Cảm biến tiệm cận
Cảm biến tiệm cận là gì? Cấu tạo và ứng dụng của cảm biến tiệm cận ra sao? Cảm biến điện dung là gì? Nguyên lý hoạt động của cảm biến tiệm cận điện dung
Định nghĩa – Cảm biến tiệm cận là gì?
Cảm biến tiệm cận là một cảm biến điện tử có thể phát hiện sự hiện diện của các vật thể trong vùng lân cận mà không có bất kỳ tiếp xúc vật lý thực tế nào. Để cảm nhận các vật thể, cảm biến tiệm cận phát ra hoặc phát ra một chùm bức xạ điện từ, thường ở dạng ánh sáng hồng ngoại và cảm nhận sự phản xạ để xác định khoảng cách hoặc khoảng cách của vật thể với cảm biến.
Cảm biến tiệm cận thường được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp, từ sản xuất và sản xuất thực phẩm đến tái chế. Chúng cũng được sử dụng trong các phương tiện để phát hiện sự gần gũi của các phương tiện khác so với xe của chính mình, cũng như cho các chức năng hỗ trợ đỗ xe. Trong các thiết bị di động, đặc biệt là điện thoại, cảm biến tiệm cận được sử dụng để phát hiện xem mặt người dùng có gần điện thoại trong khi gọi điện hay không, khiến màn hình tắt để tránh chạm nhầm vào màn hình cảm ứng.
Có nhiều loại cảm biến tiệm cận và chúng sử dụng các phương pháp khác nhau để cảm nhận. Ví dụ, cảm biến điện dung và quang điện phù hợp hơn với các mục tiêu bằng nhựa và hữu cơ, trong khi cảm biến tiệm cận cảm ứng chỉ có thể phát hiện các mục tiêu kim loại.
Dưới đây là một số loại cảm biến tiệm cận:
- Điện dung
- Cảm ứng
- hiệu ứng Doppler
- Radar
- Sonar
- hiệu ứng phòng
- Hồng ngoại
- Photocell
Cảm biến điện dung là gì?
Cảm biến tiệm cận điện dung là thiết bị không tiếp xúc có thể phát hiện sự hiện diện hay vắng mặt của hầu như mọi vật thể bất kể vật liệu. Họ sử dụng tính chất điện của điện dung và sự thay đổi điện dung dựa trên sự thay đổi trong điện trường xung quanh mặt hoạt động của cảm biến.
Công nghệ cảm biến điện dung thường được sử dụng trong các công nghệ cảm biến khác như:
- lưu lượng
- sức ép
- mực chất lỏng
- khoảng cách
- độ dày
- phát hiện băng
- góc trục hoặc vị trí tuyến tính
- công tắc điều chỉnh độ sáng
- công tắc chính
- máy tính bảng xy
- gia tốc kế
Nguyên lý hoạt động
Một cảm biến điện dung hoạt động như một tụ điện đơn giản. Một tấm kim loại ở mặt cảm biến của cảm biến được kết nối điện với mạch dao động bên trong và mục tiêu được cảm nhận đóng vai trò là tấm thứ hai của tụ điện. Không giống như cảm biến cảm ứng tạo ra trường điện từ, cảm biến điện dung tạo ra trường tĩnh điện.
Điện dung bên ngoài giữa mục tiêu và tấm cảm biến bên trong tạo thành một phần của điện dung phản hồi trong mạch dao động. Khi mục tiêu tiếp cận các cảm biến phải đối mặt với các dao động tăng cho đến khi chúng đạt đến ngưỡng ngưỡng và kích hoạt đầu ra.
Cảm biến điện dung có khả năng điều chỉnh độ nhạy hoặc mức ngưỡng của bộ dao động. Việc điều chỉnh độ nhạy có thể được thực hiện bằng cách điều chỉnh chiết áp, sử dụng nút bấm dạy tích hợp hoặc từ xa bằng cách sử dụng dây dẫn. Nếu cảm biến không có phương pháp điều chỉnh thì cảm biến phải được di chuyển về mặt vật lý để cảm nhận chính xác mục tiêu. Tăng độ nhạy gây ra khoảng cách hoạt động lớn hơn với mục tiêu. Tăng độ nhạy lớn có thể khiến cảm biến bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, độ ẩm và bụi bẩn.
Có hai loại mục tiêu mà cảm biến điện dung có thể phát hiện đầu tiên là dẫn điện và thứ hai là không dẫn điện. Các mục tiêu dẫn điện bao gồm kim loại, nước, máu, axit, bazơ và nước muối. Các mục tiêu này có điện dung lớn hơn và cường độ điện môi của mục tiêu là không quan trọng. Không giống như một cảm biến tiệm cận cảm ứng, các yếu tố giảm cho các kim loại khác nhau không phải là một yếu tố trong khoảng cách cảm biến.
Nhóm mục tiêu không dẫn điện hoạt động giống như một chất cách điện với điện cực cảm biến. Một hằng số điện môi mục tiêu đôi khi còn được gọi là hằng số điện môi là thước đo các tính chất cách điện được sử dụng để xác định hệ số giảm của khoảng cách cảm nhận. Chất rắn và chất lỏng có hằng số điện môi lớn hơn chân không (1,00000) hoặc không khí (1.00059). Vật liệu có hằng số điện môi cao sẽ có khoảng cách cảm nhận dài hơn. Do đó, các vật liệu có hàm lượng nước cao, ví dụ gỗ, ngũ cốc, bụi bẩn và giấy sẽ ảnh hưởng đến khoảng cách cảm nhận.
Khi xử lý các mục tiêu không dẫn điện, có ba yếu tố quyết định khoảng cách cảm nhận.
- Kích thước của bề mặt hoạt động của cảm biến – mặt cảm biến càng lớn thì khoảng cách cảm nhận càng dài
- Các tính chất vật liệu điện dung của đối tượng đích, còn được gọi là hằng số điện môi – hằng số càng cao thì khoảng cách cảm nhận càng dài
- Diện tích bề mặt của đối tượng được cảm nhận – diện tích bề mặt càng lớn thì khoảng cách cảm nhận càng dài
Các yếu tố khác có ảnh hưởng tối thiểu đến khoảng cách phát hiện
- Nhiệt độ
- Tốc độ của đối tượng mục tiêu
Phạm vi cảm biến
Khoảng cách cảm nhận được công bố tối đa của cảm biến điện dung dựa trên mục tiêu tiêu chuẩn là tấm kim loại vuông được nối đất (Fe 360) dày 1mm. Mục tiêu tiêu chuẩn phải có chiều dài cạnh là đường kính của vòng tròn đã đăng ký của bề mặt cảm biến hoặc gấp ba lần khoảng cách cảm nhận định mức nếu khoảng cách cảm nhận lớn hơn đường kính. Các vật thể được phát hiện không phải là kim loại sẽ có hệ số khử dựa trên hằng số điện môi của vật liệu đó. Hệ số giảm này phải được đo để xác định khoảng cách cảm nhận thực tế tuy nhiên có một số bảng sẽ cung cấp xấp xỉ hệ số giảm.
Khoảng cách cảm nhận định mức hoặc danh nghĩa S n là một giá trị lý thuyết không tính đến dung sai chế tạo, nhiệt độ vận hành và điện áp cung cấp. Đây thường là khoảng cách cảm nhận được liệt kê trong các danh mục sản xuất và tài liệu tiếp thị khác nhau.
Khoảng cách cảm nhận hiệu quả S r là khoảng cách chuyển đổi của cảm biến được đo trong các điều kiện cụ thể như lắp phẳng, điện áp hoạt động định mức U e , nhiệt độ T a = 23 ° C +/- 5 ° C. Phạm vi cảm biến hiệu quả của cảm biến điện dung có thể được điều chỉnh bằng chiết áp, dạy nút bấm hoặc dây dạy từ xa.
Độ trễ
Độ trễ là sự khác biệt về khoảng cách giữa công tắc khi mục tiêu tiếp cận mặt cảm biến và điểm tắt khi mục tiêu di chuyển ra khỏi mặt cảm biến. Độ trễ được thiết kế thành các cảm biến để ngăn chặn cuộc trò chuyện đầu ra nếu mục tiêu được định vị tại điểm chuyển mạch.
Độ trễ ghi bằng% khoảng cách cảm nhận định mức. Ví dụ, một cảm biến có khoảng cách cảm biến định mức là 20 mm có thể có độ trễ tối đa là 15% hoặc 3 mm. Độ trễ là một tham số độc lập không phải là hằng số và sẽ thay đổi cảm biến theo cảm biến. Có một số yếu tố có thể ảnh hưởng đến độ trễ bao gồm:
- Nhiệt độ cảm biến cả môi trường xung quanh và nhiệt do cảm biến được cung cấp
- Áp suất không khí
- Độ ẩm tương đối
- Ứng suất cơ đến vỏ cảm biến
- Các thành phần điện tử được sử dụng trên bảng mạch in trong cảm biến
- Tương quan với độ nhạy – độ nhạy cao hơn liên quan đến khoảng cách cảm nhận được đánh giá cao hơn và độ trễ lớn hơn
Cách xác định độ nhạy của cảm biến điện dung
Cảm biến điện dung có chiết áp hoặc một số phương pháp để đặt độ nhạy cảm biến cho ứng dụng cụ thể. Trong trường hợp chiết áp, số vòng quay không cung cấp chỉ báo chính xác về cài đặt cảm biến vì một vài lý do quan trọng. Đầu tiên, hầu hết các chiết áp không có điểm dừng cứng thay vào đó chúng có bộ ly hợp để nồi không bị hỏng khi điều chỉnh ở mức tối thiểu hoặc tối đa. Thứ hai, chậu không có tuyến tính nhất quán.
Để xác định độ nhạy của cảm biến điện dung, khoảng cách cảm nhận được đo từ một tấm kim loại được nối đất với micromet. Tấm được nối đất với âm của nguồn cung cấp và mục tiêu được di chuyển theo chiều dọc đến mặt cảm biến. Di chuyển mục tiêu ra khỏi phạm vi cảm biến và sau đó di chuyển nó về phía mặt cảm biến. Dừng tiến tới mục tiêu ngay khi đầu ra được kích hoạt. Khoảng cách này là khoảng cách cảm biến của cảm biến. Di chuyển mục tiêu đi và chú ý khi đầu ra tắt sẽ cung cấp độ trễ của cảm biến.
