Kapazitiver Sensor

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

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. 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 Differentialkondensator 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

Ein kapazitiver Näherungsschalter ist ein Sensor, der berührungsfrei auf Annäherung eines leitenden oder nicht leitenden Gegenstandes - auch Flüssigkeiten, d. h. ohne direkten Kontakt reagiert.

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 Differentialkondensator 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 Differentialkondensator 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 gemmessen 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 Resonanzfrequenzgemessen werden kann - üblicherweise als Frequenzverschiebung bei dynamsichen Vorgängen.

Quelle: Wikipedia

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