سنسور خازنی نوعی از سنسورهای غیر‌تماسی و بدون کنتاکت الکتریکی است که وجود اشیا غیر‌فلزی و برخی از اشیا فلزی را تشخیص می‌دهد. بیشترین کاربرد سنسورهای خازنی برای تشخیص وجود مواد غیر‌فلزی مانند پلاستیک، شیشه، چوب و… است.
در‌واقع هر آیتم درصورتی‌که بتواند ظرفیت میدان الکتریکی سنسور خازنی را تغییر دهند؛ حسگر سنسور آن‌ها را تشخیص می‌دهد. همچنین این سنسورها در صنعت، معمولا برای شمارش کالاها و همچنین کنترل سطح مایعات کاربرد دارند.
ساختار سنسور خازنی
سنسورهای خازنی شامل 4 بخش اصلی هستند:
- آمپلی‌فایر: کاربرد آمپلی‌فایر در سنسور خازنی، تقویت سیگنال‌های الکتریکی است. آمپلی‌فایر قدرت سیگنال را بهبود داده و ترتیبی می‌دهد تا اطلاعات دقیق‌تری از تغییرات محیط ایجاد شود.
- اشمیت تریکر: وظیفه اشمیت تریکر، آنالیز تغییرات خازن در محیط است. این قطعه در الکتریسیته خازن تغییراتی ایجاد می‌کند. در ادامه به نسبت واکنشی که خازن به این تغییرات نشان می‌دهد؛ تحلیل نهایی انجام می‌شود.
- دمدولاتور: دمدولاتور باعث کاهش اطلاعات به‌صورت موج‌های فرکانسی می‌شود و به‌این‌ترتیب اطلاعات ناشی از تغییرات خازنی به سیگنال‌هایی با فرکانس قابل خواندن تبدیل می‌شوند.
- اسیلاتور: در انتها اسیلاتور با انتقال سیگنال به شکل موج مستقل، سیگنال نهایی را ایجاد می‌کند. بعد از این مرحله سیگنال به سیستم کنترل انتقال یافته و تحلیل‌های نهایی انجام می‌شود. اسیلاتور در سنسور خازنی شامل دو صفحه است که در بین آن یک ظرفیت خازنی ایجاد می‌شود.
انواع سنسور خازنی
سنسورهای خازنی به نسبت تعداد سیم‌های موجود در مدار خازن، به چهار دسته تقسیم می‌شوند:
- سنسور دو سیمه AC: این نوع سنسورها به دو صورت باز یا بسته ساخته می‌شوند. سنسور دو سیمه به دسته (Normally Open (NO و (Normally close (NC تقسیم می‌شود.
- سه سیمه DC: سنسورهای NPN و PNP به‌صورت سه سیمه ساخته می‌شوند. اشکال مختلف باز و یا بسته و همچنین یک حد وسط هم در این سنسورها وجود دارد. رایج‌ترین کاربرد این نوع سنسورها، استفاده به‌عنوان فشارسنج است. این نوع سنسور می‌تواند برای تعیین پایین یا بالا بودن فشار یا ایجاد فشار متعادل به کار گرفته شود.
- چهار سیمه یا DC: سنسورهای 4 سیمه مانند کلید مرکب عمل می‌کنند. به این صورت که در حالتی که یکی از کلیدها باز باشند؛ کلید دیگر بسته می‌شود. سنسور چهار سیمه در دو نوع NPN و PNP ساخته می‌شوند و به دو دسته (Normally Open (NO و (Normally close (NC تقسیم می‌شوند.
مکانیزم عملکرد سنسور خازنی
ابتدایی‌ترین سنسورها شامل دو صفحه رسانا هستند که بین آن‌ها یک محیط دی‌الکتریک ایجاد می‌شود. بعد از اعمال ولتاژ روی خازن، بارهای الکترونیکی روی صفحات خازن، یک میدان الکتریکی ایجاد می‌کنند. به نسبت ظرفیت خازن، یک بار مشخص در آن ذخیره می‌شود. هر نوع شی که باعث تغییر ظرفیت خازن شود، توسط سنسور خازنی شناسایی می‌شود.
صفحات فلزی سنسور خازنی به یک اسیلاتور داخلی وصل شده و به‌این‌ترتیب هر شی که تغییراتی در میدان سنسور خازنی ایجاد کند؛ اسیلاتور آن نوسانات را تشخیص می‌دهد. بعد از اینکه نوسانات ایجاد شده به آستانه مورد‌نظر رسید، سنسور می‌تواند وجود شی را تشخیص دهد.
مزایای سنسورهای خازنی
برخی از ویژگی‌های سنسور خازن سبب می‌شود که این سنسور کاربردهای بیشتری داشته باشد:
- سنسورهای خازنی معمولا ساده و کوچک و جمع‌وجور هستند.
- این سنسور مقرون‌به‌صرفه است و قیمت پایینی دارد.
- تنظیم سنسور خازنی در مقایسه با دیگر سنسورها ساده‌تر است.
- سنسورهای خازنی وضوح بالایی دارند.
- سنسور خازنی قادر است طیف وسیعی از اجسام را تشخیص دهد. از اجسام رسانا تا نارسانا گرفته یا اجسام کوچک تا بزرگ و حتی ماده در حالت‌های مختلف مایع یا جامد، توسط این سنسور شناسایی می‌شوند.
- با این سنسور می‌توانید سطح سیالات را بررسی کرده و از آن به عنوان نشت‌یاب استفاده کنید.
معایب سنسورهای خازنی
سنسور خازنی هم مانند دیگر انواع سنسور، محدودیت‌هایی در برخی موارد دارد:
- پارامتر فاصله شی به کمک سنسور خازنی قابل تشخیص نیست.
- سنسور خازنی عموما محدوده برد کمی دارد.
- این سنسور ممکن است دچار خازن انگلی شوند. خازن انگلی، خازنی است که به‌صورت ناخواسته در یک مدار ایجاد می‌شود و باعث اختلال در عملکرد سنسور شوند.
- عواملی مانند تغییر محیط یا تغییر میزان رطوبت می‌تواند عملکرد سنسورهای خازنی را تغییر دهد.
کاربردهای سنسورهای خازنی
رایج‌ترین کاربردهای سنسور خازنی عبارت‌اند از:
- اعلام ورود مایعات به لوله‌کشی‌ها و شلنگ‌های پلاستیکی
- تشخیص سطح محیط‌های مایعات و جامدات توده‌ای
- اطمینان از حضور شیشه، پلاستیک، کاغذ و چوب
- شمارش اجسام
سنسورهای خازنی در کدام صنایع کاربرد دارند؟
سنسورهای خازنی کاربرد وسیعی دارند که البته مهمترین کاربرد آن‌ها کنترل سطح مخازنی که از مواد مایع، دانه دانه و موارد پودری بهره‌گیری می‌شوند است. بیشترین صنایعی که از سنسور خازنی استفاده می‌کنند عبارت‌اند از:
- صنایع پردازش پلاستیک و چوب
- صنایع غذایی و بسته‌بندی
- صنعت خودرو
- صنعت چاپ و کاغذ
- داروسازی، تکنولوژی فرایند و مواد‌شیمیایی
شرایط نصب سنسورهای خازنی
سنسور خازنی را تنها در محیط‌هایی می‌توان نصب کرد که میدان الکترونیکی خازن، تحت تاثیر محیط تغییر نکند. درصورتی‌که مواد موجود در هر محیط باعث ضعیف شدن محدوده تشخیص سنسور شود؛ آن سنسور دیگر عملکرد درستی نخواهد داشت.
هرچند می‌توان به کمک اضافه کردن برخی قطعات مانند پتانسیومترها تغییرات ناشی از محیط را جبران کرد. مسئله مهمی که وجود دارد این است که به جز شی هدف، هیچ تغییر دیگری در اثر محیط، روی محدوده سنسور ایجاد نشود.
سخن آخر
سنسور خازنی از سنسورهای غیر‌تماسی است که وجود اشیا فلزی و غیر‌فلزی را تشخیص می‌دهد. از این سنسور برای نشت‌یابی، کنترل سطح مایعات و سیالات و شمارش اجسام و… استفاده می‌شود. سنسورهای خازنی طیف بزرگی از اشیا را تشخیص می‌دهند.
سنسورهای خازنی به‌خاطر برد کوتاهی که دارند؛ معمولا در یک محدوده کوچک قادر به تشخیص اشیا هستند. با دور شدن شی از میدان الکتریکی سنسور، تشخیص آن دیگر ممکن نیست. همچنین سنسور خازنی در 4 مدل مختلف ساخته می‌شود که هر‌کدام کارایی خودشان را دارند؛ که شما باید متناسب با نیاز خود اقدام به خرید سنسور خازنی مورد‌نظر کنید.
سوالات متداول
- سنسورهای خازنی چه کاربردی در صنعت دارند؟
سنسور خانی برای مواردی مانند پیدا کردن نشست، کنترل سطح مایعات بیشتر کاربرد دارند.
- تعیین فاصله عملکرد یک سنسور خازنی به چه صورت است؟
برای محاسبه فاصله عملکرد یک سنسور خازنی ابتدا سنسور را به منبع تغذیه متصل خواهیم کرد. سپس شی هدف را خارج از محدوده قرار داده و بعد آن را به شکل محوری به سنسور نزدیک می‌کنیم. حال در زمانی که خروجی سنسور فعال شد، فاصله را با استفاده از میکرومتر اندازه‌گیری می‌کنیم.
