Kapazitive Sensoren

Kapazitive Sensoren arbeiten auf Basis der Veränderung der Kapazität eines einzelnen Kondensators oder eines ganzen Kondensatorsystemes. Diese Änderung der Kapazität kann dabei auf verschiedene Arten erfolgen, die sich meist bereits durch den Verwendungszweck ergeben.

Grundprinzip

Skizze des Grundprinzips eines kapazitiven Sensors

Fast alle kapazitiven Sensoren basieren auf dem Prinzip, dass zwei Platten einen elektrischen Kondensator bilden, von denen eine durch den zu messenden Effekt verschoben oder verformt wird. Dadurch ändert sich der Plattenabstand und damit die elektrisch messbare Kapazität. Auch die Änderung eines elektrisch leitenden Materials in der Umgebung fließt in die Kapazitätsänderung mit ein. Um auch kleine Veränderungen besser detektieren zu können ist die eigentliche Messelektrode häufig mit einer Schirmelektrode umgeben, die den inhomogenen Randbereich des elektrischen Felds von der Messelektrode abschirmt. Dadurch ergibt sich zwischen Messelektrode und üblicherweise geerdeter Gegenelektrode ein annähernd paralleles elektrisches Feld mit der bekannten Charakteristik eines idealen Plattenkondensators (siehe Elektrische Kapazität)

Anwendungen

Kapazitiver Drucksensor

Die Kapazitätsänderung infolge des Durchbiegens einer Membrane und der resultierenden Änderung des Plattenabstandes wird als Sensoreffekt ausgewertet. Die Membran wird hierbei als Kondensatorplatte ausgebildet. Die Kapazitätsänderungen sind ziemlich klein, so dass eine geeignete Verarbeitungselektronik integriert sein muss.

Als Differenzdrucksensor erfasst der Sensor über einen Differenzialkondensator den Druckunterschied zweier Gase oder Flüssigkeiten.

Kapazitiver Abstandssensor

Der Sensor und die (bewegliche) Gegenfläche bilden einen elektrischen Kondensator, so dass der Abstand als Kapazität gemessen werden kann. Aufgrund der stark nichtlinearen Abhängigkeit ist das Verfahren nur für kleine Abstände geeignet. Angewendet wird das Prinzip bei Näherungsschaltern und Spaltsensoren.

Kapazitiver Näherungsschalter

Die Funktion des kapazitiven Näherungsschalters beruht auf der Änderung des elektrischen Feldes in der Umgebung vor seiner Sensorelektrode (aktive Zone). Der Sensor arbeitet mit einem RC- Oszillator. Es wird die Kapazität zwischen der aktiven Elektrode und dem elektrischen Erdpotential gemessen. Durch die Annäherung eines metallischen oder nicht metallischen Stoffes an die aktive Zone des Sensors ändert sich die Kapazität und beeinflusst so die Schwingungsamplitude des RC- Oszillators. Dadurch wird die dem RC- Oszillator nachgeschaltete Triggerstufe gekippt und dies bewirkt, dass der Schaltverstärker im Sensor seinen Ausgangszustand ändert. Die Empfindlichkeit des Sensors kann mit einem Potentiometer eingestellt werden, zum Beispiel zum Einstellen des gewünschten Schaltabstandes. Der Schaltabstand eines kapazitiven Sensors kann sehr stark variieren und ist von der Permittivitätskonstante (siehe Permittivität) abhängig.

Kapazitiver Spaltsensor

• Anwendung in Tandemanordnung (zwei gegenüberliegende Sensoren) als elektronische Lehre zur Messung der Spaltweite zwischen zwei üblicherweise metallischen Bauteilen.
• Anwendung in Turbomaschinen zur Messung des Abstands zwischen dem Gehäuse und drehenden Maschinenteilen

Kapazitiver Beschleunigungssensor

Ein kapazitiver Beschleunigungssensor besteht im Prinzip aus zwei nebeneinander liegenden Plattenkondensatoren, die eine gemeinsame mittlere Platte verwenden. (Dieser Aufbau wird als Differenzialkondensator bezeichnet) Bei Verwendung als Beschleunigungssensor wird die bewegliche mittlere Platte als federndes Pendel konstruiert. Wird der Sensor beschleunigt, verschiebt sich die mittlere Platte, und das Kapazitätsverhältniss der beiden Kondensatoren ändert sich. Bei dem bei Beschleunigungssensoren verwendeten Differenzialkondensator ist der Zusammenhang zwischen Auslenkung und Kapazitätsänderung bedingt durch die übliche exponentielle Kapazitätsänderung nicht linear.

In einem kleinen Auslenkungsbereich kann jedoch von einem einigermaßen linearen Verlauf ausgegangen werden.

Kapazitiver Wegsensor

Kapazitive Wegsensoren bestehen im wesentlichen aus einem Rohr (Elektrode 1), in das ein Metallstab (Elektrode 2) eingeführt wird,. Die Kapazität des Kondensators ändert sich mit der Eintauchtiefe des Stabes und kann mit einer Wechselstromkreisrailebrücke, die um einen Kondensator ergänzt wird, oder mit einem LC-Schwingkreis gemessen werden.

Messverfahren

Zur Messung der extrem kleinen elektrischen Kapazität werden üblicherweise drei verschiedene Verfahren verwendet:

• Ladungsverstärker messen bei anliegender Gleichspannung die bei Kapazitätsänderungen verschobenen Elektronen und können daher ausschließlich schnelle oder kurzzeitige Änderungen erfassen (Spaltsensoren, Schwingungssensoren).
• Amplitudenmodulierte Systeme versorgen den Messkondensator mit hochfrequentem Wechselstrom (z.B. 20 kHz)und erfassen den resultierenden Blindstrom.
• Frequenzmodulierte Systeme schalten den Messkondensator mit einer Induktivität zu einem Schwingkreis zusammen, dessen Resonanzfrequenz gemessen werden kann - üblicherweise als Frequenzverschiebung bei dynamischen Vorgängen.

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