سنسور خازنی غیرتماسی برای اندازه گیری سطح مخازنی
تقریباً تمام کاربرد های سنسور خازنی معیاری برای تغییر مکان (تغییر موقعیت) یک جسم هستند. این نرم افزار جزئیات انجام چنین اندازه گیری و آنچه برای انجام اندازه گیری های قابل اعتماد در کاربرد های میکرو و نانو جابجایی مورد نیاز است را شرح می‌دهد. گروه صنعتی سپیانی فعال در زمینه اتوماسیون صنعتی plc از شما دعوت میکند تا در ادامه این مقاله همراه ما باشید.
حسگر های خازنی از دیرباز بخشی جدایی ناپذیر از تولید ماشین و اندازه شناسی ابعادی بوده اند. آنها به دلیل فشرده بودن، پایداری طولانی مدت، سرعت اندازه گیری بالا و استحکام در برابر تأثیرات محیطی در بسیاری از کاربرد ها برای تعیین موقعیت استفاده می‌شوند. از طریق کالیبراسیون، انحرافات اندازه گیری را می‌توان کاهش داد.
حتما بخوانید:
کاربرد ابزار دقیق در اتوماسیون صنعتی
حسگر های خازنی: نحوه کار و زمان استفاده از آنها
حسگر های خازنی مبتنی بر تشخیص تغییر ظرفیت هستند. با یک خازن صفحه ای، ظرفیت بین دو صفحه با اندازه ثابت را می‌توان با تغییر فاصله آنها یا با قرار دادن یک دی الکتریک در شکاف اندازه گیری تغییر داد. با اصل اندازه گیری خازنی، سنسور (الکترود اندازه گیری) و جسم اندازه گیری رسانا مانند یک خازن صفحه ای ایده آل عمل می‌کنند. اگر یک جریان متناوب با فرکانس ثابت از خازن حسگر عبور کند. دامنه ولتاژ متناوب روی سنسور با فاصله تا هدف (الکترود زمین) متناسب است. با این حال یک دی الکتریک ثابت بین سنسور و هدف برای گذردهی ثابت مورد نیاز است.
اندازه گیری پایدار با طراحی سه محوری
از آنجایی که حسگر های capaNCDT به عنوان خازن های حلقه محافظ طراحی می‌شوند. ویژگی های خطی تقریبا ایده آل نیز در عمل به دست می‌آیند. حسگر های خازنی در کار های اندازه گیری صنعتی به منظور تشخیص یک محیط در شکاف اندازه گیری از فاصله ثابت یا اندازه گیری فاصله از یک هدف رسانا با یک محیط ثابت یا دی الکتریک استفاده می‌شوند.
خطا ها و نگرانی های جابجایی ریز
سنسور های جابجایی خازنی با کارایی بالا معمولاً برای اندازه گیری جابجایی های ریز استفاده می‌شوند. هنگام اندازه‌گیری جابجایی های بسیار کوچک در سطح جابجایی میکرو، منابع خطا که معمولاً بی‌اهمیت هستند، عامل مهم‌تری می‌شوند.
حتما بخوانید:
عملکرد لول گیج مغناطیسی و کاربرد آن
اثرات حرارتی
انبساط و انقباض حرارتی سیستم نصب که حسگر های جابجایی خازنی بدون تماس را نگه می‌دارد باعث ایجاد خطا در اندازه‌گیری می‌شود. همانطور که فیکسچر منبسط یا منقبض می‌شود. حسگر ممکن است به سمت شی هدف حرکت کند یا از آن دور شود.
نصب سنسور میکرو جابجایی
علاوه بر نگرانی های حرارتی، پایداری مکانیکی در سطح میکرو پیچیده تر است. سنسور های اندازه گیری جابجایی خازنی باید توسط سیستم نصب محکم در جای خود نگه داشته شوند. یک پایه ساده از نوع پیچ پیچی ممکن است هنگام اندازه گیری جابجایی در سطح میکرو به اندازه کافی پایدار نباشد.
در اندازه گیری جابجایی خازنی، جسم تحت نظارت به سمت یک الکترود ثابت به نام پروب حرکت میکند. اگر جسم مورد بررسی خود رسانای الکتریکی باشد. می‌توان از آن به عنوان یک الکترود ضد به نام هدف استفاده کرد. در غیر این صورت، هدف باید سوار شود. پروب و هدف با هم یک خازن را تشکیل می‌دهند. برای اندازه گیری جابجایی‌های کوچک با وضوح در محدوده زیر نانومتری، فاصله صفحه بین الکترودها تغییر میکند و جابجایی با استفاده از الکترونیک اندازه گیری مانند پل AC به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌شود.
خازن ایده آل
در یک خازن صفحه ایده آل، میدان الکتریکی بین الکترودها ثابت و در جاهای دیگر صفر است. بنابراین اثرات مرزی و ظرفیت های سرگردان نادیده گرفته می‌شوند. به این ترتیب، معکوس ظرفیت الکتریکی با فاصله بین صفحات نسبت مستقیم دارد. با این حال، چنین ساده سازی هایی را نمی‌توان برای خازن های صفحه موازی واقعی اعمال کرد. در لبه ها، خطوط میدان الکتریکی دیگر موازی نیستند و میدان‌های حاشیه ای در اطراف الکترود ها وجود دارد که منجر به خازن های سرگردان اضافی می‌شود. این انحرافات از حالت ایده آل منجر به انحراف شیب بین جابجایی واقعی و اندازه گیری شده می‌شود که به آن خطای شیب می‌گویند. به همین دلیل است که حسگرهای خازنی باید کالیبره شوند. این امر به صورت خطی در محدوده جابجایی انجام می‌شود.
با این حال در طول جابجایی، اثرات غیرخطی یعنی انحراف از رفتار کالیبراسیون خطی باید در نظر گرفته شود. اندازه گیری ساده غیرخطی، حداکثر باقیمانده بین مقادیر اندازه گیری شده و یک خط مستقیم است که مقادیر اندازه گیری شده را در اولین و آخرین فاصله به هم متصل میکند. این به اصطلاح غیرخطی نقطه پایانی است.
برای کاهش تأثیر اثرات لبه، الکترودهای حسگر های جابجایی خازنی معمولاً توسط یک حلقه محافظ احاطه می‌شوند. الکترود فعال و حلقه محافظ از نظر الکتریکی از یکدیگر جدا شده اند. یک حلقه محافظ غیرفعال روی پتانسیل زمین نگه داشته می‌شود و از الکترودهای فعال در برابر سیگنال‌های تداخلی محافظت میکند. با این حال، از آنجایی که یک حلقه محافظ فعال دارای پتانسیل الکتریکی مشابه با الکترود فعال مرتبط است. خطوط میدان الکتریکی در لبه الکترود فعال کمتر تحریف می‌شوند و خطای شیب و غیرخطی بودن اندازه‌گیری جابجایی به میزان تقریبی ده واحد کاهش می‌یابد.
حتما بخوانید: سطح سنج شناوری چیست؟
تاثیرات ویژگی های هندسی
تأثیر خواص هندسی الکترودهای یک حسگر خازنی، مانند عرض شکاف دی الکتریک بین الکترود فعال و حلقه محافظ، عمدتاً با استفاده از شبیه‌سازی‌های FEM مورد مطالعه قرار گرفته است. تأثیر انحرافات توپوگرافی سطح، موج و زبری، به طور فزاینده ای برای تجزیه و تحلیل بودجه عدم قطعیت سنسورهای جابجایی خازنی مهم شده است. علاوه بر این، سطح یک حسگر واقعی هم پتانسیل نیست. به عنوان مثال، عملکرد کار به صورت محلی به دلیل مرزهای دانه، تفاوت مواد محلی، یا آلودگی متفاوت است. این تغییرات باعث ایجاد پتانسیل‌های پچ می‌شود که نیروی الکترواستاتیکی اضافی بین دو صفحه فلزی ایجاد میکند.
حتما بخوانید:
اندازه گیری جابجایی خطی با سنسور جابجایی خطی خازنی
در اینجا اندازه گیری جابجایی خطی به اندازه گیری تغییر موقعیت یک جسم اشاره دارد. تمرکز ویژه این مقاله اندازه گیری جابجایی غیر تماسی با وضوح بالا خطی اجسام رسانا با حسگرهای خازنی است. حسگرهای خازنی می‌توانند اجسام نارسانا را نیز اندازه گیری کنند.
اصطلاحات و مفاهیم مرتبط
سنسوری که برای اندازه گیری جابجایی خطی پیکربندی شده است، گاهی اوقات جابجایی متر یا جابجایی سنج نامیده می‌شود. در سطوح میکرو و نانو، سنسور های جابجایی خازنی برای اندازه گیری جابجایی (تغییر موقعیت) مناسب هستند تا اندازه گیری مطلق.
حتما بخوانید: سوئیچ فشار مکانیکی چیست؟
جابجایی در مقابل موقعیت مطلق
کالیبراسیون حسگر خازنی با گذشت زمان تغییر میکند. این عمدتاً یک افست DC در خروجی سنسور است. تغییرات حساسیت سنسور بسیار کوچکتر است. تعیین تغییرات موقعیت نیاز به حساسیت ثابتی دارد و تحت تأثیر تغییرات طولانی مدت در افست DC خروجی قرار نمی‌گیرد. جابجایی معمولاً در نتیجه برخی متغیرها اندازه گیری می‌شود.
جابجایی عمدی:
این زمانی است که یک جسم عمداً توسط یک سیستم موقعیت یابی کنترل حرکت جابجا می‌شود. اندازه گیری جابجایی بدون تماس دقت جابجایی مورد نظر جسم را نشان می‌دهد.
ابعاد قطعه:
پیکربندی سیستم با یک قطعه “مستر” خوب شناخته شده انجام می‌شود و پس از آن قطعه اصلی با قطعه ای برای آزمایش جایگزین می‌شود. تفاوت در ابعاد قطعه تست نسبت به قطعه اصلی به عنوان اندازه گیری جابجایی توسط سنسورهای جابجایی خازنی نشان داده می‌شود.
دما:
موقعیت جسم در دمای اولیه اندازه گیری می‌شود. دمای مورد نظر تغییر میکند و اندازه‌گیری جابه‌جایی، بزرگی تغییر موقعیت به دلیل دما را نشان می‌دهد.
ارتعاش:
اندازه گیری جابجایی خطی در زمان واقعی با کمک سنسورهای جابجایی خازنی با اسیلوسکوپ یا سیستم جمع آوری داده برای نشان دادن جابجایی جسم و فرکانس آنها انجام می‌شود.
فشار:
بلبرینگ‌های هوا و سایر یاتاقان‌های سیال می‌توانند در فشارهای مختلف سیال کار کنند. اندازه گیری جابجایی جسم در فشارهای مختلف نشان دهنده رفتار واقعی ماشین با تغییر فشار نسبت به عملکرد مورد نظر آن است.
سایش:
با فرسودگی بلبرینگ‌ها و لغزنده ها، اندازه گیری جابجایی بدون تماس قطعات متحرک نشان دهنده افزایش حرکت در جهت‌های ناخواسته خواهد بود.
لازم بذکر است که اندازه‌گیری‌های جابجایی غیر تماسی خطی، اندازه‌گیری‌های نسبی هستند. تغییر موقعیت یک جسم را از یک مکان اولیه در یک یا چند محور خطی نشان می‌دهند. یک کانال حسگر جابجایی خازنی جداگانه برای هر محور اندازه گیری جابجایی خطی مورد نیاز است.
اندازه گیری جابجایی خطی پایه با سنسور جابجایی غیر تماسی خازنی
نصب حسگر جابجایی خازنی در یک فیکسچر انجام می‌شود که جسم مورد اندازه گیری در محدوده اندازه گیری سنسور قرار گیرد. اگر سنسور دارای یک تنظیم صفر (offset) باشد. سنسور ممکن است در این مکان کالیبره شود تا تفسیر آسان‌تر از اندازه‌گیری‌های جابجایی خطی هنگام حرکت جسم انجام شود.
حتما بخوانید: ترانسمیتر چیست؟ انواع و کاربرد آن
محاسبه جابجایی از خروجی سنسور جابجایی خازنی
حسگرهای خازنی برای اندازه‌گیری جابجایی دارای مشخصات «حساسیت» هستند که میزان تغییر در خروجی را نسبت به یک تغییر معین در موقعیت هدف مشخص میکند. برای سنسور های خروجی ولتاژ آنالوگ، این مقدار بر حسب ولت در واحد فاصله یا طول (به عنوان مثال میلی متر، اینچ و…) داده می‌شود. برای سنسور های خروجی دیجیتال، این مقدار بر حسب تعداد در واحد فاصله داده می‌شود.
فرمول محاسبه جابجایی از خروجی سنسور:
جابجایی = تغییر/حساسیت خروجی
سنسورهای خروجی ولتاژ آنالوگ:
تغییر خروجی = ولت
حساسیت = ولت / واحد فاصله
سنسورهای خروجی دیجیتال:
تغییر خروجی = شمارش
حساسیت = تعداد/واحد فاصله
دقت منحصر به فرد با فناوری نوآورانه
طراحی خاص حسگر، کابل سنسور سه محوری و فناوری نوآورانه کنترلر منجر به یک سیستم اندازه گیری کاملاً منطبق می‌شود. بنابراین سیستم‌های اندازه گیری capaNCDT دارای دقت بالا و پایداری سیگنال هستند. حتی در کاربرد های صنعتی، حسگر های خازنی به وضوح در محدوده زیر میکرومتر دست می‌یابند.
مصونیت تداخلی بالا در برابر میدان های مغناطیسی
برای محیط هایی با میدان های مغناطیسی قوی، حسگرها و کابل های حسگر را ارائه میکند که از مواد غیر مغناطیسی مانند تیتانیوم و فولاد ضد زنگ ساخته شده‌اند. محافظ به دست آمده توسط طراحی سه محوری ایمنی بسیار بالایی در برابر تداخل ایجاد میکند.
برنامه‌های خلا و اتاق تمیز
سنسور های جابجایی خازنی اغلب در برنامه های خلاء و اتاق تمیز استفاده می‌شوند. جایی که در محیط های بدون ذرات به وضوح در محدوده زیر نانومتری می‌رسند. برای کاربرد های خلاء، حسگرها، کابل‌ها و لوازم جانبی فید از طریق ویژه ارائه میکند. این سنسورها و کابل‌ها تا حد زیادی بدون ذرات هستند و در اتاق‌های تمیز تا کلاس ISO1 اتاق تمیز استفاده می‌شوند.
بالاترین دقت احاطه شده توسط دما های شدید
برخلاف روش های معمولی اندازه‌گیری بدون تماس، سنسور های جابجایی خازنی با بالاترین دقت اندازه‌گیری مشخص می‌شوند. از آنجایی که تغییرات هدایت حرارتی جسم اندازه‌گیری تأثیری بر اندازه‌گیری‌ها ندارد. مقادیر اندازه‌گیری حتی با دماهای نوسانی ثابت می‌مانند. به عنوان مثال، سنسورهای جابجایی خازنی برای اندازه گیری فاصله آهنرباهای ابر رسانا استفاده می‌شود. طراحی سنسور مقاوم در برابر دما، دمای محیط را تا -270 درجه سانتیگراد قادر می‌سازد در حالی که حداکثر وضوح مقدار اندازه گیری را حفظ میکند.
سازگاری کامل: تعویض سنسور و کنترلر بدون کالیبراسیون
سنسورها، کابل‌ها و کنترلرهای capaNCDT را می‌توان به سرعت و به راحتی تعویض کرد. به دلیل فناوری نوآورانه آنها، کالیبراسیون و خطی سازی اضافی مورد نیاز نیست. قابلیت تعویض آسان اجزای capaNCDT و جایگزینی ساده سنسورها با محدوده‌های اندازه گیری مختلف را می‌توان در یک بازه زمانی کوتاه در محل انجام داد.
تکنولوژی کنترلی مدرن و کاربر پسند
کنترلرهای مدرن capaNCDT به رابط های مختلفی مانند آنالوگ، اترنت و EtherCAT مجهز هستند. این بدان معنی است که حسگرهای خازنی را می‌توان به راحتی در ماشین‌ها و سیستم‌ها ادغام کرد. رابط های وب، راه اندازی کاربر پسند را از طریق یک مرورگر وب امکان پذیر میکند. برای این منظور یک رایانه شخصی از طریق رابط اترنت به کنترلر متصل می‌شود. تمام تنظیمات، فیلترها و توابع حسابی برای پردازش هوشمند سیگنال مستقیماً در کنترلر ذخیره می‌شوند.
حسگرهای خازنی برای کاربرد های سری و OEM
ما سیستم‌های اندازه‌گیری خود را با وظایف اندازه‌گیری خاص مشتری مطابق دستورالعمل‌های شما تطبیق می‌دهیم. به عنوان مثال، طراحی، کالیبراسیون هدف، محیط‌های برودتی، خلاء/UHV، طول کابل، محدوده اندازه‌گیری اصلاح‌شده یا حسگرها با کنترل‌کننده یکپارچه.
روش‌های مختلفی برای نصب سنسور جابجایی خطی استوانه ای وجود دارد. استفاده از پیچ تنظیم در یک پایه سوراخ دار فقط پروب را در دو نقطه (پیچ تنظیم و نقطه مقابل پیچ تنظیم) نگه می‌دارد. یک طرح نصب سنسور جابجایی خطی بهتر، اما نه کامل، یک پایه از نوع گیره است.
یک سیستم نصب بهینه از یک گیره سه نقطه ای استفاده میکند که هر نقطه طول قابل توجهی را در امتداد محور پروب پوشش می‌دهد. سیستم گیره سه نقطه ای با یک پیکربندی معمولی نصب گیره شروع می‌شود اما همچنین مواد را از سوراخ گیره بین سه نقطه با فاصله 120 درجه از هم جدا میکند.
حتما بخوانید: فلومتر اختلاف فشار چیست؟ کاربرد آن
سایر ملاحظات نصب سنسور جابجایی خازنی
“اندازه نقطه” سنسورهای جابجایی خازنی حدود 130٪ قطر ناحیه حسگر است. به همین دلیل، آنها به طور کلی در برابر هر گونه اجسام اطراف مصون هستند و می‌توان آنها را همسطح با سطح براکت نصب کرد. تنها استثنا کالیبراسیون هایی است که از محدوده اندازه گیری بسیار طولانی نسبت به اندازه ناحیه حسگر استفاده می‌کنند. این برای هیچ کالیبراسیون خارج از قفسه موجود برای کاوشگرهای Lion Precision صدق نمی‌کند.
ملاحظات زیست محیطی
اندازه گیری جابجایی خطی با سنسور خازنی باید در یک محیط تمیز انجام شود. اندازه گیری جابجایی تحت تأثیر هر چیزی (غیر از هوا یا خلاء) در فضای بین کاوشگر خازنی و جسمی که آن را اندازه گیری میکند، خواهد بود.
تغییرات معمولی در رطوبت اثر قابل توجهی بر اندازه گیری جابجایی خازنی ندارد. رطوبت شدید بر خروجی تأثیر می‌گذارد و بدترین حالت آن تراکم روی کاوشگر یا هدف است.
حتما بخوانید: اتوماسیون صنعتی چیست؟
سخن پایانی
گروه صنعتی سپیانی پیشرو در زمینه ی اتوماسیون صنعتی و با بیش از دو دهه فعالیت مستمر و موفق در داخل و خارج کشور در خدمت صاحبان صنایع است. فعالیت اصلی تیم سپیانی اتوماسیون صنعتی، راه اندازی خطوط تولید، تعمیر و نگهداری و نیز مشاوره راه اندازی و اجرای اتوماسیون صنعتی است. همچنین شما عزیزان میتوانید جهت کسب اطلاعات بیشتر در زمینه تجهیزات صنعتی و خرید آنها به سایت فروشگاهی ما مراجعه کنید.
