Sensor

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 × 10¹² F/m (F/m)

εᵣ— 상대적 유전율

작동 방식

이 계산기는 산업 자동화 엔지니어, 액체 레벨 센서 설계자 및 터치스크린 개발자에게 필수적인 커패시턴스 및 감도 대 거리를 포함한 용량성 근접 센서 파라미터를 계산합니다.커패시티브 센서는 대상이 감지 전극에 접근할 때의 커패시턴스 변화를 측정하여 물체를 감지합니다.평행판 커패시턴스는 C = e0 er A/d이며, 여기서 e0 = 8.8541878128e-12 F/m (CODATA 2018당 진공 유전율), er는 상대 유전율 (공기 = 1.0, 유리 = 4-10, 물 = 80, 인체 = 50-80), A는 전극 면적, d는 갭 거리입니다.민감도 dC/dD = -e0 er A/d^2는 짧은 거리에서 증가합니다 (역제곱 관계).산업용 커패시티브 센서 (발루프, IFM, 오므론) 는 IEC 60947-2에 따라 +/ -10% 의 반복성과 함께 1-25mm의 감지 범위를 달성합니다.커패시턴스 측정 회로는 오실레이터 주파수 시프트 (delta_c에 비례하는 delta_f/f), 전하 전달 (QTouch) 또는 시그마-델타 변조 (AD7745, 4aF 해상도) 를 사용합니다.온도 계수는 전극 팽창 및 유전율 변화로 인해 일반적으로 0.3% /C입니다.

계산 예제

문제: 5mm 두께의 HDPE 탱크 벽을 위한 용량성 액체 레벨 센서를 설계하십시오 (er = 2.3).전극은 50mm x 100mm입니다.벽을 통과하는 커패시턴스와 물 존재에 대한 민감도 (er = 80) 를 계산합니다.

해결책: 1.전극 면적: A = 0.05* 0.1 = 0.005 m^2 2.고밀도 폴리에틸렌 벽을 통한 간격: d = 5 밀리미터 = 0.005 m 3.커패시턴스 (벽 뒤의 공기): C_Air = 8.854e-12 2.3 0.005/0.005 = 20.4pF 4.잠깐만요. 프린지 필드를 고려해봐야겠네요.유효 면적 ~1.5배 기하학적: A_eFF = 0.0075 m^2 5.물이 있는 경우: er_eff = (er_HDPE er_water) ^0.5 = (2.3 80) ^0.5 = 13.6 (단순화) 6.C_water = 8.854e-12 13.6 0.0075/ 0.005 = 181 pF 7.델타_C = 181 - 30.6 = 150pF (에어 C_에어 = 30.6pF (프린지 필드 포함) 8.감지 임계값: 안정적인 감지를 위해 기준선보다 50pF로 설정 9.하이 레인지 모드에서 AD7746 CDC (24비트, +/-4pF 범위, 4aF 해상도) 를 사용하십시오.

결과: 5mm HDPE 벽을 통해 커패시턴스가 31pF (공기) 에서 181pF (물) 로 변경됩니다.여유를 두고 안정적으로 레벨을 감지하려면 임계값을 80pF로 설정하십시오.

실용적인 팁

✓보호 (구동 차폐) 전극 설계를 사용하여 활성 표면에 전기장을 제한하고 측면 및 후면의 간섭을 차단합니다. Analog Devices의 감지 전극과 동일한 전위로 구동되는 보호 전극 (Analog Devices AN-1301)
✓비금속 용기 벽을 통해 액체 레벨을 감지하려면 액체의 유전율에 맞는 센서를 선택하십시오. 물 (er = 80) 은 강한 신호를 제공하고 오일 (er = 2-4) 은 발루프 애플리케이션 노트에 따라 더 높은 감도 설정을 필요로 합니다.
✓단일 절대 커패시턴스 대신 차동 측정 (간격이 반대인 두 전극) 을 사용하여 온도 감도를 낮추십시오. 이렇게 하면 열 팽창 공통 모드 오차가 0.05% /C 미만인 것을 방지할 수 있습니다.

흔한 실수

✗환경 오염 무시: 센서 표면에 물 (er = 80) 이나 기름이 묻으면 커패시턴스가 크게 증가하여 잘못된 트리거가 발생합니다. IFM 애플리케이션 가이드에 따라 습한 환경에서는 보호 전극 설계의 플러시 마운트 센서를 사용하십시오.
✗선형 감지 범위 초과: 커패시턴스는 1/d만큼 변하므로 감도가 매우 비선형적입니다. 플레이트 근처의 처음 2mm 이내에서는 센서가 매우 민감하며 작은 변위 변화에도 쉽게 포화됩니다.
✗금속 옆에 장착 (임베딩 효과): 센서의 프린지 필드 내에 전도성 장착 하드웨어가 가상 타겟 역할을 합니다. 제조업체 설치 안내서에 따라 감지 거리의 2배에 달하는 금속 무함유 구역을 유지합니다.

자주 묻는 질문

정전식 근접 센서는 어떤 재료를 감지할 수 있습니까?

용량성 센서는 유전율이 공기와 충분히 다를 경우 전도성 물질과 비전도성 재료를 모두 감지합니다 (er = 1).금속은 쉽게 감지할 수 있습니다 (전기장을 단락시켜 Delta_c를 최대화합니다).플라스틱 (er = 2-4), 유리 (er = 4-10), 목재 (er = 2-5), 물 (er = 80) 및 입상 물질은 유전율이 검출 임계값 (일반적으로 0.5-2pF) 이상으로 커패시턴스를 이동시킬 경우 검출할 수 있습니다.검출 범위는 sqrt (er) 단위로 조정됩니다. IEC 60947-2 테스트 방법에 따라 플라스틱 범위의 3배에서 물을 감지할 수 있습니다.

커패시티브 센싱은 인덕티브 센싱과 어떻게 다릅니까?

유도식 센서는 오실레이터 코일의 와전류 손실을 측정하여 전도성 (금속) 대상만 감지합니다. 철 금속의 경우 2-60mm, 비철 (알루미늄, 구리) 의 경우 40% 낮은 범위입니다.커패시티브 센서는 플라스틱, 액체 및 종이와 같은 비금속 대상을 포함하여 er > 1인 모든 물질을 감지합니다.단점: 정전식 센서는 오염 (수막, 먼지) 에 더 민감하고 범위가 짧지만 (일반적으로 1~25mm), 비금속 용기 벽을 통해서도 감지할 수 있습니다.IFM 및 발루프 선택 가이드에 따라 금속 검출에는 유도형, 비금속 또는 레벨 감지에는 정전식 센서를 사용하십시오.

디스턴스 디스턴스 티치인이란 무엇인가요?

많은 산업용 커패시티브 센서에는 특정 간격으로 트리거 임계값을 설정하는 티치인 기능 (전위차계 또는 푸시버튼) 이 있습니다.절차: 목표물이 있는 상태에서 원하는 감지 거리에 센서를 배치하고 티치인을 활성화하면 센서가 해당 커패시턴스를 켜는 지점으로 저장합니다.히스테리시스 (일반적으로 감지 거리의 10~ 20%) 가 자동으로 적용되어 채터를 방지합니다.이는 Omron 및 Sick 센서 작동 지침에 따라 실제 설치 형상, 대상 재료 및 환경 조건에 맞게 보정합니다.