Капацитивни сензори

Сфери на приложение, калибриране на сензорите и повишаване на точността им
Капацитивните сензори се използват за измерване на електропроводими и електронепроводими обекти. Основно намират приложение при измерване на положението на обектите. Изходните сигнали отчитат разстоянието между чувствителната повърхност на сензора и обекта. Когато датчикът е статичен, всяка промяна в изходната информация се счита за промяна на положението на обекта. Тази тяхна характеристика обуславя употребата им в автоматизирани системи, при които е необходимо прецизно определяне на разположението на обекти; технологични процеси в микроелектрониката; монтаж на прецизно оборудване, например дискови устройства и други задачи, свързани с прецизно позициониране. Измерването на динамиката на подвижни обекти също изисква прилагането на технологии за безконтактно мерене. Капацитивни сензори с висока разделителна способност се използват за прецизни измервания на валове; оси на дискови устройства; шпиндели за високоскоростни пробивни машини; ултразвукови заваръчни апарати и вибрационна техника.

Капацитивните сензори често се използват и за безконтактно измерване на дебелината на различни материали, например силициеви пластини, спирачни дискове и плочи на твърди дискове. Често се прилагат двуканални диференциални системи, в които за измерване на всяка от страните на обекта се използват отделни сензори.

Сред възможностите на капацитивните сензори е и измерването на дебелината на диелектрици. Тази им способност се дължи на факта, че сензорите реагират на диелектрици, поставени между чувствителната зона на датчика и отдалечен на известно разстояние замасен обект. Когато разстоянието между сензора и обекта е фиксирано, промените в изходния сигнал на сензора са признак за промени в дебелината, плътността или състава на изследвания материал.

Този вид сензори са ефективни и при регистриране на присъствие, измерване на плътност, дебелина и разположение на диелектрици. Диелектриците, като пластмасата например, имат диелектрична константа, различна от тази на въздуха. Диелектричната константа показва до каква степен диелектрикът променя капацитета между два проводника. Когато между датчика и неподвижен обект се постави диелектрик, полето преминава през него в посока към заземения обект. Наличието на изолиращ материал променя електричния капацитет. Промените в капацитета се определят от дебелината или плътността на материала. Чувствителността на сензора към диелектрици е право пропорционална на тяхната диелектрична константа.

Калибриране на сензорите
Капацитивните сензори използват променливо напрежение, което непрекъснато принуждава зарядите да разменят местата си. Движението на зарядите създава променлив електричен ток, който се отчита от сензора. Големината на тока се определя от капацитета, а капацитетът зависи от площта и близостта на проводимите обекти. Обектите с по-големи размери, по-близко разположени до сензора, създават по-голям електрически поток, отколкото малките и отдалечени обекти. Капацитетът се влияе и от вида на диелектрика в пространството между обектите. Стойността на капацитета е правопропорционална на площта на повърхността на обектите и диелектричната константа на материала между тях и обратнопропорционална на разстоянието помежду им.

В типичните приложения на капацитивните сензори, най-често датчикът или сензорната част са единият проводим елемент, а обектът - другият. Размерите на сензора, обекта и материала между тях се приемат за константи. Следователно, всяка промяна в капацитета е резултат от промяна в разстоянието между сензора и обекта. Електрониката се калибрира така, че да генерира промени в напрежението с големина, отговаряща на съответните промени в стойността на електрическия капацитет.

Стойностите на напрежението се мащабират и дават информация за промените в разстоянието. Чувствителност на сензора се нарича промяната в напрежението, която съответства на определена промяна на разстоянието. Най-често капацитивните сензори имат чувствителност 1 V/0,1 mm, което означава, че на всеки 0,1 mm промяна в разстоянието изходното напрежение се променя с 1 V. Ако в една координатна система се нанесат стойностите на изходното напрежение и разстоянието, чувствителността на сензора ще се определи от наклона на получената права.

Чувствителността на сензорната система се определя при калибрирането на уреда. Когато стойностите й се отклоняват от идеалните, говорим за грешка на чувствителността, относителна грешка в коефициента на усилване или грешка на мащаба. Тъй като чувствителността се определя от наклона на права, грешката на чувствителността обикновено се представя като процент на наклона – идеалният наклон се сравнява с действителния. Когато към изходното напрежение на системата се прибави константна величина, възниква изместване на нулата. Капацитивните системи за измерване обикновено се нулират при настройка. Елиминират се отклоненията на нулата спрямо първоначалното калибриране. Ако след нулирането на системата грешката в нулата се промени, то тя ще окаже влияние върху измерванията. Чувствителността варира в малки граници.

Кумулативният ефект на подобни промени се нарича грешка на линейността. Обикновено се измерва в проценти от пълния обхват. Ако грешката в най-лошата точка е 0,001 mm, а обхватът на пълния обхват за калибриране е 1 mm, грешката на линейността ще бъде 0,1%. Трябва да се обърне внимание на факта, че грешката от линейност не кореспондира с грешката от чувствителността. Тя отчита доколко права е линията на характеристиката, а не какъв е наклонът й. Системите с големи грешки от чувствителност също могат да бъдат линейни.

При някои сензори съществува възможност за настройка на честотния диапазон с цел максимално увеличение на разделителната способност или времето за реакция. Сензорите с широк честотен диапазон могат да улавят високочестотни движения и създават бързи изходни сигнали. Сензорите с тесен честотен диапазон притежават намален изходящ шум, т. е. по-висока разделителна способност. При някои сензори честотният диапазон е избираем, така че може да се подобри или разделителната способност, или времето за реакция.

Разделителната способност се дефинира като най-малкото достоверно измерване, което системата може да направи. Разделителната способност на измервателната система трябва да бъде по-добра от крайната точност, която измерването изисква. Ако се налага измерване на обект с размер 0,02 mm, резолюцията на системата трябва да бъде по-добра от 0,02 mm.

Подобряване на точността на сензорите
Точността изисква измерванията да се провеждат при същите условия, при които сензорът е бил калибриран. Независимо дали калибрирането на сензора е било извършено фабрично или в процеса на експлоатация, при еднакви условия трябва да се получават еднакви резултати. Така например, при калибрирането сензорът и обектът се разполагат успоредно един спрямо друг. Когато при измерване обаче датчикът или обектът се наклонят над определен ъгъл, формата на участъка, в който полето попада върху обекта, се издължава. В резултат, взаимодействието между полето и обекта също се променя. Отчетените измервания са грешни, което се дължи на различното поведение на електричното поле. При сензори с много висока разделителна способност се появява грешка дори при наклони от няколко градуса. Успоредното разположение на сензора и обекта е важна част от подготовката на условията за провеждане на измервания.

Най-често фабричното калибриране на сензорите се извършва с електропроводим обект, който е много по-голям от чувствителната зона на датчика. Сензор, калибриран по споменатия начин, би дал точни резултати при измерването на плосък обект с над 30% по-големи размери от тези на чувствителната зона на датчика. Когато площта на обекта е твърде малка, електричното поле ще започне да обгръща външните му страни. Това означава, че електричното поле ще заобиколи обекта, т. е. ще проникне по-далеч, отколкото при калибрирането на сензора и ще отчете по-голямо от действителното разстояние. В този случай, при същата нулева точка, детекторът трябва да бъде разположен по-близо до обекта.

Формата на обекта също се взема под внимание. Датчиците обикновено са калибрирани за работа с плоски обекти. По тази причина обектите с извита повърхност са предпоставка за възникване на грешки при измерването. Датчикът ще измери средното разстояние до извития обект, затова разстоянието при 0 V ще се различава от това при 0 V съгласно калибрираните параметри. Поведението на електричното поле при силно грапава повърхност също води до отчитане на грешни резултати. Когато е необходимо да се правят измервания на неравна повърхност, системата трябва да се калибрира спрямо характеристиките на конкретната форма на обекта. Съществува и друго решение – да се въведат коефициенти, които да коригират измерваните стойности. Големината на грешката зависи от характера и симетричността на неравностите и диапазона на чувствителност на сензора. По-големите датчици измерват по-голяма площ от повърхността на обекта и са по-малко чувствителни към неравности с малки размери.

Факторът температура на средата
Всички капацитивни сензори са чувствителни към температурата на околната среда. Все пак, благодарение на конструктивни мерки и компенсаторните си механизми, те правят много малки грешки в определени температурни граници. По-притеснителен е фактът, че на практика всички обекти и материали се разширяват или свиват осезаемо при промени в околната температура. Отчетените, при споменатите условия, промени в измерванията често не се дължат на грешки в калибрирането, а на действителни промени в разстоянието между обекта и сензора. Старателното закрепване на датчика и обекта спомага за увеличаване на точността на измерването.

Диелектричната константа на въздуха се променя в зависимост от влажността – при повишаване на влажността диелектричната константа също се повишава. Влажността оказва въздействие и върху материалите, от които е произведен сензорът. Промяна на относителната влажност на въздуха в рамките на 50%–80% предизвиква появата на грешки в диапазона от 0%–0,5% от пълния диапазон.

Водещ принцип при производството на сензорите е изборът на материали, които да минимизират грешките, дължащи се на въздействието на околната среда. Когато датчиците се монтират в апаратура, изискваща максимална точност на резултатите, прилагането на системи за контрол на температурата и влажността е стандартна практика.