Kapazitive und piezoelektrische Sensoren werden in verschiedenen Industriezweigen häufig zur Messung physikalischer Größen wie Druck, Beschleunigung und Weg verwendet.

Prinzipien kapazitiver Sensoren

Kapazitive Sensoren arbeiten auf der Grundlage von Kapazitätsänderungen, die durch Änderungen der dielektrischen Eigenschaften zwischen zwei leitfähigen Platten verursacht werden, wenn eine physikalische Größe bewirkt, dass diese Platten das dielektrische Material bewegen oder verändern, ändert sich die Kapazität entsprechend.

Die Kapazität (C) wird nach der Formel berechnet:

C = ε A / d

wobei ε die Permittivität des dielektrischen Materials ist, A die Fläche der Platten und d der Abstand zwischen ihnen ist.

Prinzipien der piezoelektrischen Sensoren

Piezoelektrische Sensoren erzeugen bei mechanischer Beanspruchung eine elektrische Ladung, die auf die Kristallstruktur piezoelektrischer Materialien zurückzuführen ist, die eine Spannung erzeugen, die proportional zur aufgebrachten Kraft oder zum aufgebrachten Druck ist.

Die Beziehung zwischen der aufgebrachten Kraft (F) und der erzeugten Spannung (V) kann wie folgt ausgedrückt werden:

V = d * F

Berechnungsbeispiele

Beispiel 1: kapazitiver Sensor

Ein kapazitiver Sensor hat eine Fläche von 10 cm2, eine dielektrische Permittivität von 8,85 x 10-12 F/m, und der Abstand zwischen den Platten ändert sich von 1 mm auf 0,9 mm. Berechnen Sie die Änderung der Kapazität.

Anfangskapazität:

Cinitial = (8,85 x 10-12 * 0,0001 / 0,001 = 8,85 x 10-12 F

Endkapazität:

Cfinal = (8,85 x 10-12 * 0,0001 / 0,0009 = 9,83 x 10-12 F

Kapazitätsänderung: 9.83 x 10-12 - 8.85 x 10-12 = 0.98 x 10-12 F

Beispiel 2: Piezoelektrischer Sensor

Ein piezoelektrischer Sensor erzeugt eine Spannung von 5 V, wenn eine Kraft von 10 N aufgebracht wird. Die erzeugte Spannung wird ermittelt, wenn die Kraft auf 15 N ansteigt, wobei ein lineares Verhalten angenommen wird.

Mit der Beziehung V = d * F, und angenommen, d bleibt konstant:

V1 = d * 10 N = 5 V

d = 5 V / 10 N = 0,5 V / N

Für 15 N:

V2 = 0,5 V/N * 15 N = 7,5 V