فرادرسسنسور خازنی — به زبان ساده
در آموزش‌های پیشین مجله فرادرس، با سنسورها و برخی از انواع آن‌ها از قبیل سنسور موقعیت، سنسور دما، سنسور نور، سنسور اثر هال، سنسور فشار و سنسور مجاورتی آشنا شدیم. در این آموزش، سنسور خازنی را معرفی می‌کنیم و با ساختار و عملکرد آن آشنا می‌شویم.
خازن چیست؟
خازن یکی از عناصر الکتریکی است که برای ذخیره انرژی استفاده می‌شود و از این رو در طراحی مدار به کار می‌رود. خازن‌ها الکترون‌ها را ذخیره می کنند. خازن کندانسور نیز نامیده می‌شود و در طیف وسیعی از مقادیر وجود دارند. یک خازن دارای دو پایانه است و به عنوان یک عنصر پسیو عمل می‌کند.
این قطعه از دو صفحه ساخته شده که جنس آن‌ها هادی و ماده بینشان دی الکتریک است که بین صفحات قرار می‌گیرد. یک پایانه خازن بار مثبت را ذخیره می‌کند و بار منفی در پایانه دیگر ذخیره می‌شود. خازن با گرفتن انرژی الکتریکی به شروع به شارژ می‌کند و هنگام قطع انرژی، تخلیه می‌شود. این بدین معناست که وقتی خازن جریان را ذخیره می‌کند، در حال شارژ شدن است و هنگام تخلیه جریان، خازن شروع به تخلیه می‌کند. جریان الکتریکی ذخیره شده در خازن با واحد فاراد بیان می‌شود.
ترنسدیوسر خازنی
ترنسدیوسر خازنی برای اندازه‌گیری جابه‌جایی، فشار و بسیاری از مقادیر فیزیکی دیگر استفاده می‌شود. ترنسدیوسر خازنی به صورت پسیو عمل می‌کند، بنابراین به منبع تغذیه خارجی احتیاج ندارد. همان‌طور که در بالا گفته شد، یک ترنسدیوسر خازنی دارای دو صفحه موازی با یک ماده حایل دی‌الکتریک بین صفحات است. دی‌الکتریک می‌تواند هوا، گاز یا مایع باشد. از بار الکتریکی خازن برای تبدیل جابه‌جایی مکانیکی به سیگنال الکتریکی استفاده می‌شود.
اصول عملکرد ترنسدیوسر خازنی
وقتی خازن شارژ شده است، هیچ یک از صفحات دیگر شارژ نمی‌شوند. این منجر به صفر شدن شدت میدان الکتریکی بین دو صفحه می‌شود. بار الکتریکی ذخیره شده در خازن به صورت زیر است:
$$ \large Q = C V $$
که در آن، $$C $$ ثابت تناسب است و به عنوان ظرفیت خازن شناخته می‌شود. مقدار $$ C $$ به اندازه صفحه و ماده دی‌الکتریک که بین صفحات قرار گرفته بستگی دارد. مقدار $$ C $$ به مساحت سطح صفحه، فاصله بین دو صفحه و گذردهی ماده بین آن‌ها بستگی دارد. مقدار خازن در ترنسدیوسرهای خازنی متغیر است. ترنسدیوسر خازنی عمدتاً برای اندازه‌گیری جابه‌جایی خطی استفاده می‌شود و از سه اثر زیر استفاده می‌کند:
- تغییر ظرفیت خازن ترنسدیوسر به دلیل تغییر سطح صفحات خازن ($$A$$).
- تغییر در ظرفیت به دلیل تغییر فاصله بین صفحات ($$d$$).
- تغییر ظرفیت خازن به دلیل ثابت دی‌الکتریک ($$\epsilon$$).
ظرفیت خازن برابر با نسبت مقدار انرژی ذخیره شده در یکی از صفحات به سطح ولتاژ در خازن است. ظرفیت به طور مستقیم با مساحت صفحه متناسب است و رابطه معکوس با فاصله آن‌ها دارد:
$$ \large C = \frac { \epsilon A } { d } $$
که در آن، $$\epsilon$$ ثابت تناسب بوده و گذردهی ماده بین صفحات خازن است.
وقتی از ماده عایق استفاده شود، ظرفیت به صورت زیر خواهد بود:
$$ \large C = \frac { \epsilon _ 0 \epsilon _ r A } { d } $$
که در آن، $$\epsilon _ 0 $$ گذردهی فضای آزاد ($$8.85\times10^{-12}\; \text{F/m}$$)، $$\epsilon _ r $$ ثابت دی‌الکتریک ماده بین صفحات (برای هوا $$ \epsilon _ r = 1 $$)، $$ A $$ مساحت صفحه برحسب متر مربع و $$ d $$ فاصله بین دو صفحه برحسب متر است.
اندازه‌گیری جابه‌جایی با سنسور خازنی
از روش‌های مختلفی می‌توان برای اندازه‌گیری جابه‌جایی با استفاده از ترنسدیوسر خازنی استفاده کرد که در ادامه آن‌ها را معرفی می‌کنیم.
ترنسدیوسر با استفاده از تغییر مساحت
ظرفیت به طور مستقیم با مساحت صفحه متناسب است. همچنبن، ظرفیت با توجه به موقعیت صفحات تغییر می‌کند. از ترنسدیوسرهای خازنی برای اندازه‌گیری حدود 1 میلی‌متر تا چند سانتی‌متر برای جابه‌جایی‌های بزرگ استفاده می‌شود. ظرفیت و جابه‌جایی ترنسدیوسر خازنی با هم مرتبط هستند. در ابتدا به دلیل وجود لبه‌ها، غیرخطی بودن در این طرح اتفاق می‌افتد. در غیر این صورت، پاسخ خطی خواهد بود.
ظرفیت صفحات موازی به صورت زیر است:
$$ \large C = \frac { \epsilon A } {d } = \frac {\epsilon x w } { d } $$
که در آن، $$ x $$ طول صفحات خازن و $$ w $$ عرض آن‌ها است.
حساسیت جابه‌جایی ثابت است و به همین دلیل رابطه خطی بین خازن و جابه‌جایی ایجاد می‌کند.
$$ \large S = \frac { \partial c } { \partial x } = \epsilon \frac { w } { d } \;\; [\mathrm {F/m}] $$
ترنسدیوسر خازنی برای اندازه‌گیری جابه‌جایی زاویه‌ای:
هنگامی که صفحات کاملاً با هم همپوشانی دارند، ظرفیت حداکثر خواهد بود. حداکثر جابه‌جایی ۱۸۰ درجه است که توسط یک خازن قابل تولید است. حرکت زاویه‌ای ظرفیت ترنسدیوسرها را تغییر می‌دهد. حداکثر مقدار ظرفیت به صورت زیر بیان می‌شود:
$$ \large C _ {max} = \frac {\epsilon A} {d} = \frac { \pi \epsilon r ^ 2 } {2 d } $$
ظرفیت خازن در زاویه $$\theta$$ به صورت زیر بیان می‌شود:
$$ \large C = \frac { \epsilon \theta r ^ 2 } { 2 d } $$
که در آن، $$ \theta $$ جابه‌جایی زاویه‌ای برحسب رادیان است.
ترنسدیوسر با استفاده از تغییر فاصله بین صفحات
ظرفیت ترنسدیوسر متناسب با معکوس فاصله صفحات است. یک صفحه ترنسدیوسر ثابت است و صفحه دیگر متحرک. فاصله‌ای که باید اندازه‌گیری شود به وسیله صفحه متحرک انجام می‌شود. با توجه به اینکه پاسخ خازن غیرخطی است، ظرفیت آن به صورت معکوس با جابه‌جایی متناسب است. این نوع ترنسدیوسر برای اندازه‌گیری جابه‌جایی‌های کوچک استفاده می‌شود. ظرفیت به صورت زیر است:
$$ \large C = \frac { \pi \epsilon r ^ 2 } { d } $$
کاربردهای سنسورهای خازنی
در این بخش، چند مورد از کاربردهای سنسور خازنی رطوبت را معرفی می‌کنیم.
سنسور خازنی رطوبت
سنسور رطوبت (یا رطوبت‌سنج)، دمای رطوبت و هوا را اندازه‌گیری و ثبت می‌کند. نسبت رطوبت موجود در هوا در یک دمای خاص به بیشترین میزان رطوبت، رطوبت نسبی گفته می‌شود و یک متغیر مهم است. با قرار دادن نوار نازک اکسید فلزی بین دو الکترود، یک سنسور خازنی میزان رطوبت نسبی را اندازه‌گیری می‌کند. این سنسور خازنی خطی است و قادر به اندازه‌گیری رطوبت نسبی از ۰ تا ۱۰۰ درصد هستند.
از آنجا که رطوبت موجود در جو باعث تغییر میزان نفوذپذیری آن می‌شود، یک سنسور رطوبت نسبی خازنی ساده از یک خازن پر از هوا ساخته می‌شود. با این حال، هوا به عنوان یک دی‌الکتریک برای کاربردهای عملی قابل استفاده نیست. بنابراین، فضای بین صفحات خازن به طور کلی با یک ماده دی‌الکتریک (ایزوله کننده) مناسب پر می‌شود که ثابت دی‌الکتریک آن هنگام تغییر رطوبت متفاوت است. استفاده از یک فیلم پلیمری Hygroscopic به عنوان دی‌الکتریک و رسوب دو لایه الکترود از هر طرف رویکرد متداولی در ساخت یک سنسور خازنی رطوبت است.
سنسور خازنی جابه‌جایی
سنسورهای خازنی جابه‌جایی به عنوان یک سیستم مرجع برای سایر سنسورهای فاصله و به منظور اندازه‌گیری فاصله در دمای پایین استفاده می‌شوند. سایر کاربردهای معمولی آن‌ها عبارتند از: تست تلرانس تولید انبوه، اندازه‌گیری ارتعاش، اندازه‌گیری کرنش، اندازه‌گیری ضخامت و کنترل ضخامت فویل‌های فلزی نازک، اندازه‌گیری ضخامت فویل‌های پلاستیکی در حین ساخت، خم شدن ویفرها در ساخت نیمه‌هادی‌ها و موارد دیگر.
سنجش دیسک ترمز
دیسک‌های ترمز خودرو در معرض بارهای بسیار سنگین کوتاه مدت قرار دارند. سایش مکانیکی و رشد گرمای شدید روی دیسک ترمز تأثیر بسزایی در ریزساختار دیسک ترمز دارد. مواد مورد استفاده باید بتوانند در برابر این تغییرات تا زمانی که ممکن است مقاومت کنند، بدون اینکه ریزساختار آن تغییر کند. هنگام زیر بار رفتن، ترک‌های ریز منجر به خرابی می‌شود و خودرو را به خطر می‌اندازد. از سنسور خازنی برای اندازه‌گیری تغییر شکل دیسک ترمز استفاده می‌شود. سنسورهای بسیار کمی به دلیل افزایش زیاد دما برای اندازه‌گیری مناسب هستند. ترنسدیوسر خازنی تغییرات در محدوده‌های نانومتر را تشخیص داده و سایش ترمز را ارزیابی می‌کند.
اندازه‌گیری دینامیکی در توربین‌ها یا موتورها
نیروهای گریز از مرکز اعمال شده روی پره‌های توربین منجر به گسترش و بزرگ‌تر شدن پره‌ها می‌شود. ضروری است که هیچ‌گونه عدم تعادل در طراحی و ساخت پره‌های توربین که موجب عدم تعادل سیستم می‌شود، ایجاد نشود. ترنسدیوسرهای خازنی تغییرات دامنه مانومتر را تشخیص می‌دهند.
اندازه‌گیری ضخامت
یک کاربرد رایج برای آشکارسازهای خازنی اندازه‌گیری ضخامت مواد به روشی غیرتماسی است. یک سیستم دیفرانسیل دو کاناله از مواردی است که در آن از یک سنسور مجزا برای هر سمت قطعه استفاده می‌شود. از فناوری سنسور خازنی برای اندازه‌گیری ضخامت در این کاربردها استفاده می‌شود: ضخامت ویفر سیلیکون، ضخامت روتور ترمز و ضخامت دیسک.
مزایا و معایب سنسورهای خازنی
برخی از مزایا و معایب سنسور خازنی در ادامه شرح بیان شده است.
مزایای سنسور خازنی
- برای عملکرد، به نیروی خارجی احتیاج دارد و بنابراین برای دستگاه‌های ریز بسیار مفید است.
- ترنسدیوسر خازنی بسیار ظریف است.
- ترنسدیوسر از مقاومت بالایی در ورودی برخوردار است و بنابراین اثر بارگیری کمی دارد.
- سنسور خازنی به توان خروجی بسیار کمی نیاز دارد.
معایب سنسور خازنی
- اجزای فلزی سنسورجداسازی شده‌اند.
- قاب کندانسور برای کاهش تأثیر میدان مغناطیسی سرگردان نیاز به زمین شدن دارد.
- ترنسدیوسر گاهی به دلیل اثر لبه تنظیم شده با استفاده از حلقه محافظ، رفتارهای غیرخطی را به نمایش می‌گذارد.
