Capteurs capacitifs

Un capteur capacitif est appelé un transducteur de type paramétrique où un changement de valeur mesurée est converti en un changement de capacité.

Applications de capteurs capacitifs

Les applications possibles des capteurs capacitifs sont extrêmement diverses. Ils sont utilisés dans les systèmes de régulation et de contrôle des processus industriels dans presque toutes les industries. Les capteurs capacitifs sont utilisés pour contrôler le remplissage des réservoirs avec des substances liquides, pulvérulentes ou granulaires, tels que les interrupteurs de fin de course sur les lignes automatisées, les convoyeurs, les robots, les centres d'usinage, les machines de découpe des métaux, dans les systèmes de signalisation, pour le positionnement de divers mécanismes, etc.

Actuellement, les plus répandus sont les capteurs de proximité (présence) qui, en plus de leur fiabilité, présentent également un large éventail d'avantages. Avec un coût relativement faible, les capteurs de proximité couvrent une large gamme de directivité dans leur application dans toutes les industries. Les domaines d'utilisation typiques des capteurs capacitifs de ce type sont :

• signalisation pour le remplissage de contenants en plastique ou en verre;

• contrôle du niveau de remplissage des emballages transparents ;

• alarme de rupture de bobine ;

• réglage de la tension de la courroie ;

• compte partiel de toute nature, etc.

Les codeurs linéaires et angulaires capacitifs sont les dispositifs les plus courants, largement utilisés dans l'ingénierie et les transports, la construction et l'énergie, dans divers complexes de mesure.

Des dispositifs relativement nouveaux qui se sont répandus dans l'industrie ces dernières années sont devenus des inclinomètres capacitifs de petite taille avec un signal de sortie électrique proportionnel à l'angle d'inclinaison du capteur…. Les domaines d'application suivants des inclinomètres peuvent être considérés comme les principaux : utilisation dans les systèmes de nivellement de plates-formes, détermination des déviations et des déformations de divers types de supports et de poutres, contrôle des angles d'inclinaison des routes et des voies ferrées lors de leur construction, réparation et exploitation, déterminer le roulis des voitures, des navires et des robots sous-marins, des treuils et des grues, des excavatrices, des machines agricoles, déterminer le déplacement angulaire de divers types d'objets en rotation - arbres, roues, mécanismes de boîte de vitesses sur des objets fixes et mobiles .

Les capteurs de niveau capacitifs sont utilisés dans les systèmes de contrôle, de régulation et de gestion des processus de production dans les industries alimentaires, pharmaceutiques, chimiques et de raffinage du pétrole. Ils sont efficaces lorsque vous travaillez avec des liquides, des matériaux en vrac, des suspensions, des substances visqueuses (conductrices et non conductrices), ainsi que dans des conditions de condensation, de poussière.

Les capteurs capacitifs sont également utilisés dans diverses industries pour mesurer la pression absolue et relative, l'épaisseur des matériaux diélectriques, l'humidité de l'air, la déformation, les accélérations angulaires et linéaires, etc.

Avantages des capteurs capacitifs par rapport aux autres types de capteurs

Les capteurs capacitifs offrent un certain nombre d'avantages par rapport aux autres types de capteurs. Leurs avantages incluent :

• facilité de production, utilisation de matériaux bon marché pour la production; — petite taille et poids ; — faible consommation d'énergie ; - haute sensibilité;

• manque de contacts (dans certains cas - un collecteur de courant);

• longue durée de vie;

• la nécessité d'efforts très faibles pour déplacer la partie mobile du capteur capacitif ;

• facilité d'adaptation de la forme du capteur à différentes tâches et conceptions ;

Inconvénients des capteurs capacitifs

Les inconvénients des capteurs capacitifs incluent :

• coefficient de transfert (conversion) relativement faible ;

• exigences élevées pour les pièces de blindage ;

• la nécessité de travailler à une fréquence plus élevée (par rapport à 50 Hz) ;

Dans la plupart des cas, cependant, un blindage suffisant peut être obtenu grâce à la conception du capteur, et la pratique montre que les capteurs capacitifs donnent de bons résultats à la fréquence largement utilisée de 400 Hz. Inhérent condensateurs l'effet de bord ne devient significatif que lorsque la distance entre les plaques est comparable aux dimensions linéaires des surfaces considérées. Cet effet peut être en partie éliminé au moyen d'un anneau de protection, ce qui permet de déplacer son influence au-delà des limites de la surface des plaques effectivement utilisées pour les mesures.

Les capteurs capacitifs sont remarquables par leur simplicité, ce qui permet une conception robuste et fiable. Les paramètres du condensateur ne dépendent que des caractéristiques géométriques et ne dépendent pas des propriétés des matériaux utilisés, si ces matériaux sont correctement sélectionnés. Par conséquent, l'effet de la température sur les changements de surface et l'espacement des plaques peut être négligeable en choisissant la qualité de métal appropriée pour les plaques et l'isolation pour leur fixation. Il ne reste plus qu'à protéger le capteur des facteurs environnementaux susceptibles de détériorer l'isolation entre les plaques - de la poussière, de la corrosion, de l'humidité, des rayonnements ionisants.

Les précieuses qualités des capteurs capacitifs - une petite quantité de force mécanique nécessaire pour déplacer sa partie mobile, la possibilité d'ajuster la sortie du système de suivi et une grande précision de fonctionnement - rendent les capteurs capacitifs indispensables dans les appareils où les erreurs de seulement centièmes et même millièmes pour cent sont autorisés.

Types de convertisseurs capacitifs et leurs caractéristiques de conception

Typiquement, un capteur capacitif est un condensateur plan ou cylindrique, dont l'une des armatures subit un mouvement contrôlé, provoquant une variation de capacité. En négligeant les effets finaux, la capacité d'un condensateur plat peut être exprimée comme suit :

où ε La constante diélectrique relative du milieu enfermé entre les plaques, C et e - la surface des plaques considérées et, par conséquent, la distance entre elles.

Les transducteurs capacitifs peuvent être utilisés pour mesurer diverses grandeurs dans trois directions, en fonction de la relation fonctionnelle de la grandeur non électrique mesurée avec les paramètres suivants :

• constante diélectrique variable du milieu ε ;

• zone de chevauchement des plaques C ;

• distance différente entre les plaques e.

Dans le premier cas, des transducteurs capacitifs peuvent être utilisés pour analyser la composition de la substance, puisque la constante diélectrique est fonction des propriétés de la substance. Dans ce cas, la valeur d'entrée naturelle du convertisseur sera la composition de la substance remplissant l'espace entre les plaques. Les transducteurs capacitifs de ce type sont particulièrement largement utilisés pour mesurer la teneur en humidité des solides et des liquides, le niveau de liquide, ainsi que pour déterminer les dimensions géométriques de petits objets. Dans la plupart des cas d'utilisation pratique des transducteurs capacitifs, leur valeur d'entrée naturelle est le déplacement géométrique des électrodes les unes par rapport aux autres Sur la base de ce principe, les capteurs de déplacement linéaire et angulaire, les dispositifs de mesure des forces, des vibrations, de la vitesse et de l'accélération, les capteurs de capteurs de proximité, de pression et de contrainte (extensomètres).

Classification du capteur capacitif

En termes de mise en œuvre, tous les transducteurs de mesure capacitifs peuvent être divisés en capteurs capacitifs simples et doubles capacitifs. Ces derniers sont différentiels et semi-différentiels.

Un capteur de capacité unique est de conception simple et est un condensateur variable unique. Ses inconvénients incluent une influence significative de facteurs externes tels que l'humidité et la température.Pour compenser ces erreurs, appliquez des conceptions différentielles... L'inconvénient de tels capteurs par rapport à ceux à capacité unique est la nécessité d'au moins trois (au lieu de deux) fils de connexion blindés entre le capteur et l'appareil de mesure pour supprimer le soi- appelées capacités parasites. Cependant, cet inconvénient est compensé par une augmentation significative de la précision, de la stabilité et de l'élargissement du champ d'application de tels dispositifs.

Dans certains cas, un capteur capacitif différentiel est difficile à créer pour des raisons de conception (cela est particulièrement vrai pour les capteurs différentiels à écart variable). Cependant, si en même temps un condensateur exemplaire est placé dans le même boîtier avec un condensateur de travail et qu'ils sont aussi identiques que possible dans la conception, les dimensions et les matériaux utilisés, alors une sensibilité beaucoup plus faible de l'ensemble de l'appareil aux influences déstabilisantes externes sera assuré. Dans de tels cas, on peut parler d'un capteur capacitif semi-différentiel qui, comme le différentiel, fait référence à un capteur bi-capacitif.

La spécificité du paramètre de sortie des capteurs à deux volumes, qui est représenté comme un rapport sans dimension de grandeurs physiques à deux dimensions (dans notre cas, les capacités), donne raison de les appeler des capteurs à rapport. Lors de l'utilisation de capteurs à double capacité, l'appareil de mesure peut ne contenir aucune mesure de capacité standard, ce qui contribue à augmenter la précision de la mesure.

Codeurs de déplacement linéaire

Les grandeurs non électriques à mesurer et à contrôler sont nombreuses et variées. Une partie importante d'entre eux sont des déplacements linéaires et angulaires. Basé sur un condensateur qui champ électrique deux principaux types de capteurs de déplacement capacitifs peuvent être créés uniformément dans l'espace de travail :

• avec surface d'électrode variable ;

• avec un écart variable entre les électrodes.

Il est bien évident que les premiers sont plus pratiques pour mesurer les grands déplacements (unités, dizaines et centaines de millimètres), et les seconds pour mesurer les petits et ultra-petits déplacements (parties de millimètre, micromètres et moins).

Codeurs angulaires

Les transducteurs capacitifs à déplacement angulaire sont en principe similaires aux transducteurs capacitifs à déplacement linéaire, et les capteurs à section variable sont également plus adaptés dans le cas de plages de mesure pas trop petites (à partir d'unités de degrés) et de capteurs capacitifs à angle variable. peut être utilisé avec succès pour mesurer des déplacements angulaires petits et ultra-petits. En règle générale, des transducteurs multi-sections avec une surface de plaque de condensateur variable sont utilisés pour les déplacements angulaires.

Dans de tels capteurs, l'une des électrodes du condensateur est fixée à l'arbre de l'objet et, lors de la rotation, elle est déplacée par rapport à celle à l'arrêt, modifiant la zone de chevauchement des plaques du condensateur. Ceci, à son tour, provoque un changement de capacité qui est capturé par le circuit de mesure.

Inclinomètres

L'inclinomètre (capteur d'inclinaison) est un transducteur d'inclinaison capacitif différentiel qui comprend un élément de détection en forme de capsule.

Inclinomètre capacitif

La capsule est constituée d'un substrat avec deux électrodes plates 1, recouvertes d'une couche isolante, et d'un corps 2, hermétiquement fixé au substrat.La cavité interne du corps est partiellement remplie d'un liquide conducteur 3, qui est l'électrode commune de un élément sensible.L'électrode commune forme un condensateur différentiel avec les électrodes plates. Le signal de sortie du capteur est proportionnel à la valeur de la capacité du condensateur différentiel, qui dépend linéairement de la position du boîtier dans le plan vertical.

L'inclinomètre est conçu pour avoir une dépendance linéaire du signal de sortie sur l'angle d'inclinaison dans un soi-disant plan de travail et ne change pratiquement pas les lectures dans l'autre plan (non-travail), tandis que son signal dépend faiblement de la température changements. Pour déterminer la position de l'avion dans l'espace, deux inclinomètres sont utilisés, situés à un angle de 90 ° l'un par rapport à l'autre.

Les inclinomètres de petite taille avec un signal de sortie électrique proportionnel à l'angle d'inclinaison du capteur sont des dispositifs relativement nouveaux. Leur grande précision, leur taille miniature, l'absence d'unités mécaniques mobiles, leur facilité d'installation sur le site et leur faible coût font qu'il est conseillé de les utiliser non seulement comme capteurs de roulis, mais aussi pour les remplacer par des capteurs d'angle, non seulement fixes mais aussi mobiles. objets.

Capteurs capacitifs de niveau de liquide

Un transmetteur capacitif pour mesurer le niveau d'un liquide non conducteur est constitué de deux condensateurs connectés en parallèle

Capteurs de pression

L'une des conceptions de base d'un transducteur de pression capacitif est un stator unique, qui est utilisé pour mesurer la pression absolue (capteurs de pression électriques).

Un tel capteur est constitué d'une cellule métallique divisée en deux parties par un diaphragme métallique plat étroitement tendu, sur un côté duquel se trouve une électrode fixe isolée du corps.L'électrode à membrane forme une capacité variable, qui est incluse dans le circuit de mesure. Lorsque la pression est égale des deux côtés du diaphragme, le transducteur est équilibré. Un changement de pression dans l'une des chambres déforme le diaphragme et modifie la capacité, qui est fixée par le circuit de mesure.

Dans une conception à deux stations (différentielle), le diaphragme se déplace entre deux plaques fixes et une pression de référence est fournie à l'une des deux chambres, ce qui fournit une mesure directe de la pression différentielle (excédentaire ou différentielle) avec la plus petite erreur.