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Sensor

Kapazitiver Näherungssensor

Berechnet die Kapazität zwischen Sensorplatte und Ziel sowie die Empfindlichkeit (pF/mm) für das kapazitive Näherungssensordesign.

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Formel

C = ε₀εᵣA/d

ε₀— 8.854 × 10⁻¹² F/m (F/m)
εᵣ— Relative permittivity

Wie es funktioniert

Ein kapazitiver Näherungssensor erkennt das Vorhandensein von Objekten, indem er die Kapazitätsänderung misst, wenn sich ein Ziel der Sensorplatte nähert oder diese berührt. Die Kapazität zwischen zwei parallelen Platten ist C = 345δA/d, wobei λ = 8,854 × 10^¹ F/m die Permittivität des freien Raums ist, □ die relative Dielektrizitätszahl des Dielektrikums zwischen den Platten ist, A die Plattenfläche ist und d der Abstand ist. Die Empfindlichkeit (Änderung der Kapazität pro Änderung des Abstands) ist dC/dd = −ωa/d², was mit abnehmendem Abstand zunimmt — der Sensor wird bei kürzerer Entfernung empfindlicher. Kapazitive Sensoren können metallische und nichtmetallische Objekte erkennen. Die Dielektrizitätskonstante des dazwischenliegenden Mediums (Luft = 1, Glas = 4—10, Wasser = 80) hat einen starken Einfluss auf die Kapazität. Die kleinen Kapazitäten (1—100 pF) werden in der Regel mithilfe von Oszillator-Frequenzverschiebungen, Ladungsverstärkern oder AC-Erregerschaltungen mit der Wheatstone-Brücke gemessen. Der Erfassungsbereich für industrielle Standardsensoren beträgt in der Regel 1—15 mm.

Bearbeitetes Beispiel

Problem: Ein kapazitiver Näherungssensor hat eine Plattenfläche von 2 cm² und muss ein Ziel in einem Luftabstand von 3 mm erkennen (δ= 1). Berechnen Sie die Kapazität und Empfindlichkeit. Lösung: 1. Fläche: A = 2 cm² = 2 × 10³³ m² 2. Abstand: d = 3 mm = 3 × 10³ m 3. Kapazität: C = (8,854×10^¹ ² × 1 × 2×10^³)/(3×10′³) = 5,90 × 10^¹ ³ F = 0,59 pF 4. Empfindlichkeit: dC/dd = 345a/d² = (8,854×10^¹ ² × 1 × 2×10)/(3×10³) ² = 0,197 pF/mm Ergebnis: Die Sensorkapazität beträgt 0,59 pF mit einer Empfindlichkeit von 0,197 pF/mm bei einem Abstand von 3 mm.

Praktische Tipps

  • ✓Verwenden Sie eine geschützte (abgeschirmte) Elektrodenkonstruktion, um das elektrische Feld auf die aktive Fläche zu beschränken und Störungen von den Seiten und der Rückseite des Sensors abzuwehren.
  • ✓Wählen Sie für die Füllstandserfassung einen Sensor, der für die Permittivität der Flüssigkeit ausgelegt ist, und stellen Sie sicher, dass das elektrische Feld durch die Halterung die Behälterwand durchdringen kann.
  • ✓Reduzieren Sie die Temperaturempfindlichkeit, indem Sie eine Differenzmessung (zwei Platten mit entgegengesetzten Spaltänderungen) anstelle einer einzigen absoluten Kapazitätsmessung verwenden.

Häufige Fehler

  • ✗Umweltverschmutzung ignorieren — Wasser (δ= 80) oder Öl auf der Sensorfläche erhöhen die Kapazität drastisch und können zu Fehlauslösungen führen. Verwenden Sie flächenbündig montierte Sensoren mit Schutz für feuchte Umgebungen.
  • ✗Überschreitung des linearen Erfassungsbereichs — die Kapazität variiert um 1/d, sodass die Empfindlichkeit nichtlinear ist. In den ersten paar Millimetern in der Nähe der Platte ist der Sensor hochempfindlich und leicht gesättigt.
  • ✗Montage neben Metall (Einbettungseffekt) — Leitfähige Montageteile innerhalb der Feldlinien des Sensors dienen als Ziel; beachten Sie stets die vom Hersteller empfohlene metallfreie Zone.

Häufig gestellte Fragen

Kapazitive Sensoren erkennen sowohl leitende als auch nichtleitende Materialien, wenn sie eine ausreichend unterschiedliche Permittivität vom Hintergrund aufweisen. Metalle lassen sich leicht erkennen (sie schließen das Feld kurz). Kunststoffe, Glas, Holz, Flüssigkeiten und körnige Materialien sind ebenfalls nachweisbar, wenn ihre Permittivität (δ> 1) die Kapazität über die Erkennungsschwelle verschiebt.
Induktive Sensoren erkennen nur leitfähige (metallische) Objekte, indem sie Wirbelstromverluste in einer Oszillatorspule messen. Kapazitive Sensoren erkennen jedes Material mit einer anderen Permittivität als Luft, einschließlich nichtmetallischer Objekte. Kapazitive Sensoren haben eine kürzere Reichweite und reagieren empfindlicher auf Umweltverschmutzung als induktive Sensoren.
Viele industrielle kapazitive Sensoren verfügen über ein Teach-In-Potentiometer oder eine Taste, mit der die Auslöseschwelle auf einen bestimmten Spaltabstand eingestellt wird. Der Sensor wird in der gewünschten Erfassungsdistanz positioniert, wobei das Messobjekt anwesend ist, und das Teach-In speichert die Kapazität an diesem Punkt als Einschaltschwelle.

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