دی
سنسور خازنی و ترانسدیوسر و کاربردهای آن
در این مقاله به توضیح پیرامون موضوع سنسور خازنی و ترانسدیوسر خواهیم پرداخت و همچنین ساختار کاربردهای این سنسورها را بیان خواهیم کرد.
سنسور خازنی و کاربردهای آن چیست؟
خازن چیست؟
خازن یک قطعه الکتریکی است‌که برای ذخیره انرژی استفاده‌می‌شود و در طراحی مدار به کار برده میشود. این عناصر الکترون را ذخیره می‌کنند. خازن‌ها همچنین کندانسور[1] نیز نامیده می‌شوند. خازن در مقادیر مختلف وجود دارد و خازن دو ترمینال داشته و به عنوان یک عنصر پسیو عمل می‌کند.
خازن دارای دو صفحه هادی و یک دی‌الکتریک بین آن‌ها تشکیل شده‌است. یک انتهای ترمینال خازن انرژی مثبت و سمت دیگر آن انرژی منفی را ذخیره می‌کند. خازن‌ها به هنگام اضافه شدن انرژی الکتریکی شارژ می‌شوند و وقتی انرژی به خازن ارسال نمی‌شود شروع به دشارژ می‌کنند. پس وقتی خازن انرژی ذخیره می‌کند در حال شارژ و وقتی جریان تخلیه‌می‌شود دشارژ‌می‌شود. جریان الکتریکی ذخیره شده در خازن بر حسب فاراد بیان‌می‌شود.
فهرست محتوا
- خازن چیست؟
- ترانسدیوسر‌های خازنی
- اصول کار
- اندازه‌گیری جابه‌جایی با استفاده از سنسور خازنی
- 1- ترانسدیوسر با استفاده از تغییر مساحت صفحات
- 2- ترانسدیوسر خازنی مورد استفاده برای اندازه‌گیری جابه‌جایی زاویه‌ای
- 3- ترانسدیوسر با استفاده از تغییر فاصله بین صفحات
- کاربرد سنسورهای خازنی
- 1- سنسورهای رطوبت خازنی
- 2- سنسورهای جابه‌جایی خازنی
- 3- اندازه‌گیری دیسک ترمز
- 4- ترانسدیوسر‌های خازنی – اندازه‌گیری پویا یا دینامیک در داخل توربین‌ها یا موتورها
- 5- اندازه‌گیری ضخامت
- 6- تست اسمبلی
- مزایا و معایب سنسورهای خازنی
ترانسدیوسر‌های خازنی
ترانسدیوسر خازنی برای اندازه‌گیری جابه‌جایی، فشار و بسیاری از کمیت‌های فیزیکی دیگر استفاده‌می‌شود. خازن به عنوان یک ترانسدیوسر پسیو عمل می‌کند، بنابراین نیازمند انرژی الکتریکی خارجی نیست. همانطور که در بالا نیز در مورد آن بحث شد، ترانسدیوسر خازنی دارای دو صفحه موازی‌است و در بین آن‌ها یک رسانه دی الکتریک قرار گرفته‌است. رسانه دی الکتریک می‌تواند هوا، گاز یا مایع باشد. بار الکتریکی خازن برای تبدیل جابه‌جایی مکانیکی به سیگنال الکتریکی استفاده‌می‌شود.
اصول کار
وقتی خازن در حال شارژ‌است، هیچ باری بر روی صفحات وجود نخواهد داشت. این باعث میشود بین دو صفحه شدت میدان الکتریکی صفر باشد.
Q = CV
که در آن C ثابت نسبیت است، که به آن ظرفیت خازنی گفته میشود. مقدار C به سایز صفحه و ماده دی الکتریک بین صفحات وابسته‌است. این مقدار به مساحت صفحه، فاصله بین دو صفحه و ثابت دی الکتریک دو صفحه وابسته‌است. مقدار ظرفیت خازنی در ترانسدیوسر‌های خازنی متغیر‌است. ترانسدیوسر خازنی بیشتر برای اندازه‌گیری جابه‌جایی خطی استفاده‌می‌شود. ترانسدیوسر خازنی از سه اثر زیر استفاده‌می‌کند.
- 1- تغییر ظرفیت خازنی به دلیل تغییر مساحت صفحات خازن ß A
- 2- تغییر ظرفیت خازنی به دلیل تغییر فاصله بین صفحات ß d
- 3- تغییر ظرفیت خازنی به دلیل ثابت دی الکتریک ß ε
ظرفیت خازنی نسبت توان ذخیره شده در یکی از صفحات به سطح ولتاژ دو سر کندانسور‌است. ظرفیت ارتباط مستقیمی با مساحت صفحه و ارتباط معکوسی با فاصله آن‌ها دارد.
ε ثابت نسبیت بوده و به آن ثابت دی الکتریک ماده‌ای گفته‌می‌شود که صفحات خازن را از هم جدا می‌کند. وقتی از ماده عایق استفاده میشود، ظرفیت خازنی به این صورت تعریف‌می‌شود:
که در آن
- ε0 ثابت دی الکتریک فضای خالی (85 x 10-12 F/m )
- εr ثابت دی الکتریک رسانه عایق (برای هوا εr=1 )
- A مساحت صفحه (m2)
- D فاصله بین دو صفحه (m)
است.
اندازه‌گیری جابه‌جایی با استفاده از سنسور خازنی
متدهای زیر را می‌توان برای اندازه‌گیری جابه‌جایی با استفاده از خازن به کار برد.
نیرو گردان با استفاده از تغییر‌مساحت صفحات
معادله زیر نشان می‌دهد که ظرفیت خازنی به صورت مستقیم با مساحت صفحه ارتباط دارد. شیفت ظرفیت خازنی بر اساس مکان صفحات رخ می‌دهد. ترانسدیوسر‌های خازنی برای اندازه‌گیری 1mm یا چند سانتی‌متر استفاده می‌شوند. ظرفیت خازنی و جابه‌جایی منطقه ترانسدیوسر خازنی به صورت خطی‌است. ابتدا، به دلیل وجود لبه‌ها، در طرح حالت غیر خطی رخ می‌دهد. در غیر این صورت، پاسخ خطی خواهد بود.
ظرفیت خازنی صفحات موازی به این صورت تعریف‌می‌شود:
- که در آن x طول صفحات خازن
- W = پهنای صفحات است.
حساسیت جابه‌جایی ثابت‌است، بنابراین رابطه‌ای خطی بین ظرفیت خازنی و جابه‌جایی به دست می‌دهد.
ترانسدیوسر خازنی مورد استفاده برای اندازه‌گیری جابه‌جایی زاویه‌ای
وقتی صفحات کاملاً با هم همپوشانی داشته باشند، ظرفیت خازنی حداکثر خواهد بود. 180 درجه حداکثر جابه‌جایی‌است که می‌تواند توسط خازن تولید شود. حرکت زاویه‌ای ظرفیت خازنی ترانسدیوسر را تغییر می‌دهد. حداکثر مقدار خازن به این صورت بیان‌می‌شود:
ظرفیت خازنی در زاویه θ به این صورت تعریف‌می‌شود:
که در آن θ جابه‌جایی زاویه‌ای بر حسب رادیان‌است.
ترانسدیوسر با استفاده از تغییر فاصله‌بین صفحات
ظرفیت خازنی ترانسدیوسر به صورت معکوس با فاصله صفحات نسبت دارد. یکی از صفحات ترانسدیوسر ثابت بوده و دیگری متحرک‌است. جابه‌جایی مورد اندازه‌گیری به صفحه متحرک وابسته‌است. ظرفیت خازنی به صورت معکوس با فاصله نسبت دارد، که علت آن پاسخ غیرخطی است که توسط خازن دیده‌می‌شود. این نوع ترانسدیوسر برای اندازه‌گیری جابه‌جایی‌های کم استفاده میشود. ظرفیت خازنی به این صورت تعریف‌می‌شود:
کاربردهای سنسورهای خازنی
سنسور رطوبت خازنی
سنسور رطوبت (یا رطوبت سنج) دمای رطوبت و هوا را احساس، اندازه‌گیری و ثبت می‌کند. نسبت رطوبت در هوا در دمای مشخص بر بالاترین مقدار رطوبت، رطوبت نسبی نامیده میشود. وقتی به اندال کواریانس باشیم، رطوبت نسبی متغیر بسیار مهمی خواهد بود. اگر نوار بسیار باریکی بین دو الکترود قرار بگیرد، سنسور رطوبت خازنی رطوبت نسبی را اندازه‌گیری خواهد کرد. سنسورهای نوع خازنی خطی بوده و می‌توانند رطوبت نسبی را از 0 الی 100 درصد اندازه‌گیری کنند.
با افزایش رطوبت همچنین ثابت دی‌الکتریک نیز تغییر می‌کند، و به این ترتیب سنسور ساده RH خازنی می‌تواند از خازن هوایی ساده ساخته شود. با اینهمه، هوا به عنوان دی الکتریک برای کاربردهای عملی زیاد قابل اتکا نیست. بنابراین، فاصله بین صفحات معمولاً با یک ماده دی الکتریک مناسب (عایق)پر میشود، که ثابت دی الکتریک آن با تغییر رطوبت تغییر می‌کند. با استفاده از فیلم پلیمر رطوبت سنج به عنوان دی‌الکتریک، و قرار دادن دو لایه الکترود در دو سمت آن، یک رویکرد دائمی برای ساخت سنسور RH خازنی‌است.
سنسورهای جابه‌جایی خازنی
سنسورهای جابه‌جایی خازنی به عنوان یک سیستم مرجع برای سایر سنسورهای فاصله استفاده میشود، که در دماهای پایین فاصله را اندازه‌گیریمی‌کند. سایر کاربردها شامل تست تلرانس تولید انبوه، اندازه‌گیری ویبراسیون، اندازه‌گیری کشش، اندازه‌گیری ضخامت، و کنترل ضخامت هسته‌های فلزی باریک، اندازه‌گیری ضخامت هسته‌های پلاستیکی به هنگام تولید، هم کردن ویفرها در تولید نیمه‌هادی‌ها و بسیاری موارد دیگر میشود.
اندازه‌گیری دیسک ترمز
دیسک‌های ترمز خودرو در معرض بارهای بسیار کوتاه‌مدت قرار دارند. سایش مکانیکی و افزایش گرما بر روی دیسک تأثیر بسیار زیادی در میکروساختار دیسک دارد. مواد مورد استفاده باید بتوانند به بیشترین حالت ممکن در برابر این بارها مقاومت کرده و میکروساختار خود را تغییر ندهند. وقتی بار دوباره اعمال میشود، شکاف‌های کوچک باعث شکستن و به خطر انداختن ماشین میشود. سنسورهای خازنی برای اندازه‌گیری تغییر شکل دیسک ترمز استفاده می‌شوند. سنسورهای بسیار کمی برای عملکرد نزدیک به شیء اندازه‌گیری شده وجود دارد که دلیل آن افزایش دما است. ترانسدیوسر‌های خازنی تغییرات در بازه نانومتر را شناسایی کرده و فرسایش ترمز را ارزیابی می‌کنند.
ترانسدیوسر‌های خازنی – اندازه‌گیری دینامیک در توربین‌ها یا موتورها
نیروهای سانتریفیوژ اعمالی بر روی تیغه‌های توربیت‌ها باعث میشود تیغه‌ها منبسط شوند. بسیار ضروری است که در طراحی تیغه‌های توربین عدم توازن ایجاد نشود. ترانسدیوسر‌های خازنی تغییرات نانومتری را شناسایی کرده و اطلاعات بسیار مهمی برای ارزیابی FEM ارائه می‌کنند.
اندازه‌گیری ضخامت
یک کاربرد رایج برای دتکتورهای خازنی اندازه‌گیری ضخامت مواد در حالت بدون تماس است. یک سیستم دیفرانسیلی دو کاناله مهم‌ترین کاربرد است که در آن یک سنسور متمایز برای هر یک از سمت‌های قطعه مورد اندازه‌گیری استفاده میشود. فناوری سنسور خازنی برای اندازه‌گیری ضخامت در این کاربردها استفاده میشود. ضخامت ویفر سیلیکونی، ضخامت روتور ترمز و ضخامت سنی درایو دیسک.
تست اسمبلی
سنسورهای خازنی در برابر درایورها حساسیت بسیار بیشتری دارند. بنابراین می‌توان آن‌ها را در اسمبلی‌های تمام شده به کار برد که حضور یا عدم حضور واحدهای فلزی را شناسایی کرد. یک مثال نصب کانکتوری است که نیازمند یک حلقه فلزی داخلی است که در اسمبلی نهایی نمی‌توان آن را مشاهده کرد. حس ظرفیت خازنی آنلاین می‌تواند قسمت خطادار را شناسایی کرده و آن را از خط به اطلاع سیستم برساند.
مزایا و معایب سنسورهای خازنی
مزایای سنسورهای خازنی
- برای عملیات، نیازمند نیروی خارجی است، بنابراین برای دستگاه‌های ریز خوب است
- خازن ترانسدیوسر بسیار حساس است
- پاسخ فرکانسی خوبی برای پژوهش‌های دینامیک ارائه می‌کند
- ترانسدیوسر دارای امپدانس ورودی بالایی بوده و اثر بار بسیار کمی دارد
- نیازمند توان ورودی بسیار کمی است
معایب سنسورهای خازنی
- اجزای فلزی ترانسدیوسر شامل ایزولاسیون میشود
- قاب صفحات نیازمند زمین کردن است که تأثیر میدان مغناطیسی سرگردان در آن کاهش یابد
- ترانسدیوسر گاهی با دلیل اثر لبه‌ای که با استفاده از حلقه گارد تولید میشود ویژگی‌های غیر خطی نشان می‌دهد
- با اتصال لینک کابل در دو سر ترانسدیوسر یک خطا ایجاد میشود
مقالات مرتبط :
سنسور چیست؟ انواع سنسورها و کاربردهای آن‌ها
خازن و انواع خازن ها| ثابت، متغیر، قطبی و غیرقطبی
لینک زبان اصلی مقاله :