Wielokrotnie na łamach naszego portalu pisaliśmy o wynalazkach z dziedziny sensoryki, np. o czujnikach Halla lub indukcyjnych. Ten ostatni wciąż odgrywa kluczową rolę w przemyśle motoryzacyjnym, znajdując jednocześnie szerokie zastosowanie w różnych innych dziedzinach.

Istnieją jednak zadania, którym indukcyjne przekaźniki zbliżeniowe nie są w stanie sprostać. Czujnik pojemnościowy okazał się znakomitym rozwiązaniem dla niektórych z tych problemów, a jego prostota oraz niezwykle szerokie możliwości zastosowania sprawiły, że stał się nieodzowny.

Deficyty czujnika indukcyjnego

Czujnik indukcyjny mógłby zawładnąć całym rynkiem, gdyby nie miał jednego mankamentu, który uniemożliwia jego wykorzystanie w niektórych obszarach, mianowicie może być używany tylko do wykrywania metali. Choć w branży motoryzacyjnej jest to właśnie najbardziej pożądane działanie, to nawet tam istnieją wyjątki, nie wspominając już o innych branżach.

Budowa i zasada działania

Czujniki pojemnościowe cechują się dużą precyzją, dobrą powtarzalnością, wysoką rozdzielczością oraz zdolnością do pracy w wysokich temperaturach. Jednym z ich ograniczeń jest niski poziom obciążalności sygnału elektrycznego, co jednak nie stanowi kłopotu w przypadku komponentów elektronicznych o wysokiej rezystancji wejściowej.

Czujnik pojemnościowy może działać na zasadzie pomiaru odległości, pomiaru zmiany powierzchni, a także pomiaru na bazie stałej dielektrycznej.

Podczas gdy czujnik indukcyjny oparty jest na szeregowym obwodzie LC, rolę tę pełni oscylator RC. Elementem aktywnym czujnika pojemnościowego jest kondensator składający się z elektrody w kształcie dysku i półotwartej armatury podobnej do kubka, która jednocześnie ogranicza powierzchnię aktywną.

Ten typ czujnika jest naprawdę wyjątkowy, ponieważ ma właściwość, której nie posiada czujnik indukcyjny: wykrywa wszystkie materiały, zarówno metale, jak i materiały izolacyjne, które wejdą w jego zasięg działania. Wykrywany obiekt nie musi być ani metalowy, ani mieć formy stałej: czujnik może wykrywać również substancje płynne, ziarniste i sypkie.

Oscylator RC jest tak dobrany, aby obwód oscylował w momencie zmiany pojemności. Istotną różnicą jest to, że podczas gdy czujnik indukcyjny jest modulowany amplitudą, to w przypadku oscylatora decydująca jest modulacja częstotliwości. Częstotliwość można obliczyć w następujący sposób:

Odległość przełączania

Wiemy, że czujnik pojemnościowy może również wykrywać obiekty i materiały niemetalowe w swoim zasięgu działania. Na zmianę pojemności przełącznika zbliżeniowego największy wpływ ma rodzaj materiału (lub rozmiar i położenie obiektu).

W przypadku metali działa to w podobny sposób, jak w przypadku czujnika indukcyjnego. Gdy nieprzewodzący elektrycznie obiekt lub materiał wchodzi do strefy wykrywania, pojemność zmienia się wprost proporcjonalnie do stałej dielektrycznej materiału (ε_r) i odwrotnie proporcjonalnie do odległości.

Stała dielektryczna i współczynnik redukcji w przypadku niektórych materiałów (źródło: www.wikipedia.org)

Największą odległość przełączania uzyskuje się w przypadku powierzchni wody lub uziemionych materiałów przewodzących prąd elektryczny. Im mniejsza stała dielektryczna materiału nieprzewodzącego, tym mniejsza odległość przełączania.

Aby czujnik pojemnościowy nie przekazywał informacji zwrotnej w przypadku każdego niewłaściwego obiektu lub materiału i mógł skupić się na określonej jakości materiału, większość tych czujników ma potencjometr, za pomocą którego możemy regulować czułość przełącznika zbliżeniowego. Umożliwia to tłumienie niepożądanych bodźców. Na przykład możliwe jest wykrywanie zmian poziomu cieczy w przypadku roztworów wodnych przez ściankę plastikowego pojemnika.

Poniższa tabela objaśnia odległość działania przełącznika dla różnych grubości materiału:

Zmiana odległości przełączania w zależności od grubości (plastikowa taśma o szerokości 30 mm; źródło: www.wikipedia.org)

Oczywiście mankamenty wymienione na wstępie nie są jedynymi ograniczeniami tego urządzenia. Konstrukcja czujnika pojemnościowego nie jest skomplikowana, ale jest on droższy od czujnika indukcyjnego, a ponieważ może wykrywać niemal wszystko, na jego działanie bardzo niekorzystnie wpływa brud lub skropliny w wilgotnym środowisku.

Właśnie z tego powodu nie jest używany do wykrywania metali. Jednocześnie może również wskazywać niemetalowy obiekt przez cienką metalową ścianę, jeśli stała dielektryczna materiału jest co najmniej czterokrotnie większa niż materiału ściany. W dziedzinie wykrywania obiektów i materiałów niemetalowych ma sporą konkurencję w przypadku czujników optycznych, które są niekwestionowanym liderem w tym zastosowaniu.

Zastosowania praktyczne czujników pojemnościowych

W branży motoryzacyjnej czujniki pojemnościowe nie są one tak powszechne jak czujniki indukcyjne, ale nadal możemy je znaleźć w samochodach – są one odpowiedzialne za wrażliwą na dotyk powierzchnię ekranów pojemnościowych.

Czujniki pojemnościowe znajdziemy również w stosunkowo nowej funkcji sterowania przy pomocy gestów, w której nie trzeba nawet dotykać żadnej aktywnej powierzchni. Pojemnościowe wskaźniki poziomu płynów można znaleźć w niektórych pojazdach – to zadanie wykracza jednak poza przemysł motoryzacyjny.

Czujniki pojemnościowe wykorzystuje się również do wykrywania zawartości zamkniętych opakowań na liniach produkcyjnych. Ze względu na swoją precyzję i tolerancję na temperaturę, często można znaleźć ten typ czujnika w precyzyjnej technologii pomiarowej lub w formie sterownika przepływu smaru w turbinach wiatrowych. Czasami nawet jest stosowany do pomiaru pojemności tonerów drukarek laserowych.