حسگرهای خازنی با اندازه گیری تغییرات در یک خاصیت الکتریکی به نام خازن کار می کنند. ظرفیت خازنی نشان می دهد که چگونه دو شی رسانا که بین آن ها فاصله قرار دارد ، چگونه به اعمال ولتاژ به آنها واکنش نشان می دهند وقتی ولتاژ به هادی ها اعمال می شود یک میدان الکتریکی بین آن ها ایجاد می شود و باعث جمع شدن بارهای مثبت و منفی روی دو جسم می شود که اگر قطبیت ولتاژ معکوس شود شارژ ها نیز معکوس می شوند.

کاربری های کلی

ما در گروه صنعتی دکتر لایت که تولید کننده انواع محصولات روشنایی هستیم در بیشتر محوصلات خود از سنسور های خازنی بهره می گیریم. پروژکتور 100 وات ال ای دی های دکتر لایت یکی از محصولاتی می باشد که در آن حسگر خازنی کار شده است. حسگرهای خازنی برای تشخیص اشیای کوچک به اصل ظرفیت متکی هستند و می توانند مواد رسانا فلزی و غیر فلزی از جمله سطوح مکانیکی آماده نشده و مواردی را که در امتداد نوار نقاله در حال حرکت هستند اداره کنند.

نحوه کار و عملکرد سنسور خازنی

حسگرهای خازنی با الکترود سنجش رسانا در یک دی الکتریک با ولتاژ محرک در طیف پنج ولت و مدارهای تشخیص که به نوبه خود یک تغییر خازن را به ولتاژ فرکانس و طیف گسترده پالس تغییر می دهد ، کار می کنند. در واقع حسگرهای خازنی می توانند اشیای کوچک را شناسایی کنند و با هر دو شی رسانا یا عایق مانند یک سطح آماده نشده از یک ساز وکار یا یک جسم متحرک حرکت کنند و اشیا رسانا نیز در یک دامنه تشخیص داده می شوند.

دی الکتریک

تشخیص اشیا عایق به یک دی الکتریک با توان متفاوت یا به اندازه کافی متفاوت از وحدت بستگی دارد. در واقع ثابت دی الکتریک جزو مشخصات مواد بوده و در همه مواد وجود دارد. یعنی در خازن صفحه موازی هنگامی که دی الکتریک بین دو صفحه خازن قرار می گیرد. میدان الکتریکی نسبت به حالتی که بین دو صفحه خلا وجود دارد کاهش می یابد و نسبت شدت میدان الکتریکی اعمال شده در غیاب دی الکتریک به شدت کاهش می یابد.

تعیین مقدار ثابت دی الکتریک

میدان الکتریکی خازن در حضور دی الکتریک را ثابت دی الکتریک می نامیم و در معادله داریم :

K = EO / E

K ثابت دی الکتریک و Eo بزرگتر یا برابر با E است. در حقیقت هر چه ثابت دی الکتریک بزرگ تر باشد می تواند بار بیشتری را ذخیره کند و پر کردن فضای بین صفحات حسگرهای خازنی برای اندازه گیری جابجایی و نیرو از مزایای متعددی برخوردار هستند.

از آنجا که هیچ ماده دیگری وجود ندارد خازن از یک جفت هادی تشکیل شده است. حسگر های خازنی بسیار مقاوم و پایدار هستند و در دماهای بالا و در محیط های سخت کاربرد دارند.

ساختمان حسگرهای خازنی

در حسگرهای خازنی یک خازن معمولی از دو بشقاب تشکیل شده توسط یک عایق که به عنوان دی الکتریک شناخته می شود تشکیل شده است که دی الکتریک عایق می تواند انواع مختلفی از مواد از جمله سرامیک کاغذ پلاستیک و یا حتی هوا باشد. در حسگرهای خازنی یک بشقاب از خازن وجود دارد و هدف هم به عنوان صفحه دیگر عمل می کند که فاصله هوایی بین حسگر و توابع هدف دی الکتریک است .

حسگر های مجاورت خازنی به طور کلی از قسمت های اسیلاتور (نوسان ساز) ، دمدولاتور ، اشمیت تریگر و آمپلی فایر تشکیل شده اند .

اسیلاتور

نوسان ساز یا اسیلاتور یک مدار الکتریکی است که سیگنال الکتریکی تکرار شونده نوسانی تولید می کند و سیگنال الکتریکی را به صورت نوسانی تولید می کند که اغلب به صورت یک موج سینوسی یا مربعی است نوسان سازها بسیار متنوع هستند اگرچه اصول عملکرد همه آنها کم و بیش یکسان است. نوسان سازها به طور گسترده و منحصر به فردی در دستگاه های الکترونیکی استفاده می شوند به طوری که بدون آنها عملکرد دستگاه ها غیر ممکن است.

نحوه کار در خازن

در واقع اسیلاتور پس از طی مدت زمان کوتاهی پس از اتصال تغذیه مستقیم به نوسان پایدار می رسد. اسیلاتورها در ابتدا با استفاده از بازخورد مثبت ناپایدار شده و دامنه نوسان رو به افزایش می گذارد اما در دامنه ای معین این افزایش متوقف می شود و نوسان ساز در آن دامنه شروع به نوسان می کند .

دمدولاتور

دمدولاتور در گیرنده سیگنال پیام را از روی سیگنال حامل پیاده می کند که به این عمل دمو دولاسیون یا آشکار سازی پیام میگویند وظیفه دمدلاتور در یک سیستم مخابراتی تشخیص یکی از دو سیگنال ارسال شده در فرستنده است یعنی در واقع وظیفه دمدلاتور عکس وظیفه مدلاتور تبدیل شکل موج سینوسی دریافتی به صفر و یک است . یعنی دمدلاتور باید فرکانس موج سینوسی را اندازه گرفته و متناسب با تعریف اولیه، صفر و یک منطقی را در خروجی آشکار نماید و در نهایت با تغییر فرکانس موج سینوسی ، سطح منطقی از یک به صفر و برعکس تغییر می کند.

اشمیت تریگر

اشمیت تریگر یک مدار مقایسه کننده ای است که در آن از فیدبک مثبت استفاده شده است. در وضعیت غیر معکوس هنگامی که ورودی از یک مقدار مشخص که به عنوان آستانه انتخاب شده است بیشتر شود خروجی (High) یا یک میشود و هنگامی که ورودی از مقدار مشخص شده ی دیگر که به عنوان آستانه انتخاب شده کمتر شود، خروجی (low) یا صفر می شود. هنگامی که ورودی بین این دو مقدار باشد خروجی حالت خود را حفظ می کند.

حالت های اشمیت تریگر

عملکرد اشمیت تریگرها جهت اصلاح صفر و یک ها به این صورت است که با بروز نویز یا اعوجاج بر روی سیگنال های دیجیتال سیگنال ها دچار خرابی می شوند. در اشمیت تریگرها همان طور که اشاره کردیم از بازخورد مثبت استفاده می شود تا سیگنال های خراب را تصحیح نمایند. یعنی در این مدارها یک مقدار پایه مشخص می شود که اگر سیگنال بالاتر از این مقدار باشد مدار اشمیت تریگر آن را به ۱ منطقی تبدیل میکند و اگر کمتر از این مقدار باشد به منطقی تبدیل می کند.

آمپلی فایر

آمپلی فایرها از پر استفاده ترین مداراهای الکترونیک هستند. آنها بلوک های تشکیل دهنده پایه در ارتباطات بی سیم و سیستم های صوتی هستند که برای تقویت مشخصات سیگنال به کار می روند. در واقع آمپلی فایر را می توان دستگاهی الکترونیکی تعریف کرد که ولتاژ، جریان الکتریکی یا قدرت سیگنال ورودی را افزایش می دهد. در حقیقت تقویت کننده اصطلاح عمومی است که برای توصیف مدار یا قطعه الکترونیکی استفاده می شود که سیگنال در طبقه ورودی خود را به صورت کامل و با افزایش دامنه در خروجی پدیدار می کند. با این حال تمام مدارهای تقویت کننده یکسان نیستند و با توجه به آرایش مدار و نحوه کارکردشان تقسیم بندی می شوند در الکترونیک تقویت کننده های سیگنال کوچک به مداراتی گفته می شود که توانایی تقویت سیگنال ورودی به نسبت کوچکی را دارند.

انواع حسگرهای خازنی

الان که کاملا با حسگر های خازنی آنشا شدیم به معرفی انواع آن ها نیز می پردازیم.

- حسگر خازنی کنترل سطح

- حسگر خازنی دو سیمه AC

- حسگر خازنی سه سیمه DC

- حسگر خازنی چهار سیمه DC

- حسگر خازنی سه سیمه DC

حسگر خازنی کنترل سطح

اساس کار حس گر خازنی کنترل سطح به این صورت است که بین میله پروپ و بدنه فلزی مخزن ظرفیت خازنی وجود دارد. هرگاه به علت وجود مواد ظرفیت خازنی افزایش یابد و از مقدار معینی فراتر رود خروجی حسگر که به صورت کنتاکت رله است ، فعال خواهد شد. در واقع می توان خروجی رله را با جابه جا کردن یک کنتاکت به صورت نرمال باز یا نرمال بسته انتخاب نمود.

نوع کارکرد

حسگرهای خازنی کنترل سطح در حقیقت در دو نوع پروپ روکش دار و پروپ بدون روکش تولید می شوند که نوع با پروپ روکش دار برای مواد هادی جریان الکتریسیته مانند آب اکسید آهن اکسید آلومینیوم و ... مناسب است و حسگر های خازنی کنترل سطح با پروپ بدون روکش برای موادی با مقاومت الکتریکی بالا مانند سیمان ، گچ ، انواع روغن ، گرانول های پلاستیکی ، خاک چینی و پودر سرامیک مناسب است.

حسگر خازنی دو سیمه AC

Normally (NC) و Normally Open (NO) در دو نوع AC حس گر خازنی دو سیمه Close ساخته می شوند. این نوع حسگرها فقط دو حالت باز و یا بسته دارند. به همین دلیل دو سیم در آنها به کار رفته است. در حالتی که باز باشد برای تغذیه حسگر یک جریان ضعیف از بار به آن متصل میشود و در حالتی که حسگر وصل باشد یا به اصطلاح مدار آن بسته باشد ولتاژی روی حسگر ایجاد می شود. خروجی حسگر خازنی دو سیمه ممکن است در چهار حالت باشد که عبارت اند از :

pnp no; npn no; pnp nc; npn nc

حسگر خازنی سه سیمه DC

حسگر خازنی سه سیمه DC در دو نوع NPN و PNP وجود دارد. این نوع حسگرها سه حالت دارند و افزون بر حالت باز یا بسته و یک حد وسط نیز در این نوع حسگرها وجود دارد. یک مورد استفاده از این حسگرها در فشار سنج ها است. در واقع این نوع حسگر می تواند نشان دهد که در حال حاضر فشار کم یا زیاد است و با حالت سوم فشار به حالت تعادل رسیده است.

ویژگی ها

در این نوع حسگرها سه سیم از حسگر خارج می شود که دو سیم جهت وصل کردن حسگر به منبع تغذیه است که بر حسب استاندارد اروپا (EN 50044) رنگ قهوه ای برای مثبت و رنگ آبی برای منفی در نظر گرفته می شود و در نهایت سیم سوم که به رنگ سیاه است خروجی حسگر می باشد.

حسگر خازنی دوسیمه NAMUR

این نوع حسگر هم به طور دقیق مانند یک سویچ ساده عمل می کند یعنی وقتی هدف در فاصله ی دور از حسگر قرار دارد سویچ باز است و هنگامی که هدف به حسگر نزدیک است، سویچ بسته می شود. امروزه در بیشتر کاربرد های صنعتی یک حسگر مجاورتی به یک مقاومت بار واقعی متصل نیست بلکه به ورودی یک ماژول ورودی دیجیتال PLC یا DCS وصل است.

حسگر خازنی چهار سیمه DC

این نوع حسگر هم همانند حسگر سه سیمه DC در دو نوع NPN و PNP و به دو صورت Normally Close (NC) و Normally Open (NO) ساخته می شوند. عملکرد این نوع حسگرها همانند کلید های مرکب است که با بسته شدن یک کنتاکت آن، فرمان باز شدن کنتاکت دیگر صادر می شود .

کاربرد حسگرهای خازنی

هر حسگر بسته به نوع خود به یک محرک خاص واکنش نشان می دهد و سیگنال الکتریکی تولید می کند. به عنوان یک مثال ساده می توان به درهای خودکار اشاره کرد به گونه ای که حسگرهای این درها نزدیک شدن یک فرد را حس می کنند و سیگنال هایی را برای سازه های مکانیکی در می فرستند تا در باز می شود .

کاربرد های اصلی و متداول

- کنترل سطوح مخازن

- شمارش خط تولید

- جدا کردن قطعات فلزی از غیر فلزی

- کنترل حرکت پارچه

- تشخیص پارگی نوار نقاله

- تشخیص ارتفاع یک دسته کاغذ

- کنترل جریان مایع

- کنترل پر کردن مایعات و تعیین سطح آب در بطری های پلاستیکی

- کنترل وجود لامپ یا سایر وسایل در داخل جعبه های مقوایی

- تشخیص پارگی در قرقره کاغذ

مزایا حسگرهای خازنی

از مزایای حسگرهای خازنی می توان به موارد زیر اشاره کرد:

- تشخیص فلزات غیر فلزات ، جامدات و مایعات.

- تشخیص جسم هدف از میان برخی از اجسام مانند جعبه.

- عمر مفید بالا.

- روش نصب به صورت های مختلف.

- فاصله عملیاتی از حسگر می تواند با هدف و ویژگیهای نصب مطابقت داده شود.

- این حسگر ها با هر دو مواد رسانای جریان برق و مواد عایق فلزات آهنی ، فلزات غیر آهنی ، شیشه ، چوب پلاستیک و همچنین نفت و محلول های مایع برهم کنش دارند.

معایب حسگرهای خازنی

معایب حسگرهای خازنی عبارت اند از:

- فاصله کوتاه حس کنندگی که بسته به نوع ماده دارد ولی در بسیاری از حالات کمتر از ۲/۵ سانتی متر است.

- حساسیت خیلی زیاد نسبت به شرایط محیطی از قبیل رطوبت که می تواند روی خروجی حسگر تاثیر بگذارد .