Die Kapazität ist eine elektrische Grösse, die das Fassungsvermögen einer elektrischen Ladung in einer Leiteranordnung (z.B. Kondensator) beschreibt. Ein einfacher Kondensator sieht wie folgt aus.

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Die Kapazitätsänderung wird bei kapazitiven Sensoren als Messeffekt verwendet und ist von der Plattenfläche, des Abstands der Platten und des Permeabilitätswertes (Eigenschaft des Materials zwischen den Platten) abhängig. Diese drei Abhängigkeiten ermöglichen eine Vielzahl an Ausführungen von kapazitiven Sensoren. Eines seiner Hauptvorteile sind die Unempfindlichkeit gegenüber Temperaturschwankungen und die berührungslose Arbeitsweise (je nach Sensorbauform und Anwendung).

Die unten aufgeführten Konfigurationsmöglichkeiten bilden die Grundsteine für Sensoren wie etwa Näherungsschalter, Wegsensoren, Neigungssensoren oder Sensoren zur Materialanalyse.

	Bewegung relativ	Einzelkapazität	Differentialsystem
Änderung der Fläche	Linear
	Drehend
Änderung des Abstandes	Linear
	Drehend
Änderung der Permeabilität	Linear

Neigung/Beschleunigungssensoren:

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Die obige Abbildung zeigt das vereinfachte Bilde eines kapazitiven Beschleunigungs- oder Neigungssensors. Es arbeitet nach dem Prinzip der Änderung des Plattenabstandes. Die mittlere Platte ist beweglich gelagert und wird von einem Federsystem gehalten. Erfährt nun die mittlere Platte eine Beschleunigung (in deren beweglichen Richtung), so verändert sich auch der Plattenabstand. Dies hat eine Kapazitätsänderung zur Folge, die als Messwert für die Beschleunigung dient. Mit kapazitiven Beschleunigungssensoren können im Gegensatz zu den piezoelektrischen Beschleunigungssensoren auch statische Beschleunigungen gemessen werden.

Näherungsschalter:

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Wegsensoren:

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Das obige Bild zeigt das Prinzip eines zylindrischen kapazitiven Wegaufnehmers auf. Das Ausfahren des Zylinders hat eine Flächenänderung der internen Kapazität zur Folge. Mit diesem Prinzip können weit grössere Stellwege als mit einem berührungslosen Näherungsschalter gemessen werden.

Schaltungsarten

In der Mechatronik werden in den meisten Anwendungen kapazitive Sensoren mit einem Schaltkontakt verwendet (einfache Näherungsschalter). Dabei geht es darum herauszufinden ob ein Objekt vorhanden ist oder nicht. Dieser digitale Zustand wird am Sensorausgang in verschiedenen Formen zur Verfügung gestellt. Hier die gängigsten Ausgangsschaltungsarten:

Opencollector-Ausgang:

Beim Opencollector-Ausgang dient im Sensor ein Transistor als Schalter. Der Transistor schaltet nicht direkt die Last, das heisst, der Laststrom fliesst nicht durch den Transistor. Für die Erklärung ist zu beachten, dass das Ausgangssignal (zwischen den Klemmpunkten 1 und 2) invertiert zum Transistorsignal steht. Das Folgegerät wird an den Klemmanschlüssen 1 und 2 angeschlossen.

Ist der Transistor aktiviert, so ist der Klemmanschluss 1 mit 2 (Ground) verbunden. Somit beträgt das Ausgangspotential null Volt.

Ist der Transistor deaktiviert, steht im unbelasteten Fall die volle Ausgangsspannung am Klemmanschluss 1 an. Wird das Ausgangssignal von einem niederohmigen Verbraucher mit einem Strom i belastet, wird die Ausgangspannung um den Faktor (R x i) reduziert. Daher eignet sich diese Ausgangsschaltung nicht für grosse Lasten.

Transistor:

Beim Transistorausgang wird immer zwischen dem PNP- und dem NPN-Ausgangs unterschieden. Hier übernimmt der Transistor die Aufgabe eines Schaltkontaktes, das heisst, der Laststrom fliesst direkt durch den Transistor im Sensor.

NPN: Beim NPN-Ausgang schaltet der Transistor im aktiven Zustand die Last auf Ground und bewirkt so einen Stromfluss.

PNP: Beim PNP-Ausgang wird der Last die Ausgangsspannung zugeschaltet.

Schaltkontakt:

Es gibt Sensoren, die einen gewöhnlichen mechanischen Schaltkontakt haben. Dieser Schaltkontakt erreicht aber nicht so hohe Schaltfrequenzen wie ein Transistor.

Baugrösse [mm]:
Gibt die Baugrösse in mm an. Bei zylindrischen Sensoren mit Gewindegehäuse gibt es Grössen von M4 bis M30.

Einbauart:
Es wird grundsätzlich zwischen der "bündigen" und eine "nicht bündigen" Einbauart unterschieden. Bei der bündigen Einbauart ist die aktive Fläche des Sensors auf gleicher Ebene wie das Trägermaterial.

Bauform:
Gibt an ob der Sensor beispielsweise eine quaderförmige oder zylindrische Bauform hat.

Gehäusematerial:
Metallgehäuse oder Kunststoffgehäuse.

Schaltabstand [mm]:
Der Schaltabstand bezieht sich auf Näherungsschalter mit binärem Ausgang. Dieser Wert beträgt im Maximum ca. 25mm.

Temperaturdrift [%]:
Induktive Distanzsensoren haben einen Temperaturdrift, der am Ausgangssignal einen Drift von etwa +-5% ausmacht.

Ansprechzeit [ms]:
Die Ansprechzeit beträgt typischerweise wenige Millisekunden.

Schaltfrequenz [Hz]:
Die Schaltfrequenz steht im Zusammenhang mit der Ansprechzeit. Sie gibt an, in welchen zeitlichen Abständen 1/f der Messwert aktualisiert wird. Ist beispielsweise bei Abstandsmessungen von bewegten Objekten die Messfrequenz zu tief, so bestimmt diese letztlich die Auflösung des Messsystems Auflösung = vObjekt x 1/Messfrequenz (s = v x t).

Betriebsspannung [V]:
Bei den meisten Sensoren können Betriebsspannungen von 10 bis 30 Volt angeschlossen werden. Sensoren mit eingebautem Netzteil können mit 10 DC bis 220V AC betrieben werden.

Ausgangssignal [V], [A]:
Das Ausgangssignal kann je nach Sensortyp bis zur Speisespannung steigen. Es gibt auch Ausführungen mit einem Stromausgang von 4 bis 20mA.

Keine

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Quelle: www.balluf.com