Princip činnosti
C =ε
S d
dC =
∂C ∂C ∂C dS + dε + d (d ) ∂ε ∂d ∂S
3. KAPACITNÍ KAPACITNÍ SENZORY Přednášející: Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
[email protected], http://micro.feld.cvut.cz tel.: 2 2435 2267 Cvičící:
Pracovní kmitočet
Ing. Pavel Kulha
Rs , ωLs ≤≤
Ing. Adam Bouřa 1
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
Princip činnosti
1 1 ≤≤ Rd , Rk , ωC ω Ck
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
2
Kapacitní senzory - realiace
Rozsahy měření
1 nm
1 μm
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
1 mm
1m
3
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
4
Základní typy měření
Základní typy měření
a) Vzdálenost elektrod – posunutí cca do 1 mm
a) Vzdálenost elektrod – posunutí cca do 1 mm
Co = ε oε r
S d
C = ε oε r
S d ± Δd
C = Co
1 Δd 1± d
Diferenciální zapojení
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
5
Základní typy měření
Základní typy měření
a) Vzdálenost elektrod – posunutí cca do 1 mm
b) Posunutí elektrod – nad 1 mm
l l
C Co
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
7
6
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
bl d ba Co = ε oε r d l C = Co a
C = ε oε r
Diferenciální uspořádání
8
Základní typy měření
Základní typy měření
Příklad: válcový kapacitní senzor k měření posunutí
Příklad: válcový kapacitní senzor k měření posunutí, diferenciální uspořádání
9
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
10
Základní typy měření
Základní typy měření
c) Změna dielektrika Změna plochy
Příklad: Měření výšky obilí, kapaliny, atd. v zásobníku (změna výšky dielektrika)
C = C A + CB l
a l
1 1 1 = + C A ε bl ε bl 1 2 d2 d1
CB = ε 2
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
b( a − l ) d1 + d 2 11
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
12
Základní typy měření
Základní typy měření
Příklad: Kapacitní limitní senzor výšky
Kapacitní limitní senzor výšky
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
Základní typy měření c) Změna vlastností dielektrika Změna tloušťky F
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
13
1 1 1 = + C C1 C2 1 1 1 = + C ε S ε S 2 1 d2 d1
15
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
14
Základní typy měření c) Změna vlastností dielektrika Změna εr •vlhkost •mechanická deformace •teplota •atd.
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
16
Elektronické vyhodnocovací obvody
Elektronické vyhodnocovací obvody
Nejčastěji se používá: a) zesilovač se zpětnovazební měřicí kapacitou b) kapacitní můstek c) oscilátorové obvody
b) Kapacitní můstek C1o, C2o - kapacity spojů k Cs
a) Zesilovač se zpětnou kapacitní vazbou
1 XC ωC s U U2 = − s U = − 1 X C1 ωC1 U2 = −
C1 U Cs
X Cs X N1
Poznámka: zapojení potlačuje vliv kapacit připojení Cp1, Cp2 ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
17
Elektronické vyhodnocovací obvody
=
X CN X N2
Cs N1 = CN N 2
f G ≤ frezon 18
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
Elektronické vyhodnocovací obvody
Příklad zapojení: Kapacitní měření výšky hladiny
c) Oscilátorové obvody - princip oscilátory – různé typy (LC, RC, relaxační, multivibrátory, apod.) El. obvody - analogové i digitální zpracování Vyhodnocování – změna kmitočtu, amplitudy
f = g (C ) P – seřízení údaje na 100% při plném zásobníku R,C – seřízení údaje na 0% při prázdném zásobníku ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
19
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
20
Elektronické vyhodnocovací obvody
Elektronické vyhodnocovací obvody
Příklad 1: Kapacitní bezpotenciálové měření výšky hladiny
Příklad 2: Kapacitní spínač (senzor přiblížení) OSC
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
21
Elektronické vyhodnocovací obvody
Vyhodnoc
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
22
Elektronické vyhodnocovací obvody
Příklad 3: Kapacitní spínač 2 (senzor přiblížení osoba 25 cm)
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
Zesilovač
23
Příklad 4: Kapacitní spínač 3 (jednoduchý senzor přiblížení)
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
24
Elektronické vyhodnocovací obvody
Elektronické vyhodnocovací obvody
Příklad 4: Kapacitní spínač 3 (jednoduchý senzor přiblížení)
Příklad 5: Princip měření torze hřídele
25
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
Elektronické vyhodnocovací obvody Využití astabilního klopného obvodu (AKO)
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
26 Westbrook,M.H.: Automotive Sensors. IPP, 1994
Elektronické vyhodnocovací obvody Využití monostabilního klopného obvodu (MKO)
Jednoduchý generátor vstupních impulsů Vstupní impulsy z μP nebo generátoru impulsů Šířka výstupního signálu (frekvenční signál) je funkcí měřicí kapacity Cs Výstupní frekvenční signál – výstup jako frekvence nebo analogový signál ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
Nyce,D.S.: Linear Position Sensors. 27
CMOS Schmittův obvod
výstupní impulsy
Šířka výstupního signálu (frekvenční signál) je funkcí měřicí kapacity Cs Výstupní frekvenční signál – výstup jako frekvence nebo analogový signál
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
Nyce,D.S.: Linear Position Sensors.
28
Elektronické vyhodnocovací obvody
Elektronické vyhodnocovací obvody
Příklad: Senzor pro měření relativní vlhkosti (změna εr)
Příklad 7: Kapacitní senzor pro měření polohy
Princip činnosti:
Princip činnosti:
Astabilní klopný obvod (AKO) 50 kHz (IOA), výstupní signál spouští monostabilní MKO (IOB), Doba překlopení je řízena kapacitou senzoru vlhkosti. Rozsah měření 5 – 95% C=207 pF při 33% vlhkosti Změna kapacity = 12% / při změně H=10 – 90%
Dva MKO spouštěné signálem CLK. Střídy výstupních signálů jsou opačným způsobem závislé na kapacitě, v dalším obvodu se odečítají a filtrují. Signál je úměrný střední hodnotě, tj. poloze.
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
Humlhans: Zajímavá zapojení 3, BEN 2005
29
Elektronické vyhodnocovací obvody
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
Humlhans: Zajímavá zapojení 3, BEN 2005
30
Elektronické vyhodnocovací obvody a) Zpracování výstupní frekvence – f/U převodník
Napěťový kapacitní dělič – střídavý výstup
uvýst = fce(CS ) fOSC = konst .
AC výstupní Výstup napětí
AC
CS Snižování
Měřená veličina; CS2 Zvyšování
1 2πfC
Frekvence OSC je konstantní
AC
Výstup výstupní napětí AC CS1 Snižování
XC =
Mění se C Měřená veličina;
Poznámka: Získané střídavé vydělené napětí je v dalších obvodech převedeno na stejnosměrné ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
Nyce,D.S.: Linear Position Sensors.
31
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
32
Elektronické vyhodnocovací obvody
Elektronické vyhodnocovací obvody
b) Zpracování výstupní frekvence – usměrňovače
c) Zpracování výstupní frekvence – synchronní demodulátor
CS2 Zvyšování
Oddělovač
DC výstupní napětí
Zvyšování
CS1 Snižování
Spínač Výstup DC
Měřená veličina
Snižování
RC filtr
CS1 Snižování
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
Princip činnosti: Elektronický spínač místo diody, synchronizace spínače s oscilátorem. Sepnutí – vyšší napětí, filtrační C se nabíjí z děliče Rozepnutí – nižší napětí Nabíjení filtrační C bez chyb, které vznikají u klasického usměrňovače
Diferenciální výstup CS2 Zvyšování
Nyce,D.S.: Linear Position Sensors.
33
Elektronické vyhodnocovací obvody
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
Nyce,D.S.: Linear Position Sensors.
34
Aplikace kapacitních senzorů v průmyslu
Ochranná elektroda pro nezeměné pohyblivé elektrody
Příklad 7: Kapacitní senzor pro měření přítomnosti předmětu
Ochrana proti snímání signálů kapacitními vazbami (vazba z el. obvodů, vazební indukčnosti) Ochranná elektroda
Senzorová elektroda
Pevná elektroda ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
Dielektrikum Nyce,D.S.: Linear Position Sensors.
35
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
36
Aplikace kapacitních senzorů v průmyslu
Aplikace kapacitních senzorů v průmyslu
Příklad: Kapacitní senzor pro měření tablet na výrobní lince
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
37
Aplikace kapacitních senzorů v průmyslu
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
38
Otázky 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
Princip činnosti náhradní lineární zapojení měřicího systému s kapacitními senzory odvození pracovního kmitočtu Princip měření se změnou vzdálenosti elektrod Princip měření s posunutím elektrod Princip měření se změnou plochy a tloušťky dielektrika Princip měření se změnou dielektrické konstanty dielektrika vyhodnocovací obvody kapacitních senzorů – napěťový dělič stejnosměrný nebo střídavý, zesilovače, můstky, oscilátorové obvody, další typy převodníků 9. Příklady využití kapacitních senzorů pro měření výšky hladiny, přiblížení, počítání výrobků, atd.
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
39
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
40