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静電容量式近接センサー

静電容量式近接センサー設計のためのセンサープレートとターゲット間の静電容量と感度 (pF/mm) を計算します。

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公式

C = ε₀εᵣA/d

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

仕組み

静電容量型近接センサーは、ターゲットがセンサープレートに近づいたり接触したりしたときの静電容量の変化を測定することにより、物体の存在を検出します。2 つの平行なプレート間の静電容量はC = εa/Dです。ここで、δ= 8.854 × 10² F/mは自由空間の誘電率、δはプレート間の誘電体の相対誘電率、Aはプレート面積、dは分離距離です。感度 (距離の変化に伴う静電容量の変化) はdC/DD = −366a/d²で、ギャップが小さくなるにつれて増加し、距離が短くなるほどセンサーの感度が高まります。静電容量センサーは金属ターゲットと非金属ターゲットを検出できます。介在する媒体 (空気 = 1、ガラス = 4-10、水 = 80) の誘電率δは静電容量に大きく影響します。小容量 (1～100 pF) は、通常、発振器の周波数シフト、チャージアンプ、またはホイートストン・ブリッジ AC 励起回路を使用して測定されます。標準的な産業用センサーの検出範囲は、通常1～15 mmです。

計算例

問題：静電容量式近接センサーのプレート面積は2cm²で、空気中の隙間が3 mm（δ= 1）にあるターゲットを検出する必要があります。静電容量と感度を計算してください。
解決策:
1。面積: A = 2 cm² = 2 × 10m²
2.ギャップ: d = 3 ミリメートル = 3 × 10³ メートル
3.キャパシタンス: C = (8.854×10² × 1 × 2×10)/(3×10³) = 5.90 × 10³ F = 0.59 pF
4.感度: DC/DD = 966a/d² = (8.854×10² × 1 × 2×10)/(3×10³) ² = 0.197 pf/mm
結果: センサーの静電容量は0.59 pF、感度は3 mmのギャップで0.197 pf/mmです。

実践的なヒント

  • ✓保護された（シールドされた）電極設計を使用して、電界をアクティブ面に限定し、センサーの側面と背面からの干渉を排除します。
  • ✓液体レベルを検出するには、液体の誘電率に適したセンサーを選択し、取り付け部が電界が容器の壁に浸透していることを確認します。
  • ✓単一の絶対容量測定ではなく、差動測定（ギャップが反対に変化する2つのプレート）を使用して、温度に対する感度を下げます。

よくある間違い

  • ✗環境汚染（センサー表面についた水（δ= 80）または油分を無視すると、静電容量が大幅に増加し、誤作動を引き起こす可能性があります。濡れた環境では、保護機能を備えたフラッシュマウントセンサーを使用してください。
  • ✗線形検出範囲を超えると、静電容量は1/dで変化するため、感度は非線形になります。プレート付近の最初の数ミリでは、センサーの感度が高くなり、飽和しやすくなります。
  • ✗金属の隣への取り付け（埋め込み効果）— センサーのフィールドライン内にある導電性の取り付け金具がターゲットの役割を果たします。常にメーカーが推奨する金属フリーゾーンに従ってください。

よくある質問

静電容量センサーは、誘電率がバックグラウンドと十分に異なる場合、導電性材料と非導電性材料の両方を検出します。金属は簡単に検出できます (磁場をショートさせます)。プラスチック、ガラス、木材、液体、粒状物質も、誘電率 (δ> 1) によって静電容量が検出閾値より大きく変化すれば検出可能です。
誘導センサーは、発振器コイルの渦電流損失を測定することにより、導電性（金属）ターゲットのみを検出します。静電容量センサーは、非金属ターゲットを含め、誘電率が空気と異なるあらゆる物質を検出します。静電容量センサーは誘導型センサーよりも検出範囲が短く、環境汚染に対する感度が高くなります。
多くの産業用静電容量センサーには、特定のギャップ距離でトリガースレッショルドを設定するティーチインポテンショメータまたはボタンがあります。センサーはターゲットが存在する状態で目的の検出距離に配置され、その点での静電容量がスイッチオン閾値としてティーチインに保存されます。

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