3. KAPACITNÍ SENZORY. C d. Princip činnosti. Princip činnosti. Kapacitní senzory - realiace

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


2

Kapacitní senzory - realiace

Rozsahy měření

1 nm

1 μm


1 mm

1m

3


4

Základní typy měření


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


5




b) Posunutí elektrod – nad 1 mm

l l

C Co


7

6



bl d ba Co = ε oε r d l C = Co a

C = ε oε r

Diferenciální uspořádání

8



Příklad: válcový kapacitní senzor k měření posunutí

Příklad: válcový kapacitní senzor k měření posunutí, diferenciální uspořádání

9



10



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


b( a − l ) d1 + d 2 11


12



Příklad: Kapacitní limitní senzor výšky

Kapacitní limitní senzor výšky


Základní typy měření c) Změna vlastností dielektrika Změna tloušťky F


13

1 1 1 = + C C1 C2 1 1 1 = + C ε S ε S 2 1 d2 d1

15


14

Základní typy měření c) Změna vlastností dielektrika Změna εr •vlhkost •mechanická deformace •teplota •atd.


16

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


=

X CN X N2

Cs N1 = CN N 2

f G ≤ frezon 18



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


20



Příklad 1: Kapacitní bezpotenciálové měření výšky hladiny

Příklad 2: Kapacitní spínač (senzor přiblížení) OSC


21


Vyhodnoc


22


Příklad 3: Kapacitní spínač 2 (senzor přiblížení osoba 25 cm)


Zesilovač

23

Příklad 4: Kapacitní spínač 3 (jednoduchý senzor přiblížení)


24



Příklad 4: Kapacitní spínač 3 (jednoduchý senzor přiblížení)

Příklad 5: Princip měření torze hřídele

25


Elektronické vyhodnocovací obvody Využití astabilního klopného obvodu (AKO)


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


Nyce,D.S.: Linear Position Sensors.

28



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.


Humlhans: Zajímavá zapojení 3, BEN 2005

29



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.


31


32



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


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


33




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


36



Příklad: Kapacitní senzor pro měření tablet na výrobní lince


37



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.


39


40

3. KAPACITNÍ SENZORY. C d. Princip činnosti. Princip činnosti. Kapacitní senzory - realiace

Recommend Documents