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Sensor

Capteur de Proximité Capacitif

Calcule la capacité entre la plaque du capteur et la cible, et la sensibilité (pF/mm) pour la conception de capteur de proximité capacitif.

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Formule

C=ε0εrA/dC = ε₀εᵣA/d
ε₀— 8,854 × 10 ¹² F/m (F/m)
εᵣ— Permittivité relative

Comment ça marche

Ce calculateur calcule les paramètres des capteurs de proximité capacitifs, notamment la capacité et la sensibilité par rapport à la distance, essentiels pour les ingénieurs en automatisation industrielle, les concepteurs de capteurs de niveau de liquide et les développeurs d'écrans tactiles. Les capteurs capacitifs détectent les objets en mesurant la variation de capacité lorsqu'une cible s'approche de l'électrode de détection. La capacité des plaques parallèles est C = e0 er A/d, où e0 = 8,8541878128e-12 F/m (permittivité du vide selon CODATA 2018), er est la permittivité relative (air = 1,0, verre = 4-10, eau = 80, corps humain = 50-80), A est la surface de l'électrode et d est la distance entre les espaces. La sensibilité dC/dd = -e0 er A/d^2 augmente à des distances plus courtes (relation inverse-carré). Les capteurs capacitifs industriels (Balluff, IFM, Omron) atteignent une plage de détection de 1 à 25 mm avec une répétabilité de +/- 10 % conformément à la norme IEC 60947-5-2. Les circuits de mesure de capacité utilisent le décalage de fréquence de l'oscillateur (delta_f/f proportionnel à delta_C), le transfert de charge (QTouch) ou la modulation sigma-delta (AD7745, résolution 4 aF). Le coefficient de température est généralement de 0,3 % /C en raison de l'expansion de l'électrode et du changement de permittivité.

Exemple Résolu

Problème : Concevoir un capteur de niveau de liquide capacitif pour une paroi de réservoir en PEHD de 5 mm d'épaisseur (er = 2,3). L'électrode mesure 50 mm x 100 mm. Calculez la capacité à travers la paroi et la sensibilité à la présence d'eau (er = 80).

Solution :

  1. Surface de l'électrode : A = 0,05 * 0,1 = 0,005 m^2
  2. Espace à travers la paroi en PEHD : d = 5 mm = 0,005 m
  3. Capacité (air derrière le mur) : C_air = 8,854e-12 2,3 0,005/0,005 = 20,4 pF
  4. Attendez, vous devez tenir compte des champs marginaux. Surface effective ~1,5x géométrique : A_eff = 0,0075 m^2
  5. En présence d'eau : er_eff = (Er_HDPE er_water) ^0,5 = (2,3 80) ^0,5 = 13,6 (simplifié)
  6. C_eau = 8,854e-12 13,6 0,0075/0,005 = 181 pF
  7. Delta_C = 181 - 30,6 = 150 pF (air C_air = 30,6 pF avec champ marginal)
  8. Seuil de détection : réglé à 50 pF au-dessus de la valeur de référence de l'air pour une détection fiable
  9. Utiliser l'AD7746 CDC (24 bits, plage +/- 4 pF, résolution 4 aF) en mode haut de gamme
Résultat : la capacité passe de 31 pF (air) à 181 pF (eau) à travers une paroi en PEHD de 5 mm. Réglez le seuil à 80 pF pour une détection de niveau fiable avec marge.

Conseils Pratiques

  • ✓Utiliser une conception d'électrode protégée (blindage piloté) pour limiter le champ électrique à la face active et rejeter les interférences latérales et arrière ; l'électrode de protection est alimentée au même potentiel que l'électrode de détection conformément à la norme Analog Devices AN-1301
  • ✓Pour la détection du niveau de liquide à travers les parois non métalliques du récipient, choisissez un capteur adapté à la permittivité du liquide ; l'eau (er = 80) fournit un signal fort, les huiles (er = 2-4) nécessitent des réglages de sensibilité plus élevés, conformément aux notes d'application Balluff
  • ✓Réduisez la sensibilité à la température en utilisant une mesure différentielle (deux électrodes avec des variations d'écartement opposées) plutôt qu'une seule capacité absolue ; cela permet d'éliminer l'erreur de mode commun de dilatation thermique à < 0,05 % /C

Erreurs Fréquentes

  • ✗Ignorer la contamination environnementale : de l'eau (er = 80) ou de l'huile sur la face du capteur augmentent considérablement la capacité, provoquant de faux déclenchements ; utilisez des capteurs encastrés avec une conception d'électrode de garde pour les environnements humides, conformément au guide d'application IFM
  • ✗Dépassement de la plage de détection linéaire : la capacité varie de 1/d, la sensibilité est donc très non linéaire ; dans les 2 premiers mm près de la plaque, le capteur est extrêmement sensible et se sature facilement lors de faibles variations de déplacement
  • ✗Montage à côté du métal (effet d'intégration) : le matériel de montage conducteur situé dans le champ périphérique du capteur agit comme une cible virtuelle ; maintenez une zone exempte de métal à une distance de détection multipliée par deux, conformément aux guides d'installation du fabricant

Foire Aux Questions

Les capteurs capacitifs détectent à la fois les matériaux conducteurs et non conducteurs si leur permittivité diffère suffisamment de celle de l'air (er = 1). Les métaux sont facilement détectés (ils court-circuitent le champ électrique, maximisant le delta_C). Les plastiques (er = 2-4), le verre (er = 4-10), le bois (er = 2-5), l'eau (er = 80) et les matériaux granulaires sont détectables si leur permittivité déplace la capacité au-dessus du seuil de détection (généralement 0,5 à 2 pF). La plage de détection s'échelonne en mètres carrés (er) : l'eau est détectable à 3 fois la plage du plastique selon les méthodes de test IEC 60947-5-2.
Les capteurs inductifs détectent uniquement les cibles conductrices (métalliques) en mesurant les pertes par courants de Foucault dans une bobine d'oscillateur ; plage de 2 à 60 mm pour les métaux ferreux, 40 % de moins pour les métaux non ferreux (aluminium, cuivre). Les capteurs capacitifs détectent tous les matériaux avec er > 1, y compris les cibles non métalliques telles que les plastiques, les liquides et le papier. Compromis : les capteurs capacitifs sont plus sensibles à la contamination (pellicules d'eau, poussière) et ont une portée plus courte (1 à 25 mm en général) mais peuvent détecter à travers les parois non métalliques des conteneurs. Selon les guides de sélection IFM et Balluff, utilisez l'inductif pour la détection des métaux, le capacitif pour la détection des métaux non métalliques ou la détection de niveau.
De nombreux capteurs capacitifs industriels sont dotés d'une fonction d'apprentissage (potentiomètre ou bouton-poussoir) qui définit le seuil de déclenchement à un intervalle spécifique. Procédure : positionnez le capteur à la distance de détection souhaitée en présence de la cible, activez l'apprentissage et le capteur mémorise cette capacité comme point d'activation. L'hystérésis (généralement de 10 à 20 % de la distance de détection) est appliquée automatiquement pour éviter les bavardages. Cela permet de calibrer en fonction de la géométrie réelle de l'installation, du matériau cible et des conditions environnementales conformément aux instructions d'utilisation des capteurs Omron et Sick.

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