Kapazitiver Sensor für Messung unter Temperaturschwankung

Ein kapazitiver Sensor wird überall dort eingesetzt, wo präzise Messergebnisse gefordert werden. Aufgrund der sehr guten Temperaturstabilität eignet sich das kapazitive Messprinzip speziell für Anwendungen, in denen Temperaturschwankungen auftreten. Interessant sind auch andere Sensortechnologien wie Lasersensoren, die einen starken Temperaturdrift des Signals verzeichnen. Die kapazitiven Sensoren von Micro-Epsilon werden häufig zur Qualitätssicherung im Prozess oder als Messwertaufnehmer für komplette Regelkreise verwendet. Die Sensoren messen Vibrationen, Auslenkung, Ausdehnung, Weg, Durchbiegung, Verformung, Dicke uvm.

Inhalt

• Kapazitiver Sensor für leitfähige Objekte
  • Sensoren mit nahezu idealer Linearität
  • Messung auf allen Material Oberflächen
    
• Zahlreiche Applikationen – auch in sicherheitskritischen Bereichen
• Häufige Fragen

Kapazitiver Sensor für leitfähige Objekte

Als elektromagnetisches Verfahren misst ein kapazitives Messsystem standardmäßig alle leitfähigen Objekte mit gleichbleibender Empfindlichkeit und Linearität. Das System wertet den Blindwiderstand des Platten-Kondensators aus, der sich mit dem Abstand ändert.

Kapazitive Sensoren können unter bestimmten Bedingungen auch Isolatorwerkstoffe messen, wobei in der Regel die Sensormasse als Gegenelektrode fungiert und der Isolatorwerkstoff als Koppelmedium. Ein annähernd lineares Ausgangssignal wird auch für Isolatoren durch elektronische Beschaltung möglich.

Sensoren mit nahezu idealer Linearität

Die Capa NCDT Sensoren gibt es in zwei Ausführungen. Die gängigere Ausführung ist ein vollständig triaxialer Sensoraufbau, bei dem sich an der vorderen Sensorkante neben der Messelektrode die Schutzringelektrode und Erdung befinden. Daher lassen sich diese Sensoren auch in leitfähigen Materialien völlig bündig einbauen. Zudem ist eine Berührung der Sensoren bei mehrkanaligen Messungen zulässig. Es gibt aber auch Sensoren, die ein seitlich zurückversetztes Gehäuse haben.

Bei dieser Art von kapazitiven Sensoren kann sich das Feld auch seitlich der Elektrode ausbreiten. Das hat den Vorteil, dass bei kleinerem Sensordurchmesser ein größerer Messbereich erzielt werden kann. Um Feldverzerrungen und damit auch Nichtlinearität zu vermeiden, wird bei den Capa NCDT Sensoren um die Elektrode herum ein aktiver Schutzring montiert.

Elektrisch auf gleichem Potential wie die Elektrode gehalten bündelt er das Feld der Elektrode. Dadurch entsteht ein sehr homogenes Messfeld. Die vom Schutzring ausgehenden Feldlinien werden bei der Messung nicht berücksichtigt. Die Capa NCDT Sensoren setzen das Schutzringkondensator-Prinzip in vollem Umfang um und nutzen damit die Vorteile eines homogenen elektrischen Feldes zwischen Sensor und Messobjekt aus. Durch das homogene Feld erreichen sie in der Praxis eine nahezu ideale Linearitätskennlinie.

Messung auf allen Material Oberflächen

Da die Messung bei allen leitenden Objekten durchführbar ist, wird die beispielsweise nicht durch optische Eigenschaften des Messobjekts beeinflusst. So sind auch transparente oder spiegelnde Oberflächen mit maximaler Messgenauigkeit zu erfassen.

Die Capa NCDT Systeme können auch zur linearen bzw. einseitigen Dickenmessung von Isolatoren eingesetzt werden. Die Feldlinien durchdringen den Isolator und schließen sich mit dem elektrischen Leiter. Ändert sich die Dicke des Isolators, beeinflusst dies den Blindwiderstand Xc des Sensors. Der Abstand zur Gegenelektrode muss dabei konstant sein. Beispiele für nicht leitende Messobjekte sind (auch glasfaserverstärkte) Kunststoffe, Keramiken, Steatit, Porzellan, Glas, Klebstoffe, Harze, Öle oder Gelatine.

Bei elektrisch leitfähigen Werkstoffen wie Metallen ist durch gegenüberliegende Anbringung der Sensoren eine zweiseitige Dickenmessung möglich. Durch das kapazitive Messprinzip erfolgt die Messung ausschließlich gegen die Oberfläche, ohne ein Eindringen des Feldes in das Messobjekt. Dadurch kann die Dicke auch von sehr dünnen Werkstoffen zuverlässig gemessen werden.

Jeder der beiden Sensoren liefert ein lineares Ausgangssignal in Abhängigkeit vom Abstand der Sensorstirnseite zur Messobjektoberfläche. Ist der Abstand der Sensoren bekannt, lässt sich die Dicke des Messobjektes einfach bestimmen. Werden die Messkanäle synchronisiert, ist die Messung auch gegen nicht geerdete Messobjekte möglich. Beispiele für leitende Messobjekte sind Metalle, Graphit, Silizium, CFK, Wasser

Zahlreiche Applikationen – auch in sicherheitskritischen Bereichen

Kapazitive Sensoren von Micro-Epsilon haben sich seit Jahrzehnten in unterschiedlichen Anwendungen bewährt. Dank der zuverlässigen Technologie werden sie auch in sicherheitskritischen Bereichen eingesetzt. Mit über 25 Standardsensoren mit den Messbereichen von 50 µm bis 10 mm lassen sich zahlreiche Anwendungsfelder abdecken.

Die Sensormodelle gibt es in zylindrischer Bauform sowohl mit Stecker als auch integriertem Kabel, als Flachsensor und in Leiterplattenbauform. Dabei kommen verschiedene Materialien und Fertigungstechnologien zum Einsatz.

Neben der Standard-Ausführung aus Edelstahl bzw. Invar sind auch Sensoren aus Titan erhältlich. Eine Besonderheit bieten die ECT-Sensoren. ECT steht für Embedded Capacitor Technology, bei der das Sensorelement in ein besonders stabiles Trägerelement eingebettet wird.

Diese ECT Sensoren bieten eine erhöhte Langzeit- und Temperaturstabilität und eigenen sich besonders für Tiefsttemperatur, UHV und Reinraum. Die Messelektrode im ECT-Sensor ist sehr flexibel in der geometrischen Gestaltung. Als Plattenelektrode kann sie kundenspezifisch in unterschiedlichen geometrischen Formen gebaut werden.

Häufige Fragen

Was messen kapazitive Sensoren?

Kapazitive Sensoren messen Änderungen in der Kapazität, die durch die Nähe oder Berührung eines Objekts mit einer elektrisch leitfähigen oder dielektrischen Oberfläche entstehen. Sie werden häufig verwendet, um die Anwesenheit oder Position eines Objekts zu erkennen, die Dicke oder Dichte von Materialien zu messen und Füllstände von Flüssigkeiten oder Schüttgütern zu überwachen. Diese Sensoren sind besonders effektiv in Anwendungen, die eine berührungslose Erkennung erfordern.

Was macht ein kapazitiver Sensor?

Ein kapazitiver Sensor erkennt die Anwesenheit oder Nähe von Objekten, indem er Änderungen in der elektrischen Kapazität misst. Dies geschieht durch die Erzeugung eines elektrischen Feldes und die Beobachtung, wie dieses Feld durch die Nähe von Materialien mit dielektrischen Eigenschaften (wie Metalle, Flüssigkeiten, Kunststoffe) beeinflusst wird. Der Sensor reagiert auf die Veränderung der Kapazität, die auftritt, wenn ein Objekt in das Feld eintritt oder sich darin bewegt.

Wo verwendet man kapazitive Sensoren?

Kapazitive Sensoren sind aufgrund ihrer Zuverlässigkeit, Langlebigkeit und Genauigkeit bei der berührungslosen Erkennung in vielen Industrien beliebt, insbesondere dort, wo berührungslose Erkennung und Messung erforderlich sind. Einige der häufigsten Einsatzbereiche umfassen:

• Industrielle Automatisierung zum Erkennen der Anwesenheit oder Position von Teilen auf Förderbändern, in Maschinen und Montageprozessen,
• Füllstandsmessung zur Überwachung von Flüssigkeits- und Feststofffüllständen in Tanks und Behältern,
• Touchscreens in Smartphones, Tablets und anderen interaktiven Geräten zur Erkennung von Berührungen und Gesten,
• Sicherheitssysteme zum Erkennen von unerlaubtem Zugang oder zur Überwachung von Zugangspunkten,
• Fahrzeuge zur Steuerung von Innenraumfunktionen wie Lichtschaltern oder Infotainment-Systemen.

Was ist der Unterschied zwischen induktiv und kapazitiv?

Induktive Sensoren basieren auf elektromagnetischen Prinzipien und sind spezialisiert auf die Erkennung von Metallen, während kapazitive Sensoren auf Änderungen in der elektrischen Kapazität basieren und eine breitere Palette von Materialien erkennen können. Der Hauptunterschied zwischen induktiven und kapazitiven Sensoren liegt in ihrer Funktionsweise und in der Art der Objekte, die sie erkennen können:

Induktive Sensoren

• Funktionsweise: Induktive Sensoren nutzen ein elektromagnetisches Feld, um Metalle zu erkennen. Sie erzeugen ein Wechselfeld um eine Spule. Tritt ein metallisches Objekt in dieses Feld ein, verändert es die Induktivität der Spule, was vom Sensor erkannt wird.
• Anwendung: hauptsächlich zum Erkennen von metallischen Objekten
• Eigenschaften: robust gegenüber Umwelteinflüssen wie Staub, Schmutz und Feuchtigkeit

Kapazitive Sensoren

• Funktionsweise: Kapazitive Sensoren nutzen die Änderung der elektrischen Kapazität, die auftritt, wenn sich ein Objekt, metallisch oder nichtmetallisch, dem Sensor nähert. Sie erzeugen ein elektrisches Feld zwischen ihrer aktiven Fläche und dem zu detektierenden Objekt.
• Anwendung: zum Erkennen einer Vielzahl von Materialien, einschließlich Metalle, Kunststoffe, Flüssigkeiten und sogar menschlicher Körper
• Eigenschaften: Sie können durch nichtmetallische Materialien hindurch messen und sind empfindlich gegenüber Materialien mit hohen dielektrischen Eigenschaften.

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