoer voor de demodulatortrap.

Demodulator-fase

De demodulatortrap neemt het oscillerende signaal van de vorige trap en corrigeert dit. Deze hierboven getoonde schakeling heeft een halfgolf gelijkrichter. De condensator C3 verzacht het spanningssignaal en voert een stabiele gelijkspanning af naar de triggertrap.

Triggerfase

Deze fase heeft een speciale component genaamd 'Schmitt trigger'. Dit apparaat kan via een reeks ingangen op een specifieke uitgang worden 'vergrendeld'. Een schmitt-trigger kan bijvoorbeeld logisch HOOG uitvoeren voor ingangsspanningen van meer dan 3V en logisch LAAG uitvoeren zodra de ingangsspanning onder 2.5V daalt. Het verschil van 0.5 V wordt 'hysterese' genoemd en het helpt de uitgang stabiel te blijven als de ingangsspanning iets verandert.

Uitgangsfase

De triggertrap regelt de eindtrap. De hier getoonde sensor heeft een transistoruitgang. Het is een zinkend type (NPN) uitvoer. Zodra de triggertrap een logisch HOOG signaal geeft, wordt de transistor in de eindtrap geactiveerd. Het zorgt ervoor dat het belastingscircuit wordt voltooid en activeert de belasting. Bij relaisuitgangssensoren wordt de transistor vervangen door een klein relais.

De eindtrap bestaat ook uit diodes D2 en Z1 om de sensor te beschermen. Als de polariteit van de voeding wordt omgekeerd, beschermen deze diodes de sensor.

Capacitieve naderingssensoren versus inductieve naderingssensoren

Capacitieve en inductieve naderingssensoren zijn twee van de meest populaire naderingssensoren. Capacitieve sensoren kunnen zowel geleidende als niet-geleidende materialen detecteren. Inductieve naderingssensoren kunnen alleen metallisch (geleidend) materiaal detecteren.

Inductieve naderingssensoren gebruiken het principe van elektromagnetisme om objecten te detecteren. Om deze reden kunnen ze alleen metalen voorwerpen van ijzer, koper of aluminium detecteren. Hun interne circuits lijken erg op capacitieve sensoren. Het belangrijkste verschil zit in het oscillatorcircuit. Inductieve sensoren gebruiken principes van elektromagnetisme en wervelstromen terwijl capacitieve sensoren capaciteit gebruiken om de oscillatie te regelen.

Inductieve sensoren zijn redelijk sneller en liggen in het bereik van 10-20Hz in AC en 500Hz-5kHz in DC. Ze hebben een detectiebereik van ongeveer 4-40 mm. Er zijn ook speciaal ontworpen sensoren beschikbaar met detectieafstanden tot ongeveer 80 mm. Ze hebben echter een smal detectiebereik vanwege de beperkingen van het magnetische veld.

Capacitieve sensoren zijn relatief langzamer dan inductieve sensoren. Het gaat namelijk om het opladen van de geleidende plaat in de sensor. De snelheid ligt in het bereik van 10 tot 50 Hz. Capacitieve naderingssensoren hebben een nominaal bereik van 3 mm-60 mm. Er kunnen speciale sensoren zijn die een grotere detectieafstand hebben.

Capacitieve sensoren zijn foutgevoeliger omdat ze alle soorten objecten kunnen detecteren. Dit kan een foutieve activering van de sensor door niet-doelmaterialen veroorzaken. Daarom kan een inductieve naderingssensor een betere keuze zijn als de interesse in metalen voorwerpen ligt. Om bijvoorbeeld metalen voorwerpen in een voedingsproduct te detecteren, is een inductieve naderingssensor een betrouwbaardere optie.

Capacitieve nabijheidssensor met Arduino

Industriële sensoren zijn gebouwd om te werken met hogere spanningen zoals 12V of 24V DC en zelfs 220V AC. Arduino ontwikkelborden werken met 5V DC. Om een ​​naderingssensor te gebruiken met een Arduino, is het noodzakelijk om het hoogspanningssignaal om te zetten in een lagere spanning.

In dit circuit door elektrokliniek, wordt een naderingssensor van het PNP-type gebruikt. De PC817 optocoupler/optoisolator beschermt de Arduino tegen hoogspanningssignalen. Pin 1 van de PC817 wordt aangesloten op +12V en pin 2 is verbonden met de zwarte draad van de sensor via een weerstand van 1k. De sensor wordt zoals gewoonlijk gevoed met bruine en blauwe draden. (Bruin – +12v, Blauw – 0V)

Om de sensor te lezen, is Arduino pin 13 verbonden met pin 4 van de optocoupler, en is Omhoog getrokken met behulp van R3 (10k weerstand). Dit stabiliseert het ingangssignaal wanneer de sensor niet actief is.

Als er geen object wordt gedetecteerd, blijft de optocoupler inactief. Pin 13 van Arduino blijft op +5V. Als de sensor actief is, gaat de optocoupler aan en trekt de pin 13 naar 0V. Dit wordt bewaakt vanuit de code en kan worden gebruikt om beslissingen te nemen, zoals het in- of uitschakelen van een motor.

int eindschakelaar=13;
int staat = LAAG;
int waarde;
komen te vervallen setup()
{
Serial.begin (9600);
pinMode (limietschakelaar, INPUT);
}
komen te vervallen lus()
{
waarde = digitalRead (limietschakelaar);
   if(waarde!=staat)
{
staat=waarde;
Serial.println ("sensorwaarde =");
if (staat==0)
{
Serial.println(“doel gedetecteerd”);
}

anders{
Serial.println ("Geen doel gedetecteerd");
}
}
}

Symbool capacitieve nabijheidssensor

3-draads en 2-draads naderingssensoren zijn de meest voorkomende in de automatiseringsindustrie. Om ze te onderscheiden, heeft elk van hen zijn eigen standaardsymbool gedefinieerd door IEC (International Electrotechnical Commission).

Symbool 3-draads naderingssensor

BR draad aan de bovenkant geeft aan dat de kleur bruin is (BReigen), en het is de positieve draad. BL draad in de bodem geeft de kleur blauw aan (BLue) en geeft aan dat het de 0V-draad is. BK is de zwarte (BmeerK) draad, wat de output is.

Het symbool bevat 4 subsymbolen. Symbool linksboven geeft aan dat dit een nabijheids sensor. Het transistorsymbool geeft aan of de sensor is NPN of PNP type. Symbool linksonder geeft aan dat het een . is capacitieve sensor terwijl het symbool rechtsonder betekent dat de uitvoer is normaal gesloten.

Symbool 2-draads naderingssensor

Het IEC-symbool voor de 2-draads naderingssensoren is bijna identiek aan zijn 3-draads tegenhanger. Het enige verschil is dat dit symbool geen aparte uitgangsdraad heeft.

De symbolen in het hoofdcomponentsymbool kunnen enigszins veranderen, afhankelijk van de configuratie van de sensor. Dit omvat het uitgangstype, de detectiemodus (capacitief, inductief enz.) en de NO/NC-uitgangsconfiguratie.

Toepassing capacitieve naderingssensor

Capacitieve naderingssensoren worden gebruikt in industriële toepassingen om zowel vaste objecten als vloeistoffen te detecteren. Hun industriële toepassingen omvatten:

• Productieautomatisering zoals het tellen van producten, productoverdrachten
• Afvulprocessen (dwz graan, poeder, inkt, water, enz.)
• Vloeistofniveau detectie
• Samenstelling testen (dichtheid, dikte, etc.)
• Drukdetectie
• Vochtmeting

Capacitieve naderingssensor prijs:

De prijs van de capacitieve naderingssensoren is afhankelijk van verschillende factoren, zoals grootte, detectieafstand, bedrijfsspanning, uitgangstype en extra functies zoals IP (Ingress Protection) classificaties en temperatuurclassificaties.

De prijzen van capacitieve naderingssensoren kunnen variëren van ongeveer $ 30 tot $ 1500 voor meer complexe en gespecialiseerde modellen.

Wat kan een capacitieve naderingssensor detecteren?

Capacitieve naderingssensoren kunnen zowel geleidende als niet-geleidende objecten detecteren. De objecten/het materiaal kunnen in vaste, granulaat-, poeder- en zelfs vloeibare vorm zijn. Ze worden echter meestal gebruikt om niet-metalen materialen zoals hout, graan, plastic, glas, water en andere vloeistoffen zoals brandstof en chemicaliën te detecteren.

Met toegevoegde verbeteringen kunnen capacitieve naderingssensoren nog meer parameters detecteren, zoals druk en vloeistofstroom.

Waar zijn capacitieve naderingssensoren van gemaakt?

Er zijn een paar soorten materialen die worden gebruikt om capacitieve naderingssensoren te maken. Nabijheidssensoren van het cilindrische type zijn meestal gemaakt van roestvrij staal. Sensoren met roestvrijstalen behuizing zijn duurzamer en geschikt voor gebruik in omgevingen met hoge temperaturen/corrosie.

Kunststoffen zoals PBT (polybutyleentereftalaat) en PVDF (polyvinylideenfluoride) worden gebruikt om kleinere naderingssensoren te maken, zoals rechthoekige modellen. Ze zijn temperatuur-, vlam- en UV-bestendig en bieden extra bescherming aan het sensorcircuit. Deze gespecialiseerde kunststoffen vinden hun toepassing in corrosieve chemische toepassingen.

Conclusie

In dit artikel hebben we capacitieve naderingssensoren, hun constructie, principewerking en toepassingen besproken. Hoewel capacitieve sensoren veelzijdig zijn, zijn er andere typen nabijheidssensoren die mogelijk meer geschikt zijn voor een specifieke toepassing. Er moet voor worden gezorgd dat het beste type naderingssensor correct wordt geïdentificeerd en gekalibreerd om ervoor te zorgen dat de uitgevoerde metingen correct en nauwkeurig zijn.