سنسور خازنی (Capacitive Proximity Sensor) چیست ؟

سنسور خازنی , Capacitive Sensor , سنسور بدون تماس , سنسور بدون کنتاکت الکتریکی , سنسور حساس به تشخیص آهن ، فلز ، پلاستیک ، آب ، سنگ ، چوب و غیره

در مهندسی برق، سنسور خازنی یک تکنولوژی است که براساس اتصال خازنی انجام می پذیرد که می تواند هر چیزی را که رسانا باشد یا دی الکتریک متفاوت از هوا داشته باشد شناسایی و اندازه گیری کند.

سنسورهای خازنی سنسورهای بدون تماس و بدون کنتاکت الکتریکی هستند که در مقابل فلزات و اغلب غیر فلزات عمل می‌ نمایند. این سنسور‌ها برای کنترل سطوح در مخازنی که از مواد پودری، مایع و با دانه دانه پر شده اند مناسب می‌باشند. همچنین از آن‌ها می‌توان به عنوان مولد پالس به منظور کنترل وضعیت برنامه ماشین آلات برای شمارنده‌ها و آشکارسازی تقریبا تمام مواد فلزی و غیر فلزی استفاده کرد.

سنسور های خازنی نوعی دیگر از سنسورهای مجاورتی می باشند, این سنسورها شباهت زیادی باسنسورهای القایی دارند ,تفاوت ها ی اصلی این سنسور القایی در این است که سنسور القایی یک میدان الکترومغناطیسی تولید می کند,در نتیجه سنسور القایی فقط قابلیت تشخیص مواد فلزی را دارد ولی سنسور خازنی علاوه بر مواد فلزی قابلیت تشخیص مواد غیر فلزی مانند شیشه , کاغذ , پلاستیک, مایعات و پارچه را نیز دارد .

این سنسورها معمولا به صورت استوانه ای در قطر های ۳۰ – ۱۸ – ۱۲ – 8 میلی متر و یا بدنه پلاستیکی و یا فلزی ساخته می شودو البته در برخی موارد خاص به صورت مکعبی همچنین اشکال دیگرنیز ساخته می شوند.

سنسور خازنی نوعی دیگر از سنسورهای مجاورتی است .این سنسورها شباهت زیادی به سنسور های القایی دارند و برای کنترل سطوح در مخازن که با محتوای مواد پودري و مايع پر شده اند مناسب مي باشند .

همچنين از آنها مي توان به عنوان مولد پالس به منظور كنترل وضعيت برنامه ماشين آلات براي شمارنده ها و آشكارسازي تقريبا تمام مواد فلزي و غير فلزي استفاده كرد . تفاوت این سنسورها با سنسورهای القایی اینست كه سنسور القایی یك میدان الكترومغناطیسی تولید میكند و در نتیجه تنها قابلیت تشخیص مواد فلزی را دارد ولی سنسور خازنی علاوه بر مواد فلزی  قابلیت تشخیص مواد غیرفلزی مانند شیشه , كاغذ و پلاستیك ، روغن ، الکل ، آب و … را دارد. اساس كار سنسور خازنی بر مبنای اندازه گیری تغییرات ظرفیت یك خازن در اثر نزدیك شدن قطعات فلزی یا غیر فلزی می باشد.فاصله تشخیص نامی سنسور خازنی بسته به نوع قطعه ایی که آشکار میکند متفاوت میباشد.

اساس کار سنسور های خازنی :

اساس کار سنسور های خازنی بر مبنای اندازه گیری تغییر ظرفیت یک خازن در مدار رزونانس RC در اثر نزدیک شدن قطعات فلزی یا غیر فلزی می باشد. قسمت اصلی اسیلاتور از دو قطعه فلزی تشکیل شده ، وضعیت قرار گیری این قطعات نسبت به هم طوری است که باعث ایجاد یک ظرفیت خازنی می شود. هرگاه قطعه ای با ثابت دی الکتریک به صفحه حساس نزدیک گردد باعث تغیر در ظرفیت خازنی بین قطعات فلز ی می شود که این تغییر ظرفیت باعث تغییر دامنه خروجی اسیلاتور توسط دمدولاتور با مقایسه با مقدار مرجع آشکار می گردد ، هر گاه دامنه اسیلاتور از مقدار مرجع بیشتر باشد ، خروجی سنسور فعال می شود.

سنسورهای خازنی هر دو هدف های فلزی و غیر فلزی از جمله شیشه ، پلاستیک یا چوب را تشخیص می دهند. بسته به اندازه و خواص مواد هدف و همچنین اندازه و شرایط نصب سنسور ، تشخیص فاصله های بین 1 تا 50 میلی متر امکان پذیر است. سنسورهای مجاورت خازنی می توانند به عنوان “سنسورهای نفوذی”  برای تشخیص مایع یا محیط های دارای دانه های ریز مورد استفاده قرار گیرند. این سنسورها با محتویات درون یک مخزن ساخته شده از شیشه یا پلاستیک ، نارسانا و دارای دیواره نازک بر هم کنش می کنند. این عملکرد با افزایش ظرفیت کلی خازن شامل دیواره مخزن و محیط پر کننده انجام می شود. قابلیت نفوذ سنسوهای خازنی ، امکان کنترل سطح برای محیط های مایع و مواد توده ای را بدون تماس مستقیم با مواد فراهم می کند.

ساختار سنسورهای خازنی :

سنسورهای خازنی از قسمت های زیر تشکیل شده اند :

اسيلاتور، دمدولاتور، اشمیت تریگر، آمپلی فایر

قسمت اساسي اسيلاتور از دو قطعه فلزي تشكيل شده است، وضعيت قرارگيري اين قطعات فلزي نسبت به هم طوري است كه باعث ايجاد يك ظرفيت خازني مي شود . هرگاه قطعه اي با ضريب الكتريكي E به صفحه حساس نزديك گردد باعث تغيير ظرفيت خازني بين صفحات مي شود . اين تغيير ظرفيت خازني باعث تغيير دامنه خروجي اسيلاتور مي شود .

دمدولاتور دامنه اسيلاتور را آشكار مي كند و اين مقدار را با سطح مرجع مقايسه مي نمايد . هرگاه دامنه اين مقدار از دامنه مرجع بيشتر باشد ، خروجي سنسور تحريك مي شود. آمپلي فاير خروجي وظيفه تامين جريان بار را به عهده دارد.             

توصیف عملکرد :

سنسورهای مجاورتی خازنی دارای یک الکترود حسگر (منطقه فعال) و یک حلقه محافظ هستند. الکترود حسگر ، منطقه فعال سنسور است و یک میدان الکتریکی AC منتشر می کند که با محیط هایی که به عنوان پتانسیل مخالف عمل می کنند (اصل خازنی) تشکیل ظرفیت خازنی را می دهد. اگر مواد هدف به الکترود حسگر فعال نزدیک تر شود ، پتانسیل متقابل تغییر می کند. به این ترتیب ظرفیت بین سنسور و هدف افزایش می یابد. این تغییر در ظرفیت خارجی با یک مقدار مرجع سنسور داخلی مقایسه می شود. اگر مقدار مرجع بیش از حد شود ، سنسور فعال می شود و یک سیگنال انتقال را به خروجی سنسور تحویل می دهد.حلقه محافظ خارجی ، میدان الکتریکی الکترود سنسور را متمرکز می کند و تاثیر موقعیت نصب بر روی فاصله عملکرد سنسور را کاهش می دهد.

نحوه عملکرد سنسور خازنی :

سنسورهای خازنی نظیر دیگر سنسورهای غیر تماسی با نزدیک شدن به اشیاء خصوصاً غیر فلزات خروجی سوئیچ ترانزیستور PNP و یا NPN میدهد . با نزدیک شدن اجسام به سنسور خازنی دی الکتریک خازن تعبیه شده در سنسور تغییر پیدا کرده و مدار داخلی با مقایسه به مقدار مرجع یک خروجی باز یا بسته میدهد . از سنسور خازنی مي توان به عنوان مولد پالس به منظور كنترل وضعيت برنامه ماشين آلات برای شمارنده ها و آشكارسازی تقريبا تمام مواد فلزی و غير فلزی استفاده كرد .

سنسورهای خازنی در مدلهای مکعبی و استوانه ای تولید میگردد و بسته به مکانیزم تولید و ابعاد میتواند در فواصل مختلف وجود اجسام را حس کند .

ویژگی های فنی خاص سنسورهای خازنی :

این سنسورها با هردو مواد رسانای جریان برق و مواد عایق (فلزات آهنی ، فلزات غیر آهنی ، شیشه ، چوب ، پلاستیک و همچنین نفت و محلول های مایع) بر هم کنش می کنند.

فاصله عملیاتی از سنسور می تواند با هدف و ویژگی های نصب مطابقت داده شود.

این سنسورها در سرتاسر دیواره های غیر شفاف و نارسانای مخزن می توانند به عنوان “سنسورهای نفوذی” مورد استفاده قرار گیرند.

سنسورهای بدون تماس و بدون کنتاکت الکتریکی .

در مقابل فلزات و اغلب غیر فلزات عمل می نمایند .

ایده اصلی ساخت، بسیار شبیه به سنسورهای القایی .

نسبت به سنسورهای القایی این مزیت را دارند که علاوه بر اجسام هادی ، اشیاء عایق را نیز حس می کنند.

کاربردهای متداول سنسورهای خازنی :

چک برای حضور کاغذ ، چوب ، شیشه یا مواد پلاستیکی

کنترل سطح برای محیط های مایع و جامدات توده ای ( پلیت ها ، قرص ها ، گرانول ها)

تشخیص حضور مایع در لوله کشی و شلنگ های پلاستیکی

مناطق کاربرد سنسورهای خازنی :

صنعت چاپ و کاغذ

بسته بندی و صنایع غذایی

داروسازی ، مواد شیمیایی و تکنولوژی فرآیند

پردازش چوب و پلاستیک

صنعت خودرو

کاربرد و مصارف سنسور های خازنی :

در صورتی که نیاز به تشخیص قطعات فلزی داشته باشیم استفاده از سنسور القایی نسبت به خازنی ترجیح داده می شود ,علت این عمر کارایی بهتر و قیمت پایین تر سنسور القایی نسبت به خازنی می باشد ,همچنین در صورتی که امکان استفاده از سنسور نوری  وجود داشته باشد با توجه به کارایی بالاتر  سنسور نوری استفاده  از این سنسور نسبت به سنسور خازنی ترجیح داده می شود .اما در برخی از موارد  استفاده از سنسور خازنی الزامی است .در ادامه چند مورد از کاربرد سنسور خازنی ذکر شده است :

تشخیص ارتفاع یک دسته کاغذ  ، کنترل جریان مایع ، کنترل پر کردن مایعات  ، کنترل سطح ظروف فلزی با پنجره های پلاستیکی یا شیشه ای  ، تشخیص پارگی در قرقره کاغذ

تعیین سطح آب در بطری های پلاستیکی :

با توجه به پایین تر بودن ثابت دی الکتریک پلاستیک از آب ,این سنسور می تواند به منظور تشخیص سطح آب بطری های پلاستیکی مورد استفاده قرار گیرد .که در این کاربرد می بایست پتانسیومتر  حساسیت سنسور را طوری تنظیم کرد که سنسور در برابر بطری های خالی عمل نکند .

تشخیص اجسام مات وسیاه :

برای تشخیص اجسامی که از مواد لاستیکی ,چرمی و پلاستیکی یا سایر مواد مات  و سیاه ساخته شده اند,استفاده از سنسور نوری امکان پذیر نیست در نتیجه می توان از سنور های خازنی برای تشخیص این گونه اجسام استفاده کرد .همچنین می توان در این مورد از سنسور های اولتراسونیک استفاده کرد البته دقت شود که قیمت سنسور های اولتراسونیک بسیار بالا تر از سنسورخازنی می باشد.

تشخیص پودر داخل بطری ها :

سنسور خازنی به راحتی امکان تشخیص پودرها یا دانه های حبوبات را در داخل ظروف پلاستیکی با این سنسور تشخیص داد .در این کاربرد می توان با پتانسیومتر حساسیت سنسور ,حساسیت سنسور را طوری تنظیم کرد که فقط بطری های پر از پودر توسط سنسور تشخیص داده شوند .

تشخیص سیم یا کابل های مسی :

سنسور خازنی توانایی تشخیص سیم یا کابل های مسی را به سادگی دارد.دقت شود که در این کاربرد سنسور های القایی نیز امکان تشخیص سیم یا کابل های مسی رادر فاصله سویچینگ پایین تر دارند,البته ممکن است در برخی موارد  توسط سنسور القایی نتوان سیم یا کابل های مسی  را تشخیص داد,همچنین در این کاربرد به دلیل لرزش  سیم یاکابل های متحرک امکان تشخیص توسط سنسور نوری وجود ندارد.

کنترل وجود لامپ یاسایر وسایل در داخل جعبه های مقوایی :

از سنسور خازنی می توان به منظور چک کردن وجود یا عدم وجود  وسایل مانند لامپ ها در داخل جعبه مقوایی استفاده کرد.

کنترل فاصله هد از سطح :

در سیستم کنترل یک هد که می بایست با فاصله معینی روی یک سطح با سرعت و دقت بالا در حرکت باشد ، نیاز به یک سنسور با حساسیت و پهنای باند بالا می باشد که بتواند تغییرات موقعیت هد را به سرعت و با دقت حس کند.

یکی از انواع سنسورهایی که امروزه به طور متداول برای این کار مورد استفاده قرار می گیرند ، سنسورهای خازنی می باشند که حساسیت و پهنای باند بالایی دارند. به عنوان مثال برای کنترل موقعیت یا فاصله هد هارد دیسک از سطح دیسک یا هد روباتی که برای ساخت بردها و وسایل ظریف الکترونیکی به کار می رود ، از این نوع سنسورها استفاده می شود.

در این کاربردها ، یک سنسور را به هد متصل می کنند که با تغییر فاصله هد با سطح ، ظرفیت خازنی سنسور تغییر می کند.

در واقع در اینجا probe به عنوان صفحه متغییر خازن به کار می رود. با تغییر موقعیت هد ، probe نیز جابجا می شود و همین باعث تغییر ظرفیت خازن و تغییر ولتاژ خروجی سنسور می گردد. البته تصویر فوق زیاد گویا نیست و فقط شماتیک روش را بیان می کند.

سیستم وزن کردن در حرکت برای وسایل نقلیه :

روش متداول برای وزن کردن وسایل نقلیه ، وزن کردن استاتیک می باشد که وسیله را روی یک ترازو (کرنش سنج متداول) متوقف می کنند ؛ این روش دقت زیادی دارد ولی وزن هر محور را نمی توان به طور مجزا تعیین نمود ، همچنین در بعضی کاربردها مطلوب نیست که وسیله نقلیه را متوقف کرد.

این سیستم با نام WIM(Wiegh In Motion) معرفی شده است. یک روش بری اندازه گیری وزن خودرو در حال حرکت ، استفاده از سنسور خازنی است که البته با خازنهای معمولی تفاوت دارد.

این ساختار نسبت به تداخل الکترومغناطیسی حساسیت کمتری دارد.

این روش وزن کردن نسبت به روشهای قبلی خیلی سبک تر و راحت تر است و نیاز به توقف کامل وسیله نقلیه برای اندازه گیری وزن آن نیست.

تشخیص اجسام مختلف توسط  سنسور های خازنی به موارد زیر بستگی دارد :

فاصله جسم تا ناحیه حساس سنسور

ابعاد جسم

ثابت دی الکتریک جسم

برای انتخاب سنسور خازنی بایستی به موارد زیر توجه داشت :

باز یا بسته بودن خروجی سنسور خازنی

تغذیه سنسور خازنی

نحوه نصب و شکل سنسور خازنی

آنالوگ یا دیجیتال بودن خروجی سنسور خازنی

فاصله حس کردن سنسور خازنی

ورود به دسته بندی محصول سنسور خازنی , Capacitive Sensor