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정전 용량식 근접 센서

정전 용량식 근접 센서 설계를 위한 센서 플레이트와 대상 간 정전 용량 및 감도(pF/mm)를 계산합니다.

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공식

C = ε₀εᵣA/d

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

작동 방식

정전식 근접 센서는 대상이 센서 플레이트에 접근하거나 접촉할 때 커패시턴스의 변화를 측정하여 물체의 존재를 감지합니다.두 평행판 사이의 커패시턴스는 C = a/d이며, 여기서 ε= 8.854 × 10¹² F/m은 자유 공간의 유전율, ε는 판 사이의 유전체의 상대 유전율, A는 판 면적, d는 분리 거리입니다.감도 (거리 변화당 커패시턴스의 변화) 는 dC/dd = −a/d²이며, 간격이 감소할수록 증가합니다. 즉, 센서는 거리가 짧을수록 더 민감해집니다.커패시티브 센서는 금속 및 비금속 대상을 감지할 수 있습니다. 중간 매체의 유전율 ε( 공기 = 1, 유리 = 4—10, 물 = 80) 은 커패시턴스에 큰 영향을 미칩니다.작은 커패시턴스 (1—100pF) 는 일반적으로 오실레이터 주파수 시프트, 전하 증폭기 또는 휘트스톤 브리지 AC 자극 회로를 사용하여 측정합니다.감지 범위는 일반적으로 표준 산업용 센서의 경우 1~15mm입니다.

계산 예제

문제: 정전식 근접 센서의 플레이트 면적은 2cm²이며 공기 중 3mm 간격 (ε= 1) 에서 대상을 감지해야 합니다.커패시턴스와 감도를 계산하세요.
해결 방법:
1.면적: A = 2 cm² = 2 × 10⁴ m²
2.갭: d = 3 밀리미터 = 3 × 10³ m
3.커패시턴스: C = (8.854×10¹² × 1 × 2×10³)/(3×10³) = 5.90 × 10¹³ F = 0.59 pF
4.감도: DC/DD = εa/d² = (8.854×10¹² × 1 × 2×10⁴)/(3×10³) ² = 0.197 pF/mm
결과: 센서 커패시턴스는 0.59pF이고 감도는 3mm 간격에서 0.197pF/mm입니다.

실용적인 팁

  • ✓보호형 (차폐형) 전극 설계를 사용하여 전기장을 활성 표면으로 제한하고 센서 측면과 후면의 간섭을 차단합니다.
  • ✓액체 레벨 감지의 경우 액체의 유전율 등급 센서를 선택하고 장착시 전기장이 컨테이너 벽을 관통할 수 있는지 확인하십시오.
  • ✓단일 절대 커패시턴스 측정이 아닌 차동 측정 (간격이 반대인 두 개의 플레이트) 을 사용하여 온도에 대한 민감도를 줄입니다.

흔한 실수

  • ✗환경 오염은 무시하세요. 센서 표면에 물 (ε= 80) 이나 기름이 묻으면 커패시턴스가 크게 증가하여 잘못된 트리거링이 발생할 수 있습니다. 습한 환경에서는 보호대가 있는 플러시 마운트 센서를 사용하십시오.
  • ✗선형 감지 범위 초과 — 커패시턴스는 1/d만큼 변하므로 감도는 비선형적입니다. 플레이트 근처의 처음 몇 밀리미터 이상에서는 센서가 매우 민감하고 쉽게 포화됩니다.
  • ✗금속 옆에 장착 (임베딩 효과) — 센서의 필드 라인 내에 전도성 장착 하드웨어가 대상 역할을 하므로 항상 제조업체에서 권장하는 금속 무함유 구역을 준수하십시오.

자주 묻는 질문

용량성 센서는 배경과 유전율이 충분히 다른 경우 전도성 물질과 비전도성 재료를 모두 감지합니다.금속은 쉽게 감지할 수 있습니다 (금속은 자기장을 단락시킵니다).플라스틱, 유리, 목재, 액체 및 입상 물질도 유전율 (ε> 1) 으로 인해 커패시턴스가 감지 임계값 이상으로 이동하면 검출할 수 있습니다.
유도식 센서는 오실레이터 코일의 와전류 손실을 측정하여 전도성 (금속) 대상만 감지합니다.커패시티브 센서는 비금속 대상을 포함하여 유전율이 공기와 다른 모든 물질을 감지합니다.정전식 센서는 유도형 센서보다 범위가 짧고 환경 오염에 더 민감합니다.
많은 산업용 커패시티브 센서에는 특정 간격 거리에서 트리거 임계값을 설정하는 티치인 전위차계 또는 버튼이 있습니다.센서는 대상이 있는 상태에서 원하는 감지 거리에 위치하며, 티치인은 해당 지점의 커패시턴스를 스위치 온 임계값으로 저장합니다.

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