سنسور خازنی

سنسور این دستگاه خراب شده باید تعویضش کنم. حتما این جمله را از یک تعمیرکار شنیده اید و برایتان سوال ایجاد شده که اصلاً سنسور چیست؟ سنسور ها دستگاه هایی هستند که به یک محرک فیزیکی واکنش نشان می دهند. مثلاً خود یک دما سنج جیوه ای که در اتاقتان نصب کردید، یک سنسور دمایی محسوب می شود. در این مطلب ما قصد معرفی گونه ای از سنسور ها به نام سنسور خازنی را داریم.

سنسوری با کاربرد های بیشمار

با ایجاد اتوماسیون صنعتی (Industrial Automation ) یا همان روباتیزه سازی تجهیزات مختلف در کارخانه ها با هدف رسیدن به افزایش تولید، کاهش زمان تولید و کیفیت بالاتر، نیاز به ابزار دقیق برای اندازه گیری، شمارش و… روز به روز بیشتر می شود. یکی از مهمترین و کاربردی ترین این ابزار، سنسور های مجاورتی(proximity sensor) می باشند. این سنسور ها می توانند اندازه گیری را بسیار دقیق تر و سریع تر از نیروی انسانی انجام دهند. همچنین سنسور های مجاورتی می توانند قطعات مختلف که با سرعت بالایی در حال حرکت هستند را به راحتی شمارش کنند. سنسور های مجاورتی به انواع متنوع و مختلفی مانند سنسور های القایی، سنسور های نوری، سنسور های مافوق صوت و سنسور های خازنی تقسیم بندی شوند. سنسور خازنی یکی از انواع سنسور های مجاورتی با ویژگی های منحصر به فرد می باشد که آن را به یکی از پرکاربرد ترین انواع سنسور ها در کارخانه ها و کارگاه ها تبدیل کرده است.

سنسور خازنی چیست؟

سنسور خازنی ( Capacitive Sensor ) یکی از انواع سنسور های غیر تماسی می باشد که اساس اصلی کار آن بر پایه ی ساختار، مکانیزم و عملکرد خازن می باشد که به دلیل حساسیت و پهنای باند بالایی که دارد، در تشخیص تمامی اشیا از اجسام فلزی و رسانا گرفته تا اجسام غیر فلزی به کار می رود. سنسور های خازنی معمولاً از قابلیت الکتریکی خازن برای ایجاد تغییرات در میدان الکتریکی سنسور بهره می برند که در ادامه به معرفی ویژگی ها و کاربرد های این سنسور خواهیم پرداخت.

خازن چیست؟

خازن به عنوان یک عنصر الکتریکی پسیو ( Passive ) به منظور ذخیره ی انرژی کاربرد داشته و در طراحی مدار ها به کار می رود. به این دلیل که خازن ها قابلیت ذخیره ی الکترون را دارند.

دسته بندی کلی سنسور های خازنی

• دو سیمه AC
• دو سیمه NAMOR
• سه سیمه DC
• چهار سیمه DC

اجزای سازنده ی سنسور خارجی

به طور کلی اینگونه سنسور ها از چهار بخش اصلی زیر تشکیل شده اند:

1. آمپلیفایر
2. اسیلاتور
3. اشمیت تریکر
4. دمدولاتور

فاکتورهای مهم برای خرید سنسور خازنی

هنگام جستجو برای یافتن سنسور خازنی مناسب، عملکرد و حساسیت سنجش از مهم ترین پارامترهایی هستند که باید در نظر گرفته شوند. همچنین فاکتورهای دیگری مانند عملکرد سوئیچ، نوع بدنه، اتصالات الکتریکی و … برای خرید سنسور خازنی اهمیت دارند. در ادامه به برخی از این عوامل تعیین کننده اشاره می کنیم.

عملکرد نامی

فاصله نامی، فاصله بحرانی است که در آن سوئیچینگ انجام می شود. مهم است که در هنگام خرید سنسور خازنی، گزینه ای را انتخاب نمایید که در محدوده سنجش مورد نیاز کار کند.

عملکرد سوئیچ الکتریکی

در هنگام خرید سنسور خازنی، نوع جریان الکتریکی مورد نیاز ممکن است یکی از فاکتورهای مهم باشد. جریان الکتریکی سنسور خازنی را می توان از طریق منبع تغذیه AC یا DC تأمین کرد.

پیکربندی های بار، پارامتر مهمی هستند که باید در هنگام خرید سنسور خازنی نظر گرفته شوند. حسگرهای خازنی مجاورتی ممکن است بار AC یا بار DC را سوئیچ کنند. پیکربندی بار DC می تواند NPN یا PNP باشد. NPN یک خروجی ترانزیستوری است که ولتاژ مشترک یا منفی را به بار سوئیچ می کند. بار بین خروجی سنسور و ولتاژ مثبت قرار دارد. PNP یک خروجی ترانزیستوری است که ولتاژ مثبت را به بار سوئیچ می کند. بار بین خروجی سنسور و ولتاژ منبع مشترک یا منفی قرار گرفته است.

پیکربندی سیم کشی سنسور خازنی به صورت دو سیمه، سه سیمه NPN، سه سیمه PNP، چهار سیمه سیمه NPN، چهار سیمه PNP می باشد. در سنسورهای دو سیمه نحوه اتصال بار با سنسور به صورت سری است و مقدار جریانی که سنسور نیاز دارد، به وسیله بار یا مقاومت به آن وارد می شود. بدین ترتیب هنگامی که سنسور بسته است، روی سنسور ولتاژ وجود دارد و اگر سنسور باز باشد، از مقاومت یک جریان ضعیف عبور می کند. خروجی سنسور خازنی مطابق حالت های زیر است:

• اتصال نرمال بسته NPN
• اتصال نرمال بسته PNP
• اتصال نرمال باز NPN
• اتصال نرمال باز PNP

مدارهای دو سیمه DC به طور معمول شامل یک پل دیود به صورت سری با سنسور هستند که امکان کارکرد به صورت NPN یا PNP را در مدار DC فراهم می کنند.

سنسور خازنی سه سیمه: در این نوع سنسور خازنی، سه رشته سیم از سنسور بیرون زده است که یکی به عنوان خروجی سنسور می باشد و دو سیم دیگر برای اتصال سنسور به منبع تغذیه بکار برده می شوند.

نوع بدنه

سنسورهای خازنی مجاورتی معمولاً به صورت استوانه ای یا مستطیلی شکل عرضه می شوند. سنسور استوانه ای به صورت رزوه شده تولید می گردد، به همین خاطر کم و زیاد کردن فاصله از هدف با این نوع سنسور راحت تر است. بنابراین در هنگام خرید سنسور خازنی لازم است که به لزوم تنظیم فاصله توسط خازن توجه شود.

اتصالات الکتریکی

برای سنسورهای خازنی مجاورتی، اتصالات الکتریکی می توانند شامل کابل، کانکتور و ترمینال باشد. کابل بخشی جدایی ناپذیر از سنسور است. همچنین کانکتورها باعث می شوند که اتصال سنسور به دستگاه های دیگر راحت تر صورت پذیرد. وجود ترمینال برای سنسور نیز قابلیت پیچ کردن و محکم کردن آن را فراهم می نماید.

سنسوری با کاربرد های بیشمار

از کاربرد های وسیع آن می توان به موارد زیر اشاره کرد.

صنعت بسته بندی، صنعت کاغذ و چاپ، صنایع غذایی، داروسازی، مواد شیمیایی و تکنولوژی فرایند، پردازش کردن چوب و پلاستیک ها، صنعت خودرو، شناسایی وجود مایعات در لوله ها و شلنگ های پلاستیکی، کنترل کردن سطح برای مایعات و همچنین جامداتی که به صورت توده ای می باشند و چک کردن برای یافتن موادی از جنس شیشه، کاغذ، چوب و یا حتی پلاستیک.

اجازه دهید با ذکر یک مثال گستردگی و اهمیت کاربرد این سنسور را برای شما شفاف تر کنیم. یک کارخانه را در نظر بگیرید که شیر پاکتی تولید می کند. یک سنسور خازنی تک تک محصولات را چک می کند. اگر سطح شیر داخل پاکت از حد خاصی کمتر باشد، ظرفیت خازن این سنسور تغییر کرده که در نهایت باعث تغییر سیگنال خروجی می شود.

سیستمی که وظیفه مدیریت این قسمت از خط تولید را به عهده دارد، پاکتی را که ایراد دارد شناسایی، و از خط تولید خارج می کند. حال فرض کنیم قصد داشتیم این کار را توسط نیروی انسانی و به صورت کاملاً دستی انجام دهیم. قطعاً این کار به دلیل افزایش چشمگیر هزینه ها، کاهش سرعت تولید، کاهش دقت و افزایش احتمال خطا غیر ممکن می باشد. پس اکنون به خوبی ضرورت استفاده از سنسور ها مخصوصاً سنسور خازنی را درک می کنیم.

سنسور خازنی و سنسور القایی از شباهت بسیار بالایی به یکدگیر برخوردار می باشند. اصلی ترین و مهمترین تفاوت میان سنسور القایی و سنسور خازنی این است که سنسور القایی از میدان الکترومغناطیسی برای تشخیص استفاده می کند و سنسور خازنی از یک میدان الکترواستاتیکی یا همان میدان الکتریسته ساکن استفاده می کند.

تفاوت عمده سنسور های القایی با سنسور خازنی در کارکرد آن ها و شیوه تشخیص و شناسایی اجسام هدف، در این است که سنسور القایی با استفاده از میدان مغناطیسی ایجاد شده در نوک سنسور بر اثر اعمال ولتاژ به سیم پیچ آن، میتواند اجسامی که ماهیت فلزی داشته و در محدوده این میدان قرار می گیرند را شناسایی کند. اما، سنسور خازنی سطح کاربرد بالاتری داشته، و این تنوع در کاربرد را مدیون میدان های الکترو استاتیکی ایجاد شده است.

سنسور خازنی توانایی دارد که قطعاتی از جنس های مختلف مانند: پلاستیک، شیشه، کاغذ، چوب و… را به راحتی تشخیص دهد. آسان ترین اشیاء برای تشخیص و شناسایی، اشیاء و اجسامی هستند که چگالی بالا (مانند انواع مختلف فلزات) و یا دی الکتریک بالایی (مثل آب که دی الکتریک آن 80 یا تیتانیوم دی اکسید 86 تا 173 است) داشته باشند. تشخیص و شناسایی چنین اجسامی نیاز به فاصله نزدیک بین سنسور خازنی و جسم نخواهد داشت.

همان طور که از اسم سنسور های مجاورتی خازنی پیداست، این سنسور ها با توجه به تغییرات ظرفیتی خازن که توسط این سنسور خوانده می شود کار می کند. ساختار یک خازن عادی و نرمال، از دو رسانا(بعضی وقت ها به این دو رسانا صفحه نیز می گویند) که توسط یک ماده عایق از یکدیگر جدا شده اند، تشکیل شده است.

این عایق می تواند از جنس پلاستیک، کاغذ، سرامیک، میکا، شیشه و یا حتی آب باشد. سنسور خازنی به این صورت عمل می کند که یکی از دو رسانا(صفحه ها) در خود سنسور بوده و دیگری جسم یا شئ می باشد که سنسور باید آن را حس کند. در ادامه به بررس ساختار و نحوه عملکرد آن به صورت کامل می پردازیم.

ساختار یک سنسور خازنی (Capacitive proximity sensor structure)

اگر ساختار آن را مورد بررسی قرار دهید متوجه خواهید شد که این قطعه الکترونیکی از سه قسمت اصلی تشکیل شده است. این قسمت های مهم به شرح زیر می باشند:

1. صفحه داخلی خازن (Internal Capacitor Plate )
2. سنسور جریان (Current Sensor)
3. اسیلاتور (Oscillator)

صفحه داخلی خازن (Internal Capacitor Plate ):

صفحه داخلی خازن در واقع وظیفه ی ایجاد میدان الکترواستاتیکی را به عهده دارد.

سنسور جریان (Current Sensor):

این قطعه از یک مدار اشمیت تریگر تشکیل شده است. مدار اشمیت تریگر یک مدار مقایسه کننده می باشد که توسط دانشمند آمریکایی اتو هربرت اشمیت (Otto Herbert Schmitt) در سال 1934 زمانی که او یک دانشجوی ارشد بود اختراع شد.

این مدار وظیفه ی گرفتن سیگنال های دریافتی را دارد. از کاربرد های این مدارمیتوان به استفاده آن در ورودی IC ها و همچنین اصلاح سیگنال های دیجیتالی که به وسیله نویز آسیب دیده اند، اشاره کرد.

اسیلاتور (Oscillator):

قطعه ای با کاربرد های وسیع در زمینه الکترونیک است که سیگنال های الکتریکی تولید می کند، که این سیگنال ها به صورت نوسانی و تکرار شونده می باشند. معمولاً این سیگنال ها شکل موجی سینوسی یا مربعی دارند. نوسان سازی که در سنسور های خازنی استفاده می شود از نوع خطی فیدبک دار می باشد.

یکی از نکاتی که باید به آن توجه کرد این است که نوسان ساز ها با مولد های برق یا همان ژنراتورها متفاوت می باشند. البته درست است که این دو دستگاه هر دو موج های سینوسی شکل تولید می کنند، اما این دو دستگاه اصول و نحوه عملکرد، کاربرد ها و همچنین قابلیت های کاملاً متفاوتی دارند. از شناخته شده ترین نوسان ساز های خطی میتوان به نوسان ساز هارتلی، نوسان ساز میلر و یا نوسان ساز رابینسون اشاره کرد.

نحوه عملکرد سنسور خازنی

در زمانی که جسم یا شئ هدف در نزدیکی قسمت حساس سنسور قرار می گیرد. این شئ وارد میدان الکترواستاتیکی می شود، که باعث می شود ظرفیت خازن به دلیل تغییر دی الکتریک بین آن، تغییر کند. در واقع این خود جسم است که نقش صفحه دوم خازن را ایفا می کند.

سپس اسیلاتور شروع به نوسان کرده و مدار اشمیت تریگر دامنه ی سیگنال هایی که اسیلاتور می فرستد را میخواند. هنگامی که دامنه این سیگنال به یک حد از قبل تعیین شده برسد، خروجی جدید را ارسال می کند. این خروجی توسط رایانه ها یا دستگاه های دیگر که از قبل نحوه تحلیل داده های خروجی به آنها داده شده است، مورد تحلیل و بررسی قرار می گیرند.

مزایای استفاده از سنسور خازنی

از مزایای زیاد سنسور خازنی می توان به پایداری خوب، سرعت بالا، دقت زیاد، قیمت پایین و شناسایی انواع اجسام چه از جنس فلز و چه غیر فلزات اشاره کرد همچنین یکی دیگر از مزیت های مهم سنسور خازنی این است که این سنسور از نظر میزان مصرف انرژی، مناسب می باشد. پس با توجه به ویژگی های گفته شده سنسور خازنی برای خرید به یک گزیه عالی در میان دیگر سنسور ها تبدیل شده است.

اگر شما نیز قصد استفاده از این نوع از سنسورها را دارید باید حتماً به چند نکته توجه کنید

1. باید در نظر بگیرید که رطوبت، دما و گرد و غبار می تواند بر عملکرد سنسور های خازنی تاثیر بگذارد. پس باید به شرایط محیطی که میخواهید سنسور را در آن استفاده کنید توجه داشته باشید.
2. سنسور های خازنی به نویز حساس می باشند.
3. این سنسور ها طراحی سخت و پیچیده ای دارند. که شما باید از تولیدکنندگان مطمئن و تضمین شده قطعات خود را تهیه کنید.
4. سنسور های خازنی به اندازه ی سنسور های القایی دقیق نیستند، و شما باید برای گرفتن دقت کافی از آن ها به نحوه کارگذاری، شرایط محیط و برند سنسور خود توجه ویژه ای داشته باشید.

یک روش مهم برای بالا بردن دقت سنسور خازنی

این سنسور ها نسبت به سنسور هایی که در بازار های فعلی و بخش های صنعتی بکار می روند از تفاوت بالایی برخوردار می باشد.

این سنسور های خازنی که در آن ها از تکنولوژی های جدیدی استفاده شده است، برای افزایش دقت اندازه گیری تا حد زیادی، به دستگاه هایی که نسبت به خود سنسور بزرگتر می باشند متصل می شوند. مانند ILS (Integrated linearization system) یا همان سیستم خطی سازی یکپارچه که این دستگاه تاثیر خطا های موازی بین سنسور و سطح اندازه گیری شده را جبران کرده و در نتیجه دقت بالای حسگر را تضمین می کند.

از کاربرد های این نوع سنسور های خازنی می توان به موارد زیر اشاره کرد.

• یافتن ضخامت لایه ها با جنس های مختلف با دقت میکرون و کمتر از میکرون
• سیستم های نانو پردازش یا همان حلقه بسته
• اندازه گیری شیب
• اندازه گیری جابجایی ها با دقت نانومتر
• اندازه گیری های صافی و اندازه گیری ارتفاع ثابت و یکسان
• اندازه گیری لرزش ها

در ادامه به بررسی این کاربردهای مهم و باورنکردنی خواهیم پرداخت.

یافتن ضخامت لایه ها با جنس های مختلف با دقت میکرون و کمتر از میکرون

در صورتی که بخواهیم لایه های مختلف روی سطوح را اندازه گیری کنیم، این نوع سنسور این توانایی را دارد که لایه قرار گرفته روی یک سطح رسانا را، در حالت ثابت یا متحرک اندازه گیری گند. این کار از کاربرد های ایده آل و اصلی این سنسور های خازنی می باشد. این امر به سبب کارکرد بدون تماس و عملکرد پویای این سنسور ها است.

سیستم های نانو پردازش یا همان حلقه بسته

سنسور خازنی دو صفحه ای توانایی این را دارد که موقعیت و فاصله یک جسم در حال حرکت را با دقتی باورنکردنی اندازه گیری کند. اندازه گیری جابجایی و حرکت نانوذرات با دقت بالا یکی از کاربرد های اصلی این سنسور ها می باشد.

اندازه گیری شیب

اگر قصد داشته باشیم که شیب یک سطح را به صورت دقیقی اندازه بگیریم، با ترکیب چند سنسور خازنی در یک سیستم می توانیم شیب سطح را به راحتی بدست آوریم.

اندازه گیری جابجایی ها با دقت نانومتر

به دلیل اینکه در این نوع از سنسور های خازنی از سیستم هایی تنظیم و کالیبره استفاده شده است، و اینکه این سنسور ها از میدان های الکترواستاتیکی در شناسایی اجسام استفاده می کنند. دقت این نوع از سنسور های خازنی حتی به کوچک تر از نانومتر هم می رسند.

اندازه گیری های صافی و اندازه گیری ارتفاع ثابت و یکسان

یک راه عالی برای بررسی صاف بودن یک سطح طولانی استفاده از سنسور های الکترود خازنی می باشد. همچنین از این سنسور خازنی به عنوان اسکن بررسی پستی و بلندی روی سطح و ثابت بودن ارتفاع استفاده می شود.

اندازه گیری لرزش ها

پویایی و دقت زیاد این سنسور های خازنی به این سنسور ها توانایی اندازه گیری لرزش ها و نوسانات با کیفیتی بالا را برای شما فراهم می کند.

فاصله حساسیت یک سنسور خازنی

سنسور های خازنی معمولاً نسبت به سنسور های القایی از فاصله حساسیت بیشتری برخوردار می باشند. یکی از مهمترین عواملی که فاصله حساسیت سنسور خازنی به آن وابسته است ثابت دی الکتریکی جسم هدف می باشد.

لازم به ذکر است که تعداد زیادی از انواع سنسور های خازنی توانایی تغییر و تنظیم فاصله حساسیت سنسور را دارند، که به شما امکان جبران کم شدن فاصله حساسیت یک سنسور به دلیل پایین بودن دی الکتریک جسم هدف را می دهد.

قیمت و هزینه ی خرید سنسور خازنی

سنسور خازنی از نوع سنسورهای مجاورتی می باشد که یعنی در ساخت سنسور خازنی از کنتاکت هایی که به صورت مکانیکی عمل می کنند استفاده نشده، پس شما با خرید این سنسور صاحب یک سنسور دقیق، با طول عمر بالا و قابلیت های زیاد می شوید.

همانطور هم که درگذشته بحث شد، سنسور خازنی کاربرد های متنوعی دارد و شما میتوانید برای انواع اندازه گیری ها یا کنترل کیفیت از سنسور خازنی استفاده کنید. قیمت پایین و مناسب این سنسورها و طول عمر بالا، سنسور خازنی را به یک دستگاه مفید و با صرفه اقتصادی تبدیل می کند. قیمت سنسور های خازنی امروزه از 3 الی حداکثر 800 دلار ایالات متحده می باشد.