kapazitiver Sensor

Kapazitiver Sensor: Anwesenheitsprüfungen und Abstandsmessungen im sehr kleinen Bereich

Ein kapazitiver Sensor ist ideal dafür geeignet, um Anwesenheitsprüfungen und Abstandsmessungen in einem sehr kleinen Bereich durchzuführen. Die Werte können bis in den Nanometer genau bestimmt werden. Die Sensoren eignen sich deshalb für breite Anwendungsgebiete. Sie kommen beispielsweise in Touchscreens von Smartphones, in Rastertunnelmikroskopen oder in Montageanlagen zum Einsatz.

Wie funktioniert ein kapazitiver Sensor?

Kapazitive Sensoren funktionieren nach dem Prinzip eines idealen Plattenkondensators. Eine Platte ist dabei der Sensor selbst. Die andere ist das gegenüberliegende Messobjekt. Zwischen beiden Platten entsteht ein elektrisches Feld. Durch einen Schutzring um den Aufbau wird dafür gesorgt, dass es sich um ein möglichst homogenes elektrisches Feld handelt. Gelangt ein Körper in das Feld, verändert sich der Abstand der beiden Platten. Dies lässt sich messen.

Das Messverfahren – wie misst ein kapazitiver Sensor?

Die beiden Platten als elektrisch leitende Körper speichern eine Ladungsmenge (Q). Das Verhältnis zwischen dieser Ladungsmenge und der elektrischen Spannung (U) wird als Kapazität (C) bezeichnet. C = Q/U.

Die Ladungsmenge ist in einem kapazitiven Sensor abhängig von der Größe (A) der Platten bzw. Elektroden sowie dem Material des Dielektrikums (der Raum zwischen den Platten, in dem das elektrische Feld bestehen bleibt). Der Kennbuchstabe e (“Dielektrizitätszahl”) bezeichnet dabei die Permittivität (“Durchlässigkeit für elektrische Felder”) des Dielektrikums. Die Spannung ist der Kehrwert des Abstands der beiden Platten (d) zueinander.

Ein kapazitiver Sensor rechnet folglich nach der folgenden Formel C = eA/d.

Als ideales Beispiel für ein Messverfahren: e für ein Vakuum hat den Wert “1” und eben diesen Umstand macht sich der Sensor zunutze. Jeder andere Stoff besitzt eine höhere Dielektrizitätszahl. Dringt also ein anderer Stoff in das elektrische Feld ein, steigt die Kapazität, wie die obige Formel zeigt. Der Sensor schlägt an. Als Beispiel: Kapazitive Sensoren dienen dazu, um die Abnutzung von Bremsscheiben zu messen. Diese verformen sich minimal durch Gebrauch. Die Scheibe wölbt sich in das elektrische Feld – die Kapazität steigt in der Folge an und der Sensor schlägt aus. (Luft besitzt einen e-Wert von 1,00059. Alle sonstigen Stoffe kommen immer noch auf eine höhere Dielektrizitätszahl.)

Bei einem Touchscreen funktioniert es ähnlich – jetzt kommt ein kapazitiver Drucksensor zum Einsatz, der als Impulsgeber fungiert. Durch den leichten Druck auf das Glas bewegt sich eine Membran in das Dielektrikum. Die Veränderung wird registriert und der hierfür vorgesehene Befehl wird gegeben, beispielsweise das Öffnen einer App.

Welche leitenden Materialien werden für kapazitive Sensoren verwendet?

Zum Einsatz kommen beispielsweise:

– Metalle

– Aceton

– Wasser

– Tinte

Generell sind leitende Medien dann geeignet, wenn ihre Leitfähigkeit > 20 µS/cm ist. µS steht dabei für den Widerstandswert Mikrosiemens.

Ein kapazitiver Sensor eignet sich deshalb beispielsweise auch zur Füllstandsüberwachung von Flüssigkeiten, pastösen Stoffen oder Schüttgütern. Unsere Modelle können dabei standardmäßig mit Temperaturen von -25 bis zu +70 Grad umgehen. Temperaturfeste Modelle mit einer Spannbreite von -200 bis zu +250 Grad können ebenfalls geordert werden. Die Sensoren lassen sich deshalb problemlos in Maschinen, Anlagen und Fahrzeuge einsetzen. Die Gehäuse der Sensoren sorgen dafür, dass diese gegen Verschmutzungen, Erschütterungen und Wasser (je nach Modell bis zu IP68 wasserdicht) unempfindlich sind.

Welche Werkstoffe/ Materialien erkennt ein kapazitiver Sensor?

Ein kapazitiver Sensor spricht in der Regel gut auf alle Werkstoffe/ Materialien an, deren elektrische Leitfähigkeit < 20 µS/cm entspricht. Zu beachten ist lediglich, dass e möglichst hoch sein sollte. Ist die Zahl zu klein, nähert sich dem Wert des Isoliermaterials im Dielektrikum zu stark an – entspricht schwierig wird die Unterscheidung. Als Beispiel: Alkohol hat einen e-Wert von 25 und lässt sich entsprechend gut erkennen. Dünnes Papier kommt auf 1,2 und ist entsprechend problematisch – entsprechend sind spezielle Sensoren für solche individuelle Anwendungen (für den Kunden direkt entwickelte Sensoren) geeignet.

Reihen- oder Parallelschaltung

Zwei- und Drei-Draht Annäherungsschalter mit Binärausgang können in Reihen- oder Parallelschaltung ähnlich wie mechanische Kontakte betrieben werden. Zu beachten ist der gerätetypische Spannungsabfall, die Restspannung Ud , die sich bei Reihenschaltung entsprechend der Gerätezahl multipliziert. Bei Parallelschaltung von Sensoren mit Thyristorausgang übernimmt der zuerst geschaltete Ausgang den Gesamtlaststrom.

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