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Sensor

静電容量式近接センサー

センサープレートとターゲットの間の静電容量と感度 (PF/mm) を計算します。静電容量式近接センサーおよびタッチセンサー検出回路を設計します。

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公式

C=ε0εrA/dC = ε₀εᵣA/d
ε₀— 8.8542 × 10⁻¹² F/m (F/m)
εᵣ— 相対誘電率

仕組み

この計算機は、静電容量や感度、距離などの容量性近接センサーのパラメーターを計算します。これは、産業オートメーションエンジニア、液面センサー設計者、タッチスクリーン開発者にとって不可欠です。静電容量センサーは、ターゲットが検知電極に近づいたときの静電容量の変化を測定することで物体を検出します。パラレルプレート容量はC = e0* er* A/dで、e0 = 8.8541878128e-12 F/m（CODATA 2018に基づく真空誘電率）、erは相対誘電率（空気 = 1.0、ガラス = 4-10、水 = 80、人体 = 50-80）、Aは電極面積、dはギャップ距離です。感度 dC/dd =-e0 er A/d^2 は、距離が短くなるほど増加します (逆二乗関係)。産業用静電容量センサ (Balluff、IFM、Omron) は、IEC 60947-5-2 に従い、検出範囲が 1～25 mm、再現性が +/ -10% に達しています。キャパシタンス測定回路は、 delta_C), に比例した発振器周波数シフト (delta_f/f の電荷伝達 (QTouch)、またはシグマ・デルタ変調 (AD7745、分解能 4 aF) を使用します。電極の膨張と誘電率の変化により、温度係数は通常 0.3% /℃です。

計算例

問題:5 mm 厚の HDPE タンク壁 (er = 2.3) 用の静電容量式液面センサーを設計します。電極は 50 mm x 100 mm です。壁を通る静電容量と水 (er = 80) の存在に対する感度を計算します。

解決策: 1。電極面積:A = 0.05* 0.1 = 0.005 m^2

  1. HDPE 壁を貫通するギャップ:d = 5 mm = 0.005 m
  2. キャパシタンス (壁の後ろの空気): C_air = 8.854e-12 2.3 0.005/0.005 = 20.4 pF
  3. 待ってください-フリンジフィールドを考慮する必要があります。有効面積はジオメトリの1.5倍まで: A_eff = 0.0075 m^2
  4. 水がある状態で: er_eff = (er_HDPE er_water)^0.5 = (2.3 80) ^0.5 = 13.6 (簡略版)
  5. C_water = 8.854e-12 13.6 0.0075/0.005 = 181 pF
  6. Delta_C = 181 - 30.6 = 150 pF (air C_air = 30.6 pF フリンジフィールド付き)
  7. 検出閾値：信頼性の高い検出のため、空気ベースラインより50pF高く設定
  8. ハイ・レンジ・モードでは AD7746 CDC（24 ビット、+/-4 pF レンジ、4 aF 分解能）を使用してください。

結果:5 mm HDPE 壁面を通過すると、静電容量が31 pF (空気) から 181 pF (水) に変化します。閾値を80 pFに設定すると、余裕のある信頼性の高いレベル検出が可能になります。

実践的なヒント

  • ✓保護機能付き（駆動シールド）電極設計により、電界を能動面に限定し、側面と背面からの干渉を排除します。保護電極は、アナログ・デバイセズAN-1301に従って検出電極と同じ電位で駆動されます。
  • ✓Balluff のアプリケーションノートによると、非金属製容器の壁を通して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を選択してください。水 (er = 80) は強い信号を、油 (er = 2-4) は高い感度設定が必要です。
  • ✓単一の絶対容量ではなく、差動測定（ギャップが反対に変化する2つの電極）を使用して温度感度を下げます。これにより、熱膨張のコモンモード誤差が0.05％/C未満に減少します

よくある間違い

  • ✗環境汚染を無視すると、センサー表面に水 (er = 80) や油が付着すると静電容量が大幅に増加し、誤トリガーの原因となります。IFMアプリケーションガイドによると、湿潤環境には保護電極設計の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：静電容量は1/d単位で変化するため、感度は非常に非線形です。プレート付近の最初の2 mm以内では、センサーは非常に感度が高く、わずかな変位変化でも容易に飽和します
  • ✗金属の隣への取り付け（埋め込み効果）：センサーのフリンジフィールド内の導電性取り付けハードウェアが仮想ターゲットとして機能し、メーカーの設置ガイドに従って検出距離の2倍の金属フリーゾーンを維持します

よくある質問

静電容量センサーは、誘電率が空気と十分に異なる場合（er = 1）、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（電界を短絡させて delta_C). を最大化します）。プラスチック（er = 2-4）、ガラス（er = 4-10）、木材（er = 2-5）、水（er = 80）、および粒状材料は、誘電率が検出しきい値（通常は0.5〜2 pF）を超えて静電容量をシフトすれば検出できます。検出範囲は sqrt(er) に比例します：IEC 60947-5-2の試験方法によると、プラスチックの3倍の範囲で水を検出できます。
誘導センサーは、発振器コイルの渦電流損失を測定して導電性（金属）ターゲットのみを検出します。鉄系金属では2〜60 mm、非鉄（アルミニウム、銅）では40％小さくなります。静電容量センサーは、プラスチック、液体、紙などの非金属ターゲットを含め、er > 1 の材料をすべて検出します。トレードオフ:静電容量センサーは汚染 (水膜、ほこり) に対する感度が高く、検出範囲も短く (標準で 1 ～ 25 mm)、非金属製の容器の壁を通して検出できます。IFM と Balluff のセレクションガイドに従い、金属検出には誘導型、非金属またはレベル検知には静電容量式を使用してください。
産業用静電容量センサーの多くは、特定のギャップでトリガースレッショルドを設定するティーチイン機能 (ポテンショメータまたはプッシュボタン) を備えています。手順:ターゲットが存在する状態でセンサーを目的の検出距離に配置し、ティーチインを有効にすると、センサーはその静電容量をスイッチオンポイントとして保存します。チャタリングを防ぐために、ヒステリシス (通常は検出距離の 10 ～ 20%) が自動的に適用されます。これにより、オムロンとシックのセンサーの操作説明書に従って、実際の設置形状、対象材料、環境条件に合わせて校正されます。

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