Az érzékelő, ami nem csak a fémeket látja

Az archív cikkeink között megtalálható már a szenzorika néhány fontos találmánya, elég, ha a hall-jeladót vagy az induktív szenzort megemlítjük. Ez utóbbi a mai napig meghatározó szerepet tölt be az autóiparban, de számos más területen is rendkívül népszerű.

Vannak azonban olyan feladatok, melyekkel az induktivitáson alapuló közelítéskapcsolók természetüknél fogva nem képesek megbirkózni. Az ilyen jellegű problémák egy részére bizonyult kitűnő megoldásnak a kapacitív érzékelő, melyet egyszerűsége és elképesztően széles alkalmazási lehetőségei tették megkerülhetetlenné a szenzorok világában.

Az induktív szenzor hiányossága

Valószínűleg az induktív szenzor a piac szinte egészét uralhatná, ha nem lenne egy olyan korlátos tulajdonsága, mely bizonyos területeken eleve lehetetlenné teszi a használatát: csak fémek érzékelésére használható. És bár az autóiparban legtöbbször erre van szükség, még egy járműben is akadnak kivételek ez alól – nem beszélve a többi iparágról.

Felépítés, működés

A kapacitív szenzorokra jellemző a nagy pontosság, jó ismétlőképesség, nagy felbontás és a nagy üzemi hőmérséklet. Hátrányaik köze tartozik a villamos jel kis terhelhetősége, ami nagy bemenő ellenállású elektronikai alkatrészekkel nem okoz problémát.

Kapacitív elven szenzor készíthető fegyverzetek távolságán alapuló méréssel, fegyverzetek felületének változásán alapuló méréssel, vagy dielektromos állandó változásán alapuló méréssel.

Míg az induktív szenzor alapja egy soros LC-kör, itt ezt a szerepet egy RC-oszcillátor tölti be. A kapacitív érzékelő aktív eleme egy olyan kondenzátor, mely egy tárcsa alakú elektródából és egy kehelyhez hasonlító alakú, félig nyitott fegyverzetből áll, mely egyúttal határolja is az aktív felületet.

Ez a szenzortípus azért igazán kiemelkedő, mert pont azzal a tulajdonsággal rendelkezik, amivel az induktív érzékelő nem: akár fém, akár elektromosan szigetelő anyag kerül az aktív zónájába, az kapacitásváltozást okoz, ezért képest detektálni azt. Ennélfogva nincs szükség arra, hogy a megfigyelt tárgy fém legyen. Mi több, még monolit tárgynak sem kell lennie: folyékony, szemcsés és porított anyagok kimutatására is alkalmas.

Az RC-oszcillátor úgy van méretezve, hogy akkor következik be a kör rezgése, ha a kapacitásváltozás bekövetkezik.

Lényeges különbség, hogy míg az induktív szenzor amplitúdómodulált, addig ennél az érzékelőnél a frekvencia modulálása a mérvadó. A frekvenciát a következőképp számolhatjuk ki:

Kapcsolási távolság

Azt tehát tudjuk, hogy a kapacitív szenzor képes a nemfémes tárgyak, anyagok érzékelésére is az aktív zónájában. Az viszont belátható, hogy az anyag minősége (illetve az objektum mérete, helyzete) döntően befolyásolhatja a közelítéskapcsoló kapacitásváltozásának mértékét.

Fémeknél ez hasonlóképp működik, mint az induktív szenzor esetén. Amikor egy elektromosan nem vezető anyagú objektum vagy anyag kerül az érzékelési zónába, a kapacitás az anyag dielektromos állandójával (ε_r)egyenes, a távolsággal pedig fordított arányban változik.

Néhány anyag dielektromos állandója és redukciós faktora (forrás: wikipedia.org)

A legnagyobb kapcsolási távolságot a vízfelület, illetve a földelt, elektromosan vezető anyagok esetén kapjuk. Minél kisebb egy nem vezető anyag dielektromos állandója, annál kisebb a kapcsolási távolság.

Annak érdekében, hogy a kapacitív érzékelő ne jelezzen vissza minden arra tévedő tárgy vagy anyag esetén, és egy bizonyos anyagminőségre fókuszálhasson, a legtöbb ilyen szenzoron található egy potenciométer, mellyel a közelítéskapcsoló érzékenységét tudjuk állítani. Ez lehetővé teszi a nemkívánatos érzékelések elfojtását. Például lehetővé válik a folyadékszint változásának érzékelése vizes oldatok esetén egy műanyag tartály falán keresztül is.

Hogy ez milyen távolságból lehetséges, arra megfelelő illusztráció lehet az alábbi magyarázó táblázat:

Példa a kapcsolási távolság változására a vastagságtól függően (30 mm széles műanyagszalag; forrás: wikipedia.org)

Természetesen a hátrányok sem merülnek ki a bevezetőben említetteknél. A szerkezet nem bonyolult ugyan, de költségesebb, mint az induktív szenzor, ráadásul, mivel szinte bármi képes érzékelni, működésére igen hátrányosan hatnak a szennyeződések, vagy a nedves környezetben lecsapódó pára.

Fémek érzékelésére pont a fentiek miatt nem alkalmazzák. Ugyanakkor nemfémes tárgyat vékony fém falon keresztül is képes jelezni, ha az anyag dielektromos állandója legalább négyszerese a fal anyagának.

Nemfémes tárgyak és anyagok esetén is akad ellenfele, mégpedig az optikai érzékelők, melyek ma már piacvezetőnek számítanak ezen az alterületen.

Gyakorlati alkalmazások

A járműiparban közel sem számítanak annyira gyakorinak, mint az induktív szenzorok, mégis megtalálhatjuk őket az autókban – olyannyira, hogy általában az egyik első közelítéskapcsoló, amivel az autónkban találkozunk: ilyenek felelnek ugyanis a kapacitív képernyők érintésérzékeny felületéért.

Ugyanúgy kapacitív érzékelőkkel találkozhatunk a viszonylag újnak számító gesztusvezérlés funkcióban, ahol még érintenünk sem kell semmilyen aktív felületet.

Néhány járműben találkozhatunk kapacitív folyadékszint-visszajelzőkkel – ez a feladatkör egyébként túlmutat az autóiparon.

Gyártósorokon jellemzően kapacitív szenzorral érzékelik a bontatlan csomagok tartalmát, Precizitása és hőmérséklettűrése miatt gyakran találkozhatunk vele a precíziós méréstechnikában, vagy például szélerőművek turbináinak kenőanyag-áramlás felügyelőjeként, sőt, a lézernyomtató tonerek meglévő kapacitását is kapacitív szenzor méri.