Princip činnosti 3. KAPAITNÍ SENZORY S ε S + ε + () S ε Přenášející: Prof. Ing. Miroslav Husák, Sc. husak@fel.cvut.cz, http://micro.fel.cvut.cz vičící: tel.: 435 67 Ing. Pavel Kulha Ing. Aam Bouřa Pracovní kmitočet Rs, ωls ω R, Rk, ω k Princip činnosti Kapacitní senzory - realiace Rozsahy měření nm μm mm m 3 4
Záklaní typy měření a) Vzálenost elektro posunutí cca o mm o S ε oε r Záklaní typy měření a) Vzálenost elektro posunutí cca o mm Diferenciální zapojení ε ε o r S ± Δ o Δ ± 5 6 Záklaní typy měření a) Vzálenost elektro posunutí cca o mm Záklaní typy měření b) Posunutí elektro na mm l o l bl ε o ε r ba o ε oε r l o a Diferenciální uspořáání 7 8
Záklaní typy měření Příkla: válcový kapacitní senzor k měření posunutí Záklaní typy měření Příkla: válcový kapacitní senzor k měření posunutí, iferenciální uspořáání 9 0 Záklaní typy měření c) Změna ielektrika Změna plochy A + B Záklaní typy měření Příkla: Měření výšky obilí, kapaliny, at. v zásobníku (změna výšky ielektrika) l a l A ε bl + bl ε b( a l) ε B +
Záklaní typy měření Záklaní typy měření Příkla: Kapacitní limitní senzor výšky Kapacitní limitní senzor výšky 3 4 Záklaní typy měření c) Změna vlastností ielektrika Změna tloušťky + Záklaní typy měření c) Změna vlastností ielektrika Změna ε r F S ε + S ε vlhkost mechanická eformace teplota at. 5 6
Nejčastěji se používá: a) zesilovač se zpětnovazební měřicí kapacitou b) kapacitní můstek c) oscilátorové obvoy a) Zesilovač se zpětnou kapacitní vazbou U s ωs U U U Poznámka: zapojení potlačuje vliv kapacit připojení p, p s U ω b) Kapacitní můstek N s N N o, o - kapacity spojů k s s N N N fg f rezon 7 8 Příkla zapojení: Kapacitní měření výšky hlainy c) Oscilátorové obvoy - princip oscilátory různé typy (L, R, relaxační, multivibrátory, apo.) El. obvoy - analogové i igitální zpracování Vyhonocování změna kmitočtu, amplituy f g() P seřízení úaje na 00% při plném zásobníku R, seřízení úaje na 0% při prázném zásobníku 9 0
Příkla : Kapacitní bezpotenciálové měření výšky hlainy Příkla : Kapacitní spínač (senzor přiblížení) OS Zesilovač Vyhonoc Příkla 3: Kapacitní spínač (senzor přiblížení osoba 5 cm) Příkla 4: Kapacitní spínač 3 (jenouchý senzor přiblížení) 3 4
Příkla 4: Kapacitní spínač 3 (jenouchý senzor přiblížení) Příkla 5: Princip měření torze hříele 5 6 Westbrook,M.H.: Automotive Sensors. IPP, 994 Využití astabilního klopného obvou (AKO) Využití monostabilního klopného obvou (MKO) Jenouchý generátor vstupních impulsů Vstupní impulsy z μp nebo generátoru impulsů Šířka výstupního signálu (frekvenční signál) je funkcí měřicí kapacity s Výstupní frekvenční signál výstup jako frekvence nebo analogový signál MOS Schmittův obvo výstupní impulsy Šířka výstupního signálu (frekvenční signál) je funkcí měřicí kapacity s Výstupní frekvenční signál výstup jako frekvence nebo analogový signál 7 8
Příkla: Senzor pro měření relativní vlhkosti (změna ε r ) Princip činnosti: Astabilní klopný obvo (AKO) 50 khz (IOA), výstupní signál spouští monostabilní MKO (IOB), Doba překlopení je řízena kapacitou senzoru vlhkosti. Rozsah měření 5 95% 07 pf při 33% vlhkosti Změna kapacity % / při změně H0 90% Příkla 7: Kapacitní senzor pro měření polohy Princip činnosti: Dva MKO spouštěné signálem LK. Stříy výstupních signálů jsou opačným způsobem závislé na kapacitě, v alším obvou se oečítají a filtrují. Signál je úměrný stření honotě, tj. poloze. Humlhans: Zajímavá zapojení 3, BEN 005 9 Humlhans: Zajímavá zapojení 3, BEN 005 30 Napěťový kapacitní ělič stříavý výstup f OS konst. Výstup A S Snižování A výstupní napětí Měřená veličina; u výst fce( S ) πf a) Zpracování výstupní frekvence f/u převoník S Zvyšování S Snižování Výstup A A výstupní napětí Měřená veličina; Frekvence OS je konstantní Mění se Poznámka: Získané stříavé vyělené napětí je v alších obvoech převeeno na stejnosměrné 3 3
b) Zpracování výstupní frekvence usměrňovače c) Zpracování výstupní frekvence synchronní emoulátor S Zvyšování S Snižování D výstupní napětí Měřená veličina Zvyšování Oělovač Spínač Výstup D Snižování R filtr S Snižování S Zvyšování Diferenciální výstup Princip činnosti: Elektronický spínač místo ioy, synchronizace spínače s oscilátorem. Sepnutí vyšší napětí, filtrační se nabíjí z ěliče Rozepnutí nižší napětí Nabíjení filtrační bez chyb, které vznikají u klasického usměrňovače 33 34 Ochranná elektroa pro nezeměné pohyblivé elektroy Ochrana proti snímání signálů kapacitními vazbami (vazba z el. obvoů, vazební inukčnosti) Aplikace kapacitních senzorů v průmyslu Příkla 7: Kapacitní senzor pro měření přítomnosti přemětu Ochranná elektroa Senzorová elektroa Pevná elektroa Dielektrikum 35 36
Aplikace kapacitních senzorů v průmyslu Aplikace kapacitních senzorů v průmyslu Příkla: Kapacitní senzor pro měření tablet na výrobní lince 37 38 Aplikace kapacitních senzorů v průmyslu Otázky. Princip činnosti. náhraní lineární zapojení měřicího systému s kapacitními senzory 3. ovození pracovního kmitočtu 4. Princip měření se změnou vzálenosti elektro 5. Princip měření s posunutím elektro 6. Princip měření se změnou plochy a tloušťky ielektrika 7. Princip měření se změnou ielektrické konstanty ielektrika 8. vyhonocovací obvoy kapacitních senzorů napěťový ělič stejnosměrný nebo stříavý, zesilovače, můstky, oscilátorové obvoy, alší typy převoníků 9. Příklay využití kapacitních senzorů pro měření výšky hlainy, přiblížení, počítání výrobků, at. 39 40