静電容量センサー

静電容量センサーはパラメトリック型トランスデューサーと呼ばれ、測定値の変化を静電容量の変化に変換します。

静電容量センサーのアプリケーション

静電容量センサーの可能な用途は非常に多様です。これらは、ほぼすべての業界の産業プロセス規制および制御システムで使用されています。静電容量センサーは、自動ライン、コンベア、ロボット、マシニングセンター、金属切断機のリミットスイッチ、信号システム、さまざまな機構の位置決めなど、液体、粉末、または粒状物​​質のタンクへの充填を制御するために使用されます。

現在、最も普及しているのは近接 (存在) センサーであり、信頼性に加えて幅広い利点もあります。近接センサーは比較的低コストで、あらゆる業界の幅広い方向性をカバーします。このタイプの静電容量センサーの一般的な使用分野は次のとおりです。

• プラスチックまたはガラスの容器に充填するための信号。

• 透明パッケージの充填レベルの制御。

• コイル断線警報;

• ベルトの張力調整。

• あらゆる種類の部分的なアカウントなど

静電容量式リニアエンコーダおよび角度エンコーダは、エンジニアリング、輸送、建設、エネルギー、さまざまな測定施設で広く使用されている最も一般的なデバイスです。

近年、産業用に広く使用されるようになった比較的新しいデバイスは、センサーの傾斜角に比例した電気出力信号を備えた小型の容量性傾斜計です。傾斜計の主な応用分野としては、プラットフォームレベリングシステムでの使用、さまざまな種類の支柱や梁の偏差や変形の測定、建設、修理、運用中の道路や鉄道の傾斜角の制御、などがあります。車、船、水中ロボット、ホイストやクレーン、掘削機、農業機械のロールを測定し、静止物体と移動物体のシャフト、車輪、ギアボックス機構など、さまざまなタイプの回転物体の角変位を測定します。

静電容量式レベルセンサーは、食品、製薬、化学、石油精製業界の生産プロセスの制御システム、規制および管理に使用されます。これらは、液体、バルク材料、懸濁液、粘性物質（導電性および非導電性）を扱う場合や、結露や粉塵の多い状況で作業する場合に効果的です。

静電容量センサーは、絶対圧とゲージ圧、誘電体の厚さ、空気湿度、ひずみ、角加速度、直線加速度などを測定するためにさまざまな業界でも使用されています。

他のタイプのセンサーと比較した静電容量センサーの利点

静電容量センサーには、他のタイプのセンサーに比べて多くの利点があります。それらの利点は次のとおりです。

• 製造が容易で、製造に安価な材料を使用できる。 - サイズと重量が小さい。 — エネルギー消費が少ない。 - 高感度;

• 接点がない（場合によっては集電装置が 1 つ）。

• 長い耐用年数。

• 静電容量センサーの可動部分を動かすのに必要な力は非常に小さい。

• センサーの形状をさまざまなタスクや設計に適応させるのが簡単。

静電容量センサーの欠点

静電容量センサーの欠点は次のとおりです。

• 伝達（変換）係数が比較的小さい。

• シールド部品に対する高い要件。

• より高い（50 Hz と比較して）周波数で動作する必要がある。

ただし、ほとんどの場合、センサーの設計により十分なシールドが達成でき、実際には、静電容量センサーが広く使用されている周波数 400 Hz で良好な結果が得られることが示されています。固有 コンデンサ エッジ効果は、プレート間の距離が検討中の表面の直線寸法に匹敵する場合にのみ顕著になります。この影響は、保護リングを使用することである程度排除でき、実際に測定に使用されるプレートの表面の限界を超えてその影響をシフトすることができます。

静電容量センサーはそのシンプルさで注目に値し、堅牢で信頼性の高い設計が可能になります。コンデンサのパラメータは幾何学的特性のみに依存し、使用される材料が正しく選択されていれば、その特性には依存しません。したがって、プレートに適切なグレードの金属とその取り付け用の断熱材を選択することにより、表面変化とプレート間隔に対する温度の影響を無視できるほど小さくすることができます。残っているのは、ほこり、腐食、湿気、電離放射線など、プレート間の絶縁を劣化させる可能性のある環境要因からセンサーを保護することだけです。

静電容量センサーの貴重な特性、つまり可動部分を動かすのに必要な機械力が少量であること、トラッキング システムの出力を調整できる機能、および操作の高精度により、静電容量センサーは誤差がわずか 100 分の 1、さらに 100 分の 1 であるデバイスには不可欠なものとなっています。 1000 分の 1 パーセントが許可されます。

容量性コンバータの種類とその設計上の特徴

通常、容量性センサーは平坦または円筒形のコンデンサであり、そのプレートの 1 つが制御された動きを受けて静電容量の変化を引き起こします。端部効果を無視すると、フラット コンデンサの静電容量は次のように表すことができます。

ここで、 ε はプレート間に囲まれた媒体の比誘電率、C と e - 考慮されたプレートの面積、およびそれに応じてそれらの間の距離です。

容量性トランスデューサは、測定された非電気量と以下のパラメータの関数関係に応じて、3 方向のさまざまな量を測定するために使用できます。

• 媒質の可変誘電率ε。

• プレートCの重なり領域;

• プレート間の距離が異なる ｅ．

最初のケースでは、誘電率は物質の特性の関数であるため、容量性トランスデューサーを使用して物質の組成を分析できます。この場合、コンバーターの自然入力値は、プレート間の空間を満たす物質の組成になります。このタイプの容量性トランスデューサは、固体や液体の水分含有量、液面の測定、小さな物体の幾何学的寸法の測定に特に広く使用されています。静電容量型トランスデューサの実用化のほとんどの場合、その自然入力値は電極間の相対的な幾何学的な変位であり、この原理に基づいて、線形および角変位センサ、力、振動、速度、加速度を測定するためのデバイス、近接センサー、圧力センサー、ひずみセンサー (伸び計)。

静電容量センサーの分類

実装の観点からは、すべての容量性測定トランスデューサは、シングル容量性センサーとダブル容量性センサーに分類できます。後者は差動と半差動です。

単一静電容量センサーは設計が簡単で、単一の可変コンデンサーです。欠点としては、湿度や温度などの外部要因の影響が大きいことが挙げられます。これらの誤差を補償するには、差動設計を適用します...単一静電容量のものと比較したこのようなセンサーの欠点は、センサーと測定デバイスの間に (2 つではなく) 少なくとも 3 本のシールドされた接続線が必要であることです。寄生容量と呼ばれます。しかし、この欠点は、精度、安定性の大幅な向上、およびそのようなデバイスの応用分野の拡大によって補われます。

場合によっては、差動容量性センサーの作成が設計上の理由により困難になることがあります (これは特に可変ギャップ差動センサーに当てはまります)。しかし、同時に、例示的なコンデンサが動作中のコンデンサと同じハウジング内に配置され、設計、寸法、および使用される材料が可能な限り同一である場合、外部の不安定化の影響に対するデバイス全体の感度ははるかに低くなります。確実です。このような場合、半差動容量センサーについて話すことができます。半差動容量センサーは、差動センサーと同様に、二重容量センサーを指します。

2 ボリューム センサーの出力パラメータの特異性は、2 次元物理量 (この場合は静電容量) の無次元比として表され、これらを比率センサーと呼ぶ理由が得られます。デュアル静電容量センサーを使用する場合、測定デバイスには標準的な静電容量測定値がまったく含まれていない可能性があり、これが測定精度の向上に貢献します。

リニア変位エンコーダ

測定および制御される非電気量は数多くあり、多岐にわたります。それらの重要な部分は、線形変位と角度変位です。コンデンサをベースにしています。 電界 2 つの主なタイプの容量性変位センサーを作業ギャップ内に均一に作成できます。

• 電極面積が可変。

• 電極間のギャップは可変です。

前者は大きな変位（数十、数百ミリメートル単位）を測定するのに便利であり、後者は微小な変位（ミリメートルの一部、マイクロメートル以下）を測定するのに便利であることは明らかです。

角度エンコーダ

角変位容量性トランスデューサは原理的には線形変位容量性トランスデューサと同様であり、測定範囲が小さすぎない場合（度単位から開始）、および可変角度ギャップ容量性センサの場合には可変面積センサもより適しています。微小および超微小な角変位の測定にうまく使用できます。通常、角度変位には、可変コンデンサ プレート領域を備えたマルチセクション トランスデューサが使用されます。

このようなセンサーでは、コンデンサー電極の1つが物体のシャフトに取り付けられており、回転中に静止電極に対して相対的に変位し、コンデンサープレートの重なり合う領域が変化します。これにより、静電容量の変化が生じ、それが測定回路によって捕捉されます。

傾斜計

傾斜計 (傾斜センサー) は、カプセル型の感知素子を含む差動容量性傾斜トランスデューサーです。

静電容量式傾斜計

カプセルは、絶縁層で覆われた 2 つの平坦な電極 1 を備えた基板と、基板に気密に固定された本体 2 から構成され、本体の内腔の一部は、共通電極である導電性液体 3 で満たされています。センシティブな要素。共通電極は平坦な電極とともに差動コンデンサを形成します。センサーの出力信号は差動コンデンサーの静電容量の値に比例し、垂直面内のハウジングの位置に線形に依存します。

傾斜計は、出力信号が 1 つのいわゆる作業面の傾斜角に線形依存するように設計されており、もう 1 つの (非作業面) の読み取り値は実質的に変化しませんが、その信号は温度にわずかに依存します。変化します。空間内の平面の位置を決定するには、互いに 90°の角度で配置された 2 つの傾斜計が使用されます。

センサーの傾斜角に比例する電気出力信号を備えた小型の傾斜計は、比較的新しいデバイスです。高精度、小型サイズ、可動機構部がないこと、現場での設置が容易であること、低コストであることから、回転センサーとしてだけでなく、固定式だけでなく可動式の角度センサーの代替としても使用することをお勧めします。オブジェクト。

静電容量式液面センサー

非導電性液体のレベルを測定する容量性トランスミッタは、並列接続された 2 つのコンデンサで構成されます

圧力センサー

容量性圧力トランスデューサの基本設計の 1 つは、絶対圧力の測定に使用される単一のステータです (電気圧力センサー).

このようなセンサーは、しっかりと張られた平らな金属ダイヤフラムによって 2 つの部分に分割された金属セルで構成され、その片側には本体から隔離された固定電極があります。ダイアフラム電極は可変静電容量を形成し、測定回路に含まれます。ダイヤフラムの両側の圧力が等しい場合、トランスデューサはバランスが取れています。いずれかのチャンバー内の圧力が変化すると、ダイアフラムが変形し、測定回路によって固定される静電容量が変化します。

2 ステーション (差動) 設計では、ダイアフラムが 2 つの固定プレートの間を移動し、基準圧力が 2 つのチャンバーの 1 つに供給され、最小の誤差で差動 (過剰または差動) 圧力を直接測定できます。