Kapasitif Yakınlık Sensörü

Giriş

Farklı uygulamalarda kullanılan birçok yakınlık sensörü türü vardır. Herhangi bir nesne türünü herhangi bir temas olmadan algılamak için kapasitif yakınlık sensörleri kullanıyoruz. Elektriksel bir özellikteki değişimi ölçerek nesneleri algılarlar, kapasitans.

Bu makale, hakkında ayrıntılı bir kılavuz sağlamayı amaçlamaktadır. kapasitif yakınlık sensörleri ve uygulamaları.

Kapasitif Yakınlık Sensörü nedir?

Kapasitif yakınlık sensörü, elektrik özelliğini kullanarak bir nesneyi algılayabilen bir sensördür. kapasite. Havadan daha yüksek bir dielektrik sabitine sahip nesneleri/sıvıları tespit etmek ve ölçmek için yaygın olarak kullanılırlar. Bu, iletken veya iletken olmayan her şeyi içerir.

Kapasitif yakınlık sensörleri, endüstriyel otomasyon sistemlerinde konumları tespit etmekten nesnelerin kompozisyonunu invazif olmayan bir şekilde analiz etmeye kadar birçok uygulamaya sahiptir.

Kapasitif Yakınlık Sensörü ve Nasıl Çalışır?

Kapasitif yakınlık sensörleri, kapasitif sensörlerin özel bir uygulamasıdır. Bunları endüstriyel ortamlarda nesnelerin varlığını tespit etmek için kullanırız. Aşağıda gösterilen resim bir RS PRO M30 x 1.5 Kapasitif Yakınlık Sensörü.

Daha fazla ayrıntıya dalmadan önce, bir kapasitörün ne olduğunu ve nasıl çalıştığını anlayalım. Basit bir ifadeyle, bir kapasitör, pil gibi bir elektrik yükünü tutabilen bir cihazdır. Boşluğu dolduran bir dielektrik malzeme ile iki iletken plakadan yapılmıştır. Dielektrik genişliğine bağlı olarak kapasitansları (elektrik yükünü depolama kapasitesi) değişir.

Dielektrik sabiti malzemeye bağlıdır. Dielektrik sabiti yüksek olan malzemelerin tespiti kolaydır. Örneğin su, yağ veya PVC'den daha fazla algılanabilir. Bunun nedeni, suyun dielektrik sabitinin yaklaşık 78 olması ve PVC için sadece yaklaşık 5 olmasıdır.

Kapasitif bir yakınlık sensörü aynı prensibi takip eder, plakalardan sadece biri artık algılamak istediğimiz nesnedir. Algılama yüzeyine yakın bir nesne getirmek kapasitansın değişmesine neden olur. Sensör daha sonra değişikliği ölçebilir ve nesnenin yakın olup olmadığını belirleyebilir.

Sıradan yollarla kapasitanstaki değişikliği doğrudan ölçmek mümkün değildir. Bunu ele almak için, kapasitif yakınlık sensörlerinin içlerinde özel devreler bulunur. Devre, sonuçta kullanılabilir, dijital bir sinyal vermek için tüm sinyal işlemeyi yapar.

Sensörün ilk aşaması kapasitörün kendisidir. Bir nesne algılama yüzeyine yakın olduğunda bir kapasitör oluşturur. Aralarındaki hava, dielektrik malzeme haline gelir. Sensörün içinde bir osilatör devresi vardır. Bu ya bir olabilir RC or LC osilatör devre.

Dış nesne tarafından oluşturulan kapasitans, devrede bir salınım başlatır. Salınım başlatmak için bir nesnenin sensör yüzüyle tutması gereken bu en küçük mesafe, "çalışma noktası" olarak da bilinir. Bu, sensörlerin çoğunda ayarlanabilir. Bir nesne sensöre yaklaştığında bu salınım frekansı artar. Bu, salınımın genliğinin artmasına neden olur.

Devre ayrıca histerezisli bir tetikleme devresinden oluşur. Tetikleme devresi, salınımın frekansını ve genliğini izler. Genlik önceden ayarlanmış bir değerin ötesine geçerse çıkışı kontrol eder. Dijital veya analog sinyal çıkışı yapabilen sensörler vardır.

Yakınlık sensörleri, çalışma noktalarını ayarlamak için araçlar sağlar. Bazılarında potansiyometre bulunurken bazılarında özel bir 'öğretme düğmesi' olabilir. Bu düğme veya potansiyometre vidası sensörü kalibre etmek için kullanılabilir. Hassasiyeti artırmak, sensörü yanlış algılamalara karşı daha duyarlı hale getirir. Bu, bazen nem ve sıcaklıktaki değişikliklerin bile sensörün tetiklenmesine neden olabileceği anlamına gelir.

Kapasitif sensörler hem iletken hem de iletken olmayan malzemeleri algılayabilir. İletken malzemeler, sensörle iyi bir kapasitör oluşturdukları için algılanması en kolay olanlardır. Bu durumda, dielektrik gücü ihmal edilebilir hale gelir.

İletken olmayan malzemelerin algılanması üç faktöre bağlıdır:

• Sensör yüzeyinin boyutu – daha büyük yüzey, daha uzun algılama mesafeleri sağlar
• Hedef malzemenin dielektrik sabiti – sabit ne kadar yüksekse, mesafe o kadar uzun
• Hedefin yüzey alanı – daha büyük yüzey alanı, daha uzun mesafe

Hedef hız ve sıcaklık da algılama mesafesini etkileyebilir.

Algılama Menzili

Kapasitif bir yakınlık sensörü, endüktif muadilinden daha geniş bir algılama aralığına sahiptir. Algılama aralığı 3 ila 60 mm arasındadır. En büyük algılama mesafesi, standart bir hedefe, 1 mm kalınlığında Fe 360 ​​topraklanmış çelik plakaya dayanmaktadır. Bu, sensör yüzeyinin çapı kadar bir kenar uzunluğuna sahip olmalıdır. Algılama mesafesi çaptan büyükse, yan uzunluk, nominal algılama mesafesinin üç katı olmalıdır.

İletken olmayan nesneler, malzemenin dielektrik sabitine dayalı bir indirgeme faktörüne sahip olmalıdır. Bazı malzemeler için yaklaşık değerler sağlayan tablolar vardır. Doğru bir algılama mesafesinin belirlenmesine yardımcı olurlar.

Algılama aralığı düşünüldüğünde iki önemli parametre vardır:

• Nominal/nominal algılama mesafesi (Sn)
  • Bu teorik bir değerdir. Üretim toleranslarını, çalışma voltajlarını veya sıcaklıkları içermez.
• Etkili algılama mesafesi (Sr)
  • Belirli bir dizi koşul için tanımlanmıştır. (yani gömme montaj, oda sıcaklığı ve belirli bir besleme voltajı)

gecikme

Histerezis, açma mesafesi ile kapatma mesafesi arasındaki farktır. Bir tanımlar bölge yerine bir hat bir nesneyi algılamak için

Histerez, nesne sensör alanından veya sensör alanına doğru hareket ettiğinde bile çıkışın "kilitlenmesine" neden olur. Bu, bir nesne algılama aralığının kenarındaysa 'gevezelik' etkisini (çıkışın tekrar tekrar açılıp kapatılmasını) önler.

Histerezis bağımsız bir parametredir. Nominal algılama mesafesinin bir yüzdesidir. Örneğin, 20 mm nominal algılama mesafesine sahip bir sensör, maksimum %15 histerezise sahip olabilir. Bu, algılama aralığının yaklaşık 3 mm'sidir. Aynı model arasında bile sensörden sensöre değişiklik gösterebilir.

Histerezisi etkileyebilecek birçok faktör vardır:

• Ortam ve yerel sensör sıcaklığı
• Atmosferik basınç
• Bağıl nem
• Sensör muhafazasının mekanik gerilimi
• Hassasiyet korelasyonu – daha yüksek hassasiyet, daha büyük histerezis

Kapasitif Sensör Tipleri

Kapasitif sensörler, birçok malzeme türünü algılamak için kullanılır. Buna sıvı akışı, sıvı seviyesi ve hatta basınç da dahildir. Piyasada çeşitli kapasitif yakınlık sensörleri bulunmaktadır:

• Minyatür kapasitif sensörler
  • Minyatür kapasitif sensörler, montaj alanından tasarruf etmek için silindirik veya gofret tipi paketler halinde gelir. Bu sensörlerin içinde sinyal işleme devresi yoktur. Sinyalleri işlemek için ayrı bir amplifikatör kullanılır.
• Silindirik kapasitif sensörler
  • Bunlar minyatür sensörlerden daha büyüktür ve 6.5 mm'den 30 mm'ye kadar bir çapa sahip olabilir. Algılama mesafeleri ayarlanabilir.
• Yüksek sıcaklık kapasitif sensörler
  • Yüksek sıcaklık kapasitif sensörler, aşırı sıcaklıklara dayanacak şekilde tasarlanmıştır ve hatta yüksek sıcaklıktaki nesneler/sıvılarla doğrudan teması işleyebilir.
• Analog kapasitif sensörler
  • Bunlar, uygulamalarını malzeme seçimi, kalınlık izleme ve konsantrasyon kontrol görevlerinde bulur. Analog sensörler, izlediği nesnenin türünü belirlemeye yardımcı olmak için bir dizi voltaj/akım verir.

Kapasitif Sensör Bağlantı Şeması

Otomasyon endüstrisinde kullanılan oldukça az sayıda sensör bağlantı şeması vardır. Sensörleri besleme gerilimi tipine ve çıkış tipine göre sınıflandırabiliriz:

• AC veya DC kaynağı
  • Sensörlerin 220V AC veya 24V DC güç kaynağı ile çalışıp çalışmadığını belirler
• Çıktı türü
  • Transistör çıkışı (3 telli)
    • Transistör çıkış sensörleri NPN veya PNP olabilir. Bu türlerin her ikisi için de NO (Normalde Açık) ve NC (Normalde Kapalı) çıkış seçenekleri. Hatta bazı sensörler her ikisini de destekleyebilir. (NO+NC).
  • Röle çıkışı (2 telli veya 3 telli)
    • AC 2 telli ve 3 telli sensörler her zaman röle çıkış tipindedir. DC sensörler, röle veya transistör çıkış tipi olabilir. Röle çıkış sensörleri ayrıca NO, NC ve NO+NC seçeneklerine sahiptir.

İşte OMCH.com'nin kapasitif yaklaşım sensörleri yelpazesi ve sağladıkları kablolama seçenekleri:

Aşağıda, birkaç yakınlık sensörü tipinin yaygın olarak kullanılan bağlantı şeması gösterilmiştir. Yaygın olmamakla birlikte 4 telli modeller çok özel uygulamalar dışında yaygın olarak kullanılmamaktadır.

Kapasitif Sensörün Hassasiyet Ayarları

İki yaklaşım var. kapasitif bir sensörün hassasiyetini ayarlamak için alabiliriz.

• Sensör konumunun ayarlanması

Dişi ve kilitleme somunlarını ayarlayarak sensör konumunu ayarlayabiliriz. Bu, sensörü nesneye yakın veya uzağa yerleştirmemize ve sensörü kalıcı olarak bir brakete monte etmemize olanak tanır. Ayarlama, sensöre güç verildiğinde ve algılanacak nesne mevcut olduğunda yapılmalıdır. Sensörün LED'i nesnenin algılandığını gösterene kadar sensörü ileri geri ayarlayın.

• Sensör hassasiyetini ayarlama

Bir yakınlık sensörünün hassasiyet ayarı, sensör konumunu ayarlayamadığımız durumlarda kullanışlıdır.

Bir sensörü ayarlamak için varlığını tespit et bir nesnenin veya tam durum, bu adımları takip et:

1. Ayar vidasını saat yönünün tersine çevirin ve hassasiyeti en aza indirin.
2. Algılanacak nesneyi sensörün algılama aralığına yerleştirin. Sensör nesneyi algılayana kadar ayar vidasını yavaşça saat yönünde çevirin. Nesneyi algıladığında sensör üzerindeki LED göstergesi yanar.
3. Güvenlik için ayar vidasını ¼ tur daha çevirin (opsiyonel adım)

Bir sensörü ayarlamak için yokluğu tespit et bir nesnenin veya boş durum, bu adımları takip et:

1. Ayar vidasını saat yönünde çevirin ve hassasiyeti maksimuma çıkarın.
2. Sensör üzerindeki LED göstergesi, hiçbir nesne olmadığında bile yanacaktır.
3. LED sönene kadar ayar vidasını saat yönünün tersine çevirin.
4. Güvenlik için ayar vidasını ¼ tur daha çevirin (opsiyonel adım)

Derinlik Kapasitif Yakınlık Sensörü Devresi

Kapasitif yakınlık sensörünün çalışma prensibini anlamak isteyenler için derinlemesine bir göz atalım.

Daha önce de belirtildiği gibi, kapasitif bir yakınlık sensörü, içinde karmaşık devreler barındırır. Dört ana bölümü vardır:

• Osilatör Aşaması
• Demodülatör Aşaması
• Tetik Aşaması
• Çıkış aşaması

Osilatör Aşaması

Osilatör aşaması bir RC içerir gevşeme osilatörü. Bu devre op-amp tabanlı bir devredir. Bu devredeki kapasitörler ve dirençler salınımın frekansını belirler. Salınım frekansını kontrol etmek için kullanılan C1 kondansatörü sensör kafasına bağlanmıştır. Sensör kafasının yakınına harici bir nesne ulaşırsa, salınım frekansı değişir. Bu aşamadan salınan sinyal, demodülatör aşamasına bir girdidir.

Demodülatör Aşaması

Demodülatör aşaması, önceki aşamadan salınan sinyali alır ve düzeltir. Yukarıda gösterilen bu devre bir yarım dalga doğrultucu. C3 kondansatörü, voltaj sinyalini yumuşatır ve tetikleme aşamasına kararlı bir DC voltajı verir.

Tetik Aşaması

Bu aşamanın 'adlı özel bir bileşeni vardır.schmitt tetikleyici'. Bu cihaz, bir dizi giriş aracılığıyla belirli bir çıkışa 'mandallayabilir'. Örneğin, bir schmitt tetikleyici, 3V üzerindeki giriş voltajları için YÜKSEK mantık çıkışı ve giriş voltajı 2.5V'un altına düştüğünde çıkış mantığı DÜŞÜK olabilir. 0.5v farkı 'histerezis' olarak adlandırılır ve giriş voltajı biraz değişirse çıkışın sabit kalmasına yardımcı olur.

Çıkış aşaması

Tetik aşaması, çıkış aşamasını kontrol eder. Burada gösterilen sensör bir transistör çıkışına sahiptir. Bu bir batan tip (NPN) çıktı. Tetik aşaması bir lojik YÜKSEK sinyali verdiğinde, çıkış aşamasındaki transistör etkinleşir. Yük devresinin tamamlanmasını sağlar ve yükü etkinleştirir. Röle çıkış sensörlerinde transistör küçük bir röle ile değiştirilir.

Çıkış katı ayrıca sensörü korumak için D2 ve Z1 diyotlarından oluşur. Güç kaynağı polaritesi ters ise, bu diyotlar sensörü koruyacaktır.

Kapasitif Yakınlık Sensörleri ve Endüktif Yakınlık Sensörleri

Kapasitif ve endüktif yakınlık sensörleri, en popüler yakınlık sensörlerinden ikisidir. Kapasitif sensörler hem iletken hem de iletken olmayan malzemeleri algılayabilir. Endüktif yaklaşım sensörleri yalnızca metalik (iletken) malzemeleri algılayabilir.

Endüktif yaklaşım sensörleri, nesneleri algılamak için elektromanyetizma ilkesini kullanır. Bu nedenle sadece demir, bakır veya alüminyumdan yapılmış metal nesneleri algılayabilirler. Dahili devreleri kapasitif sensörlere çok benzer. Ana fark, osilatör devresindedir. Endüktif sensörler elektromanyetizma prensiplerini kullanır ve girdap akımları kapasitif sensörler salınımı kontrol etmek için kapasitans kullanırken.

Endüktif sensörler oldukça hızlıdır ve AC'de 10-20Hz ve DC'de 500Hz-5kHz aralığındadır. Yaklaşık 4-40 mm'lik bir algılama aralığına sahiptirler. Yaklaşık 80 mm'ye kadar algılama mesafelerine sahip özel olarak tasarlanmış sensörler de mevcuttur. Ancak, manyetik alan sınırlamaları nedeniyle dar bir algılama aralığına sahiptirler.

Kapasitif sensörler, endüktif sensörlerden nispeten daha yavaştır. Bunun nedeni, sensördeki iletken plakanın şarj edilmesini içermesidir. Hız 10 ila 50Hz aralığındadır. Kapasitif yakınlık sensörlerinin nominal aralığı 3 mm-60 mm'dir. Daha yüksek algılama mesafelerine sahip özel sensörler olabilir.

Kapasitif sensörler, her tür nesneyi algılayabildikleri için hataya daha açıktır. Bu, sensörün hedef olmayan malzemeler tarafından yanlış tetiklenmesine neden olabilir. Bu nedenle ilgi metalik nesnelerse, endüktif bir yakınlık sensörü daha iyi bir seçim olabilir. Örneğin, bir gıda ürünündeki metalik nesneleri algılamak için endüktif yakınlık sensörü daha güvenilir bir seçenektir.

Arduino ile Kapasitif Yakınlık Sensörü

Endüstriyel sensörler, 12V veya 24V DC ve hatta 220V AC gibi daha yüksek voltajlarla çalışacak şekilde üretilmiştir. Arduino geliştirme kartları 5V DC ile çalışır. Arduino ile yakınlık sensörü kullanmak için yüksek voltaj sinyalini daha düşük bir voltaja dönüştürmek gerekir.

tarafından bu devrede elektroklinik, bir PNP tipi yakınlık sensörü kullanılır. PC817 optokuplör/optoizolatör, Arduino'yu yüksek voltaj sinyallerinden korur. PC1'nin Pin 817'i +12V'a bağlanır ve pin 2, sensörün siyah kablosuna 1k direnç üzerinden bağlanır. Sensöre her zamanki gibi kahverengi ve mavi kablolar kullanılarak güç verilir. (Kahverengi – +12v, Mavi – 0V)

Sensörü okumak için Arduino pin 13, optokuplörün 4 pinine bağlanır ve yukarı çekilmiş R3 (10k direnç) kullanarak. Bu, sensör aktif olmadığında giriş sinyalini stabilize eder.

Hiçbir nesne algılanmadığında optokuplör devre dışı kalır. Arduino'nun 13 numaralı pimi +5V'de kalır. Sensör aktifken optokuplör açılır ve pin 13'ü 0V'a çeker. Bu, koddan izlenir ve motorun açılması/kapatılması gibi kararlar vermek için kullanılabilir.

int limit anahtarı=13;
int durum= DÜŞÜK;
int değeri;
geçersiz kurulum()
{
Serial.begin (9600);
pinMode(limitswitch,GİRİŞ);
}
geçersiz döngü()
{
değer = digitalRead(limitswitch);
   if(değer!=durum)
{
durum=değer;
Serial.println(“sensör değeri =”);
if (durum==0)
{
Serial.println(“hedef tespit edildi”);
}

başka{
Serial.println(“Hedef tespit edilmedi”);
}
}
}

Kapasitif Yakınlık Sensörü Sembolü

3 telli ve 2 telli yakınlık sensörleri, otomasyon endüstrisinde en yaygın olanlarıdır. Bunları ayırt etmek için her birinin IEC (Uluslararası Elektroteknik Komisyonu) tarafından tanımlanan kendi standart sembolü vardır.

3 telli yakınlık sensörü sembolü

Üstteki BR teli rengin kahverengi olduğunu gösterir (BRkendi) ve bu pozitif tel. Alttaki BL teli rengini mavi olarak gösterir (BLue) ve bunun 0V kablosu olduğunu gösterir. BK siyahtır (BlakK) çıktı olan tel.

Sembol 4 alt sembol içerir. Sol üstteki sembol bunun bir yakınlık sensörü. Transistör sembolü, sensörün NPN veya PNP tip. Sol alttaki sembol, bunun bir kapasitif sensör sağ alt sembol çıktının olduğu anlamına gelirken normalde kapalı.

2 telli yakınlık sensörü sembolü

2 telli yaklaşım sensörlerinin IEC sembolü, 3 telli karşılığı ile hemen hemen aynıdır. Tek fark, bu sembolün ayrı bir çıkış kablosuna sahip olmamasıdır.

Ana bileşen sembolü içindeki semboller, sensörün konfigürasyonuna bağlı olarak biraz değişebilir. Buna çıkış tipi, algılama modu (kapasitif, endüktif vb.) ve NO/NC çıkış konfigürasyonu dahildir.

Kapasitif Yakınlık Sensörü Uygulaması

Kapasitif yakınlık sensörleri, endüstriyel uygulamalarda hem katı nesneleri hem de sıvıları algılamak için kullanılır. Endüstriyel uygulamaları şunları içerir:

• Ürün sayımı, ürün transferleri gibi üretim otomasyonu
• Doldurma işlemleri (yani tahıl, toz, mürekkep, su vb.)
• Sıvı seviyesi algılama
• Bileşim testi (yoğunluk, kalınlık vb.)
• Basınç algılama
• Nem algılama

Kapasitif yakınlık sensörü fiyatı

Kapasitif yakınlık sensörlerinin fiyatı, boyut, algılama mesafesi, çalışma voltajı, çıkış tipi gibi çeşitli faktörlere ve aşağıdaki gibi ek özelliklere bağlıdır. IP (Giriş Koruması) derecelendirmeler ve sıcaklık derecelendirmeleri.

Kapasitif yakınlık sensörü fiyatları, daha karmaşık ve özel modeller için yaklaşık 30 $ ile 1500 $ arasında değişebilir.

Kapasitif bir yakınlık sensörü neyi algılayabilir?

Kapasitif yakınlık sensörleri hem iletken hem de iletken olmayan nesneleri algılayabilir. Nesneler/malzeme katı, granül, toz ve hatta sıvı formda olabilir. Bununla birlikte, çoğunlukla ahşap, tahıl, plastik, cam, su gibi metalik olmayan malzemeleri ve yakıt ve kimyasallar gibi diğer sıvıları tespit etmek için kullanılırlar.

Ek iyileştirmelerle kapasitif yakınlık sensörleri, basınç ve sıvı akışı gibi daha da fazla parametreyi algılayabilir.

Kapasitif yakınlık sensörleri nelerden yapılmıştır?

Kapasitif yakınlık sensörleri yapmak için kullanılan birkaç malzeme türü vardır. Silindirik tip yakınlık sensörleri tipik olarak paslanmaz çelikten yapılır. Paslanmaz çelik gövdeli sensörler daha dayanıklıdır ve yüksek sıcaklık/aşındırıcı ortamlarda kullanıma uygundur.

PBT(Polibütilen Tereftalat) ve PVDF(Poliviniliden Florür) gibi plastikler, dikdörtgen modeller gibi daha küçük boyutlu yakınlık sensörleri yapmak için kullanılır. Sıcaklığa, aleve ve UV ışınlarına dayanıklıdırlar ve sensör devresine ekstra koruma sağlarlar. Bu özel plastikler, kullanımlarını aşındırıcı kimyasal uygulamalarda bulur.

Sonuç

Bu yazıda kapasitif yakınlık sensörlerini, yapılarını, temel işleyişini ve uygulamalarını tartıştık. Kapasitif sensörler çok yönlü olmakla birlikte, belirli bir uygulama için daha uygun olabilecek başka yakınlık sensörü türleri de vardır. En iyi yakınlık sensörü tipini doğru bir şekilde tanımlamaya ve alınan ölçümlerin doğru ve doğru olduğundan emin olmak için bunları kalibre etmeye özen gösterilmelidir.