Capteurs capacitifs expliqués: principe de travail, avantages et utilisations du monde réel

L'évolution des capteurs capacitifs a une précision de mesure considérablement avancée dans diverses industries.Ces capteurs exploitent les changements de capacité pour détecter les paramètres comme le déplacement, la pression et les niveaux de liquide.En incorporant des circuits de rémunération, ils surmontent les non-linéarités, garantissant la précision et la fiabilité des applications pratiques.

Catalogue

Introduction

Depuis la fin des années 1970, les progrès de la technologie des circuits intégrés ont conduit à la création de capteurs capacitifs associés à des instruments de mesure compacts.Ces nouveaux capteurs minimisent habilement l'impact de la capacité distribuée et traitent des limitations inhérentes.Les capteurs capacitifs trouvent l'utilisation dans un éventail diversifié d'applications, révélant des voies prometteuses de croissance.

Les capteurs capacitifs sont composés de plusieurs composants intégraux:

- Electrodes supérieures et inférieures

- un matériau isolant

- Un substrat de soutien

Lorsque ces capteurs font face à la pression, la membrane subit un certain degré de déformation.Par conséquent, l'espace entre les électrodes supérieure et inférieure modifie, conduisant à un changement de capacité.Notamment, l'interaction entre la capacité et la distance séparant les électrodes n'adhère pas à une forme linéaire simple.Ainsi, le déploiement de circuits équipés de capacités de compensation est essentiel pour ajuster la sortie de capacité de manière non linéaire.

Principe de travail

Condensateurs à plaques parallèles

Dans le domaine de la physique, il est entendu qu'un condensateur composé de deux plaques métalliques parallèles peut être décrite par la formule C = εs / d, en supposant que nous ne tenons pas compte de l'effet de bord.Dans cette équation:

- ε représente la constante diélectrique du milieu situé entre les plaques.

- S indique la zone effective des deux plaques polaires.

- D désigne la distance séparant les deux plaques.

De cette équation, nous pouvons discerner trois approches distinctes pour modifier la capacité C. Celles-ci incluent l'ajustement de la constante diélectrique ε du milieu intermédiaire, la modification de la zone effective du condensateur et variant la distance D entre les plaques.Le résultat de ces changements se manifeste comme un incrément ΔC de capacité, qui transforme le dispositif en un capteur capacitif, permettant des applications pratiques dans divers domaines.

Condensateurs cylindriques

Les capteurs capacitifs, souvent appelés jauges de niveau capacitif, fonctionnent sur la base des principes des condensateurs cylindriques.Ces capteurs sont constitués de deux plaques cylindriques coaxiales isolées, où les électrodes internes et externes sont disposées stratégiquement.Lorsqu'un électrolyte avec une constante diélectrique spécifique ε remplit l'espace entre les deux cylindres, la capacité peut être exprimée comme suit:

C = (ε l) / (2 π (d - d))

Dans cette équation, L représente la longueur de la section qui se chevauche entre les cylindres, D est le diamètre de l'électrode cylindrique externe, D est le diamètre de l'électrode cylindrique intérieure, et ε est la constante diélectrique du milieu entre les deux.Dans les applications pratiques, les paramètres D, D et ε restent relativement stables, permettant la détermination des niveaux de liquide par mesure de capacité.Cette stabilité contribue à l'attrait du capteur capacitif, caractérisé par sa conception conviviale, sa structure simple, sa haute sensibilité et son abordabilité.

Les capteurs capacitifs utilisent divers types de condensateurs comme éléments de détection.À mesure que les paramètres mesurés fluctuent, la capacité du condensateur changera également.Ce changement peut être capturé et converti en une sortie de signal électrique via un circuit de mesure.En évaluant l'ampleur de ce signal électrique, on peut déterminer la taille de la variable mesurée.Ce principe de travail fondamental sous-tend le fonctionnement de capteurs capacitifs, facilitant leur utilisation généralisée dans de nombreuses applications.

Types de capteurs capacitifs

La classification des capteurs capacitifs est basée sur leurs principes de fonctionnement et leurs attributs structurels, reflétant les tendances humaines à rechercher la nouveauté, la diversité et la spécificité dans les activités.Ces capteurs sont classés par principe de fonctionnement en distance de pôle variable, surface variable et type diélectrique variable, révélant une curiosité humaine innée pour adapter et mesurer des phénomènes spécifiques.Structurellement, ils se distinguent par leur arrangement, subdivisés par le type de déplacement - linéaire ou angulaire - et par forme de plaque - flat (circulaire) ou cylindrique, souligné par un penchant pour l'exploration et le raffinement.Bien que des formes exotiques comme la sphérique et le zigzag existent, ils trouvent moins de faveur, tout comme les chemins les moins foulés de la vie.Les capteurs composés différemment affichent souvent une sensibilité supérieure, une réponse linéaire et une stabilité, un peu comme la compréhension nuancée favorisée par une expérience humaine variée.

Capteur capacitif variable du poteau

Le capteur capacitif variable de la distance de pôle, faisant écho à une métaphore des relations qui fluctuent au fil du temps, est formé par une plaque statique et une plaque mobile: la plaque mobile devient l'objet d'étude.La séparation entre ces plaques modifie en réponse aux influences externes, influencées subtilement par des réponses de type humain à la proximité.

C'est là que réside une relation non linéaire entre la distance des plaques, rappelant les défis dans l'alignement des phases de la vie;Cela introduit des erreurs inhérentes.À une diminution des plages de la séparation initiale, une linéarité peut être supposée, des moments de parallèle où la clarté émerge de la complexité.Ces capteurs sont aptes à détecter les déplacements infimes.Néanmoins, les lacunes diminutives peuvent nuire aux performances, comparées à des périodes fragiles sensibles aux perturbations.Augmenter cette conception avec des remèdes de mica ou de films plastiques cette sensibilité.Le mica, avec sa constante diélectrique significative et sa tension de dégradation élevée, améliore considérablement la stabilité tout en maintenant une sensibilité améliorée.Avec une capacité initiale allant de 20 à 30 pf et un espacement de 25 µm à 200 µm, une fonctionnalité optimale dépend du déplacement dépassant un dixième de la séparation.

Dans les applications du monde réel, les améliorations de la modulation et de la sensibilité de la non-linéarité nécessitent de naviguer dans les variables environnementales et opérationnelles, parallèlement aux subtilités nuancées de son environnement influençant sa conduite.L’adoption d’une configuration en zigzag amorce la sensibilité, ajustant les plaques pour maintenir la pré-mesure d’équilibre, optimisant ainsi les performances semblables à l’alignement de ses efforts.

Capteur capacitif de zone variable

Le capteur capacitif de la zone variable s'apparente à discerner un objet distant au milieu des distractions de premier plan.La structure plate, perspicace aux interférences induites par la poussière, compromet la précision - à l'effet flou des détails non pertinents dans les schémas humains.À l'inverse, la structure cylindrique reste imperturbée par les perturbations périphériques, établissant une norme en déploiement pratique.Il est sensible au déplacement linéaire, résonnant avec l'affinité humaine naturelle pour une cause et un effet simples.

La figure A illustre une conception de déplacement linéaire plate plate mobile, avec des poteaux mobiles et fixes, semblable à des relations où une partie réconforte tandis que l'autre s'adapte.La figure B montre un capteur cylindrique concentrique;Son cylindre intérieur glisse linéairement au milieu des interactions symbiotiques externes et reflétant.La figure C présente une disposition angulaire, où la rotation par un angle Q réduit le chevauchement, réduisant ainsi la capacité, comme diverses interactions provoquant des décalages nuancés.

Capteur capacitif de type diélectrique variable

Les capteurs capacitifs constants diélectriques variables s'adressent à la mesure de l'épaisseur diélectrique et des niveaux de liquide, indiquant des évaluations nuancées de la profondeur émotionnelle, tout comme une calibre de distance interpersonnelle selon une boussole intérieure.Ils se prêtent à la détection des variations de température et d'humidité du matériau diélectrique, soulignant la sensibilité aux changements subtils du climat émotionnel.Lorsque les influences des limites sont à l'écart, la capacité d'un capteur plat à groupe unique est parallèle au déplacement linéaire du milieu intermédiaire, tirant une analogie avec la façon dont les dimensions intérieures façonnent les expressions et les perceptions externes.

Avantage

Excellente stabilité de la température

La valeur de capacité des capteurs capacitifs est généralement indépendante du matériau de l'électrode.Cette caractéristique permet la sélection de matériaux avec un coefficient à basse température, ce qui est particulièrement bénéfique pour maintenir la stabilité.Contrairement aux capteurs de résistance, qui souffrent d'une perte de cuivre conduisant à la génération de chaleur et à la dérive nulle, les capteurs capacitifs produisent une chaleur auto-générée minimale, garantissant des performances cohérentes à travers des températures variables.

Structure rationalisée

Les capteurs capacitifs possèdent une conception simple qui simplifie la fabrication tout en garantissant une grande précision.Leur taille compacte permet des mesures spécialisées dans les espaces contraints.Ces capteurs sont résilients, capables de fonctionner dans des conditions extrêmes, notamment des températures élevées, des rayonnements intenses et de puissants champs magnétiques.Ils résistent à des fluctuations de température significatives, à la haute pression et à l'impact, ce qui les rend idéales pour mesurer les températures ultra-élevées et les différences de basse pression.

Réponse dynamique impressionnante

Les capteurs capacitifs présentent une énergie électrostatique minimale, environ quelques 10 ^ (- 5) N, en raison de l'attraction électrostatique entre leurs plaques d'électrode.La capacité de construire des composants mobiles très petits et minces entraîne une fréquence naturelle élevée et un temps de réponse dynamique rapide.En fonctionnant à des fréquences dans la gamme Megahertz, ces capteurs excellent dans des mesures dynamiques.Leur perte diélectrique faible permet de fonctionner à des fréquences plus élevées, ce qui les rend adaptées à la capture de paramètres changeants.

Mesure sans contact avec une sensibilité élevée

Les capteurs capacitifs facilitent la mesure sans contact de divers paramètres, tels que la vibration ou l'excentricité des arbres rotatifs et le dégagement radial des petits roulements à billes.Cette méthode minimise l'impact de la rugosité de surface sur les mesures, améliorant la précision.De plus, l'attraction électrostatique entre les plaques d'électrode est minime, nécessitant très peu de force d'entrée et d'énergie.En conséquence, ces capteurs peuvent détecter des pressions, des forces et des accélérations ou des déplacements extrêmement faibles avec une sensibilité remarquable, capable de détecter les déplacements de 0,01 μm ou moins.Leur faible perte diélectrique, semblable à l'air, garantit que les résidus zéro dans une structure de pont avec une configuration différentielle restent négligeables, permettant une amplification élevée et une sensibilité accrue de l'instrument.

Inconvénients

Impédance de sortie élevée et capacité de charge limitée

Peu importe le type spécifique de capteur capacitif, en raison des contraintes de la conception physique de la plaque d'électrode, la capacité résultante est minime, allant généralement de plusieurs dizaines à quelques centaines de picofarads (PF).Il en résulte une impédance de sortie notamment élevée.L'impédance de sortie élevée entraîne une diminution de la puissance de sortie, une capacité de charge sous-optimale et augmente la vulnérabilité aux perturbations externes qui peuvent déclencher l'instabilité.

Impact significatif de la capacité parasite

Bien que la capacité initiale du capteur soit assez modeste, la capacité parasite introduite par le câble de plomb reliant le capteur au circuit électronique, combinée à la capacité parasite du circuit électronique, est nettement plus grande.Cette présence parasitaire à la capacité atténue la sensibilité de mesure et induit un comportement de sortie non linéaire.Comme la capacité parasitaire fluctue de manière imprévisible, la stabilité opérationnelle du capteur est compromise, ce qui peut, à son tour, affecter la précision de la mesure.

Diverses applications de capteurs capacitifs

Les capteurs capacitifs sont favorisés pour leur conception simple, leur tolérance à la chaleur impressionnante, leur robustesse contre le rayonnement et leur résolution exceptionnelle couplée à une réactivité dynamique.Leur polyvalence brille dans la mesure de la pression, du déplacement, de l'accélération, de l'épaisseur, des vibrations et des niveaux de liquide.

Facteurs spécifiques à considérer pour des résultats de mesure optimaux:

- Minimiser les fluctuations de la température ambiante et de l'humidité.Ces changements peuvent modifier la constante diélectrique de certains supports ou affecter les dimensions géométriques et le positionnement relatif des plaques de capteur.

- Réduisez l'effet de bord pour assurer la précision.

- Réduisez la capacité parasite pour les lectures de signaux plus propres.

- Utilisez des électrodes de blindage et des techniques de mise à la terre pour protéger le champ électrique de l'électrode sensible de l'interférence externe.

- Surveiller de près la résistance aux fuites, la fréquence d'excitation et la qualité d'isolation du matériau de support de la plaque, qui contribuent tous à des performances de capteur plus fiables.

Questions fréquemment posées [FAQ]

1. À quoi sert un capteur capacitif?

Les capteurs capacitifs sont régulièrement utilisés pour déterminer les décalages de position des cibles conductrices.Néanmoins, ils peuvent également évaluer habilement la présence, la densité, l'épaisseur et l'emplacement même de matériaux non conducteurs comme les plastiques, qui présentent une constante diélectrique distincte par rapport à l'air.La capacité de ces capteurs à se différencier entre diverses caractéristiques matérielles leur offre une polyvalence dans l'application.

2. Comment fonctionnent les capteurs capacitifs?

Un capteur capacitif utilise les principes d'un condensateur et son champ électromagnétique pour construire un capteur.En reconnaissant les changements dans le champ électrique, ces capteurs ont la capacité de percevoir des contacts ou une proximité tactiles, ainsi que des changements de position ou de déplacement.Ils étendent également leur fonctionnalité à la détection des niveaux d'humidité et des quantités de liquide, fournissant une approche nuancée de l'interaction environnementale.

3. Que détectent les capteurs capacitifs?

La technologie de détection capacitive trouve sa place dans une multitude de types de capteurs conçus pour mesurer une variété de quantités physiques.Il s'agit notamment de la proximité, de la pression, de la position, du déplacement, de la force, de l'humidité, du niveau de fluide et de l'accélération.De plus, la détection capacitive sert de squelette pour les dispositifs d'interface humaine comme les pavés tactiles, offrant une alternative à la souris informatique conventionnelle et élargissant la portée de l'interaction humaine-machine.

4. Où sont utilisés les capteurs capacitifs?

Les capteurs capacitifs contribuent à évaluer la déformation du disque de frein, en particulier en raison de leur résilience dans des environnements à haute température que la plupart des capteurs ne peuvent pas résister.Avec la précision de détecter les changements au niveau du nanomètre, ils évaluent efficacement l'usure sur les disques de frein, offrant des informations critiques sur la santé mécanique tout en observant un changement microscopique.

5. Quelle est l'utilisation la plus courante des capteurs capacitifs?

Plusieurs applications clés illustrent la polyvalence des capteurs capacitifs.Ils trouvent fréquemment une utilisation dans la détection ou la mesure de la proximité, de la position, du déplacement, de l'humidité, du niveau de fluide et de l'accélération.Les écrans tactiles capacitifs de détection sont utilisés comme périphériques d'entrée dans les lecteurs audio numériques, les téléphones mobiles et les ordinateurs de tablette.De plus, ces capteurs ont le potentiel de supplanter les boutons mécaniques, contribuant à l'avancement des technologies d'interface utilisateur.