Traductoare Capacitive 2012

17

Click here to load reader

Transcript of Traductoare Capacitive 2012

Page 1: Traductoare Capacitive 2012

Argument

Traductoarele sunt elemente din structura sistemelor automate care au rolul de a masura valorile parametrului reglat si de a converti acest parametru (marime) într-o marime fizica ce este compatibila cu marimea de intrare în elementul urmator al sistemului. Traductoarele se compun din elementul sensibil si elementul traductor , conform figurii 1.

Elementul sensibil efectueaza operatia de masurare propriu-zisa, iar elementul traductor asigura transformarea semnalului într-un alt semnal, în general electric sau pneumatic, unificat, semnal ce e preteaza pentru transmiterea la distanta.

Natura foarte diferita a marimilor de masurat (care pot fi termice, mecanice, radiatii s.a.) a impus unificarea semnalelor purtatoare deinformatii si alegerea marimilor electrice pentru acest scop, deoarece electronica si tehnica de calcul ofera cele rnai mari posibilitati de valorificare a informatiilor primite sub forma electrica (precizie, sensibilitate, consum mic de putere, viteza mare de raspuns, prelucrare operationala a mai multor semnale, stocare etc.).

Performantele traductoarelor pot fi apreciate pe baza urmatoarelor caracteristici:- Sensibilitatea reprezinta limita raportului dintre variatia infinit mica a marimii de iesire si cea de

intrare, când ultima tinde spre zero, adica:

lim∆i→0

∆e∆ i

Este necesar ca aceasta sensibilitate sa fie constanta pe tot domeniul de masura, adica elementul sa fie liniar, în caz contrar sensibilitatea putându-se defini în jurul oricarui punct de functionare. În mod normal, elementele de masurat prezinta un anumit prag de sensibilitate, adica o valoare limita Di sub care nu mai apare o marime masurabila la iesire.

- Precizia se defineste ca valoarea relativa a erorii exprimata în procente:

P=∆ ee

%

obisnuit elementele de masurat din sistemele automate avand clase de precizie de 0,2 ¸ 1,5 %, fiind necesar sa fie cu cel putin un ordin de marime superioara preciziei reglajului în ansamblu.

- Liniaritatea se refera la aspectul caracteristicii statice a elementelor si, aceasta caracteristica nu trebuie sa prezinte curburi si histerezis pe tot domeniul de variatie al marimilor de intrare si iesire.

-Comportarea dinamica. Aceasta caracteristica se refera la capacitatea elementului de a reproduce cât mai exact si fara întârziere variatiile marimii masurate. Se apreciaza pe baza functiei de transfer a elementului, adica pe baza constantelor de timp ce intervin sau, uneori pe baza benzii de trecere

-Reproductibilitatea, reprezinta proprietatea elementelor de a-si mentine neschimbate caracteristicile statice si dinamice pe o perioada cât mai lunga de timp, în anumite conditii de mediu admisibile.

-Timpul de raspuns reprezinta intervalul de timp în care un semnal aplicat la intrare se va resimti la iesirea elementului. Acest timp poate fi oricât de mic, dar niciodata nul, putând fi asimilat cu inertia.

-Gradul de finete se caracterizeaza prin cantitatea de energie absorbita de traductor din mediul de masura, recomandându-se sa fie cât mai mica pentru a nu influenta desfasurarea procesului. Alegerea traductorului se va face în functie de parametrul reglat, în functie de mediul de masura, în functie de tipul semnalului: continuu, electric sau neelectric, discontinuu, s.a.

Tipurile existente de traductoare sunt extrem de numeroase, clasificarea lor putandu-se face dupa urmatoarele criterii:

1. Dupa forma semnalului electric obtinut, traductoarele se pot grupa în:1

Fig 1.

Page 2: Traductoare Capacitive 2012

Ad

dD

h

• traductoare analogice, la care semnalul produs depinde continuu de marimea de intrare:• traductoare numerice, la care semnalul de iesire variaza discontinuu, după un anumit cod (operatie de codificare).

2. Dupa modul de transformări efectuate si modul de interconectare, traductoarele se împart în:• traductoare directe care realizează o singura transformare;• traductoare complexe care înglobeaza mai multe tipuri de traductoare directe si uneori chiar elemente de aparte.

3. Dupa domeniul de utilizare, traductoarele avand denumirea marimii masurate pot fi: de presiune, de debit, de temperatura, de umiditate, de deplasare etc.

4. Dupa natura marimii de iesire, traductoarele electrice directe se împart:• traductoare pasive, la care ca marime de iesire este rezistenta, inductanta sau capacitatea si care necesita o sursa de energie auxiliara;

Capitolul 1 – Notiuni introductive

Senzorii capacitivi fac parte din grupa senzorilor parametrici si convertesc marimea neelastica într-o variatie de capacitate.

Prin definitie, capacitatea reprezinta raportul dintre cantitatea de sarcina electrica Q acumulata pe

una din armaturile condensatorului si diferenta de potential U dintre ele: C=QU

.

Traductoarele capacitive pentru masurarea deplasarilor au la baza condensatorul plan si, respectiv, condensatorul cilindric.

Fig.2.Condensatoare electrice:a – plan b – cilindric

Din relatiile capacitatilor pentru condensatorul plan si pentru cel cilindric, rezulta ca traductoarele capacitive pot servi la convertirea in variatii de capacitate a oricarei marimi neelectrice care modifica unul dintre elemente, si anume: distanta dintre armaturi, suprafata de suprapunere a armaturilor, permitivitatea mediului dintre armaturi etc.

Pentru a reduce efectul capacitatilor parazite ce apar in raport cu alte conductoare aflate in apropiere, traductoarele capacitive se ecraneaza; si in acest caz, apar capacitati parazite intre armaturi si ecran, insa acestea sunt constante ca valoare si , deci, controlabile in cadrul circuitelor de masurare.

Condensatorul plan ( fig.2. a) prezinta o capacitate

2

a b

Page 3: Traductoare Capacitive 2012

C=εr ε 0 A

dunde: ε 0- permitivitatea vidului;

ε r- permitivitatea relativa a mediului dintre armaturi;A- Aria suprafetei de suprapunere a celor doi electrozi;d- distant dintre armaturi.

Condensatorul cilindric( fig.2. b) prezinta o capacitate

C=2π εr ε0h

lnDd

unde: D- diametrul electrodului exterior; d- diametrul electrodului interior; h- Înaltimea de suprapunere a celor doi cilindri.

Traductoarele capacitive de deplasare sunt robuste si fiabile; ele pot fi sensibile la temperatura datorita dilatarii, insa, prin alegerea corespunzatoare a materialelor, se poate reduce acest efect. Traductoarele capacitive pot fi influentate de praf, coroziune, umiditate si de radiatiile ionizate.

Fortele de actionare a partii mobile pentru traductoarele capacitive sunt deosebit de reduse.

Elementul sensibil ES de tip capacitiv poate masura marimile neelectrice care influenteaza capacitatea unui condensator din componenta sa. In tabelul de mai jos sunt enumerate principalele fenomene fizice pe care se bazeaza conversia la traductoarele capacitive si marimile care pot fi masurate.

Fenomenul fizic pe care se bazeaza conversia Aplicatii (marimi masurate)-variatia distantei sau a suprafetei comune a armaturilor prin deplasare directa sau prin asociere cu alte elemente

- deplasari liniare sau unghiulare- presiune- altitudine- proximitate

-variatia permitivitatii dielectricului - nivel- grosime- umiditate (corpuri solide)

1.1 Senzorii si traductoarele capacitive se pot clasifica ca in fiugura alaturata

3

Page 4: Traductoare Capacitive 2012

0

C

Δdd

r0

Δd

23 1

4

presiune

Capitolul 2 – Tipuri de traductoare

2.1 Senzori si traductoare capacitive cu modificarea distantei dintre armaturi

Cel mai simplu senzor este un condensator plan cu o armatura fixa si una mobila (fig. a) a carui capacitate in pozitia Δd= 0 este:

C0=εr ε0 A

dDaca se mareste distanta dintre armaturi cu Δd, capacitatea condensatorului devine:

C=εr ε 0 A

d+Δdsi variatia de capacitate este: ΔC=C-C0=-C0=

εr ε0 A

d+ΔdDin ecuatia de mai sus, se obtine caracteristica de conversie C=f(Δd) ( fig.3 b), care prezinta o

variatie parabolica.

Fig. 3 . Senzor capacitiv cu armatura mobila

UTILIZARE: Variatia capacitatii se poate considera liniara numai pentru deplasari reduse, de aceea aceste traductoare pot fi utilizare numai pentru masurarea deplasarilor mici , de 0-1 mm.

Uneori, se contruiesc senzori capacitivi de presiune, la care o armatura este fixa, iar cealalta este formata dintr-o membrana care se deformeaza sub actiunea presiunii, obtinandu-se o caracteristica de conversie C= f(p) liniara.

Fig.4.Senzor capacitiv cu membrana elastica:

4

a- Schema electrica; b- caracteristica de conversie

Page 5: Traductoare Capacitive 2012

ΔU

Δd

Δd0dd

1 – armatura; 2 – membrana in pozitie initiala; 3 – membrana deformata: 4 – carcasa

Cel mai des folositi sunt, insa, senzorii capacitivi diferentiali ( fig.5. a), unde armaturile exterioare sunt fixe, iar armatura interioara este mobila, rezultand:

C1=εr ε 0 A

d−ΔdC2=

εr ε0 A

d+Δd

Senzorul capacitiv diferential se conecteaza intr-o punte de curent alternativ in regim neechilibrat si se obtine o caracteristica de conversie ΔU= f(Δd) liniara( fig.5. b).

UTILIZARE: Traductoarele capacitive diferentiale intra in structura micrometrelor electrice.

Fig.5. Senzor capacitiv diferential

2.2 Senzori si traductoare capacitive cu modificarea suprafetei de suprapunere a armaturilor

Senzorii capacitivi cu armaturi plane de forma dreptunghiulara sunt utilizati pentru masurarea deplasarilor, o armatura deplasandu-se paralel fata de armatura fixa(fig.6.).

Aceeasi solutie de modificare a suprafetei de suprapunere se utilizeaza pentru deplasari ungiulare. Tipul cel mai raspandit de traductor capacitiv din aceasta categorie îl constituie traductorul de deplasare unghiulara, reprezentat printr-un condensator rotativ, cu mai multe armaturi(fig.6. a).

5

a- Schema eslectrica b- Caracteristica de conversie

Fig.6. Senzor capacitiv cu modificarea suprafetei de suprapunere

Traductor capacitive de

deplasare unghiulara

a- Schema electrica

Page 6: Traductoare Capacitive 2012

Sub actiunea marimii de masurat, electrozii mobili se rotesc paralel cu electrozii ficsi, pastrand o distanta constanta, astfel ca se modifica aria de suprapunere dintre electrozi si prin aceasta capacitatea tradctorului este in fuctie de unghiul de rotatie. Capacitatea traductorului fiind:

C0=ε0 εr ∙ π r

2 (n−1 )d ∙360

(α0−α)

unde: n- numarul de armaturi;α 0- ungiul sectorului circular;r- raza sectorului circular;d- distanta dintre armaturi;

α- deplasarea unghiulara.

Din ecuatia de mai sus rezulta o caracteristica de conversie liniara(fig.6. b): C= f(α).

2.3 Traductoare capacitive cu modificarea dielectricului

Temperatura, umiditatea si, in general, compozitia chimica a mediului inconjurator sunt marimi fizice susceptibile de a modifica permitivitatea unor materiale convenabile alese. Nivelul unui lichid izolat, in care este introdus un condensator cilindric, determina capacitatea electrica a condensatorului prin faptul ca permitivitatea lichidului este alta decat cea a aerului ( senzorul capacitiv de nivel).

Permitivitatea relativa a dielectricului unui condensator se poate modifica fie prin introducerea unui material izolat intre armaturi( fig.7.), fie prin modificarea starii fizice a dielectricului cu umiditatea etc.

Traductoarele capacitive prezinta o mare sensibilitate; in general, sunt caracterizate de caracteristici de conversie liniare, au capacitati mici si,de aceea, schemele electrice sunt alimentate cu tensiuni de frecvente ridicate ( 400Hz-100Hz), amplitudinea tensiunii de alimentare fiind limitata de tensiunea de strapungere.

6

b- Caracteristica de conversie

Fig.7. Senzor capacitiv cu modificarea dielectricului

UTILIZARE: traductoarele capacitive cu modificarea dielectricului se utilizeaza la masurarea grosimii, a niveluiui, a umiditatii, a compozitiei de substanta etc.

Page 7: Traductoare Capacitive 2012

2.4 Senzori si traductoare de proximitate

Traductoarele de proximitate au o functie de tip releu, ele sesizand prezenta sau absenta masurandului intr-o anumita pozitie.

Proximitatea se refera la gradul de apropriere dintre doua obiecte , dintre care unul marcheaza sistemul de referinta. De obicei, proximitatea este sesizata intr-o zona cuprinsa intre anumite limite. Alegerea detectorului de proximitate se face in functie de anumite criterii, cum ar fi: natura măsurandului ( metalic, feromagnetic, izolator), intervalul de distanta, viteza de deplasare a obiectului, pretul de cost. Pentru a obtine o informatie privind distanta pana la obiect, fara a intra in contact cu el, trebuie ca acesta sa emita un semnal( sau sa creeze un camp) care sa poata fi recunoscut de catre elementul sensibil.

Exista mai multe tipuri de senzori de proximitate, dintre care mentionam: inductivi, capacitivi, fotoelectrici, cu ultrasunete etc.

Traductoarele capacitive de proximitate se bazeaza pe aparitia curentilor Foucault in materialele conductoare din apropierea traductorului, care modifica valoarea inductivitatii si, respectiv, a rezistentei traductorului. In cazul in care materialul este magnetic , apar doua efecte: pe de o parte, prin scaderea reluctantei creste inductivitatea, in timp ce prin curentii turbionari aceasta se reduce.

Traductoarele capacitive de proximitate ( fig.8.) sunt realizare dintr-un ecran cilindric, in interiorul caruia se afla o armatura izolata( fig.8. a). Schema electrica echivalenta este prezentata in fig.8. b; daca ecranul se leaga la masa, capacitatea (C2¿ este scurtcircuitata. Circuitul de masurare este de obicei o punte, raspunsul fiind independent de natura metalului detectat.

7

Fig.8. Traductor capacitiv de proximitate

a- reprezentare traductorului

b- schema electrica echivalenta

Page 8: Traductoare Capacitive 2012

Traductoarele de proximitate bazate pe actiunea campului magnetic contin magnetorezistoare sau traductoare bazate pe efectul hall. Efectul magnetorezistiv apare in materialele semiconductoare ca urmare a deformarii traseului purtatorilor de sarcina sub actiunea campului magnetic si ciocnirii lor de reteaua cristalina. Acest efect poate fi crescut prin scurtcircuitarea campului electric Hall cu ajutorul unor benzi fine din argint sau incluziuni conductoare. Rezistenta magnetorezistoarelor depinde de tipul materialului semiconductor din care este realizat si dopajul acestuia, precum si de inductia campului magnetic si variaza, de obicei, intre ohmi si zeci de kiloohmi. Valoarea rezistentei magnetorezistoarelor scade odata cu cresterea temperaturii.

Efectul Hall consta in aparitia unei tensiuni numite tensiune Hall, atunci cand un conductor sau un semiconductor traversat de un curent electric este plasat intr-un camp magnetic perpendicular pe directia curentului. Daca se considera un material semiconductor( fig.9.) parcurs de curentul I, ce se gaseste in campul magnetic de inductie B perpendicular pe directia curentului, asupra purtatorilor de sarcina se va exercita o forta:

F⃗=q ∙ v⃗ ∙ B⃗ unde: q- sarcina elementara;

v⃗- viteza de deplasare a purtatorilor de sarcina, dependenta de cadere de tensiune pe semiconductor.

Aceasta forta conduce la o deviere a traiectoriei purtatorilor de sarcina si, ca o consecinta, la aparitia unei diferente de potential intre suprafetele perpendiculare pe directia y, care reprezinta tensiunea Hall - U H. Se poate observa ca:

U H=1

qn∙I ∙Bg

=K n∙I ∙ Bg

unde: n- concentratia purtatorilor de sarcina;Kn- constanta Hall.

8

Fig.9. Schema explicativa pentru efectul Hall

Page 9: Traductoare Capacitive 2012

Trebuie mentionat faptul ca parametrul K H depinde in sens invers de temperatura, existand posibilitatea de compensare a erorii, daca alimentarea se face la U= constant si nu la I= constant.

Sensibilitatea acestor traductoare poate fi definita in functie de inductie:

S=ΔUH

ΔB=KH ∙ I

g ∙ Δx

sau in functie de deplasarea magnetului ce produce inductia B:

S=ΔUH

Δx=KH ∙ I ∙ ΔB

g ∙ Δx

Sensibilitatea de pozitie depinde de circuitul magnetic, care poate realiza variatii de 0,1-1 T/mm ceea ce corespunde la 0,2-15 V/mm.

Traductoarele de proximitate bazate pe efectul Hall se realizeaza, de obicei, cu caracteristica de histerezis.

La realizarea traductoarelor de proximitate, se folosesc traductoarele optice, datorita sensibilitatii pe care o prezinta. Exista doua variante constructive:

- traductoare de proximitate cu bariera, pentru care emitatorul de lumina si receptorul se afla de o parte si de alta a „bateriei”;

- traductoare de tip „reflectator”, la care atat emitatorul, cat s receptorul se afla de aceeasi parte a obiectului detectat.

Ca surse de lumina, la trductoarele optice se flosesc becuri sau LED-uri in vizibil sau in infrarosu,iar ca fotodetectoare, se utilizeaza fotorezistoare, fototranzistoare, fotodiode, fiind urmate de blocuri de prelucrare corespunzatoare.

2.5 Fotodiodele

Sunt indicate pentru masurari de iluminare. In absenta radiatiei luminoase, exista un curent mic, invers, numit curent de întuneric. Daca suprafata fotosensibila a jonctiunii este iluminata, in jonctiune se genereaza perechi de purtatori de sarcina( electron-gol), care duc la cresterea curentului in sens invers. Cele mai folosite diode sunt cele din siliciu. Stratul de siliciu p este suficient de subtire pentru a permite radiatiei luminoase sa ajunga la jonctiune. In domeniul infrarosu, se utilizeaza fotodiode din germaniu si arsenura de indiu( InAs).

Fotodiodele cu regiunile p si n puternic dopate se numesc diode PIN. Avantajele fotodiodelor PIN sunt urmatoarele: rapiditate, raspuns spectral larg, zgomot redus. Curentul de întuneric foarte mic permite detectarea unor niveluri joase de radiatii. Ele sunt sensibile in domeniile vizibil si infrarosu apropiat.

Simbolul si polarizarea unei fotodiode sunt prezentate in figura de mai jos.

9

Fig.10. Simbolul si polarizarea unei fotodiode

Page 10: Traductoare Capacitive 2012

2.6 Fototranzistorul

Este asemanator cu tranzistorul obisnuit, fiind alcatuit dintr-o placuta semiconductoare de siliciu, in care exista, alternativ, regiuni de conductie de tip n si de tip p, si la care jonctiunea baza-colector reprezinta fotojonctiunea. Ca mod de operare ele sunt asemanatoare fotodiodelor, cu deosebirea ca au sensibilitatea de 100-500 de ori mai mare, datorita amplificarii in curent. Dependenta dintre curent si ilumnare este neliniara( spre deosebire de fotodioda, la care dependenta este liniara). In scopul cresterii sensibilitatii, se urmareste atat cresterea factorului de amplificare, cat si cresterea sensibilitatii fotodiodei baza-colector.

Simbolul si modul de conectare pentru un fototranzistor de tip npn sunt prezentate in fig de mai jos.

2.7 Fotorezistentele

Sunt componente electronice pasive, care isi modifica rezistenta electrica in functie de intensitatea radiatiei luminoase incidente pe suprafata fotosensibila (fig.12. a). Cele mai cunoscute fotorezistente, in spectrul vizibil, sunt cele realizate din sulfura de cadmiu (CdS) si selenura de cadmiu (CdSe). Fotorezistentele se pot utiliza atat in curent continuu cat si in curent alternativ. Rezistenta ohmica a fotorezistentei scade cu cresterea iluminarii.

Dintre caracteristicile fotorezistentelor, cele mai semnificative sunt caracteristica curent-tensiune si caracteristica rezistenta-iluminare. Caracteristica curent-tensiune reprezinta dependenta curentului prin fotorezistenta de tensiunea la borne, avand iluminarea E v ca parametru (fig.12. b).

10

Fig.11. Simbolul si polarizarea fototranzistorului npn

a- structura unei fotorezistente b- Caracteristica current-tensiune pentru o fotorezistenta

Fig.12.

Page 11: Traductoare Capacitive 2012

Dependenta rezistentei de iluminare este descrescatoare ( fig.13.). Prin iluminare se intelege densitatea de flux luminos printr-o suprafata:

E v=d∅dA

UTILIZARE: Traductoarele de proximitate isi gasesc un numar mare de aplicatii, in: pozitionare, aliniere, masurare de cota fixa, depuneri, grosimi, chiar si in disozitive de alarmare. In ultima vreme, au fost dezvoltate o multitudine de asemenea traductoare, inclusiv in forma integrata.

11

Fig.13. Dependenta rezistentei de iluminare