Capacitieve en piëzo-elektrische sensoren worden in verschillende industrieën op grote schaal gebruikt voor het meten van fysische hoeveelheden zoals druk, versnelling en verplaatsing. Het begrijpen van hun principes helpt bij het selecteren van de juiste sensor voor specifieke toepassingen en bij het uitvoeren van nauwkeurige berekeningen met betrekking tot hun werking.

Beginselen van capacitieve sensoren

De capacitieve sensoren werken op basis van veranderingen in capaciteit veroorzaakt door variaties in de afstand of diëlektrische eigenschappen tussen twee geleidende platen. Wanneer een fysieke hoeveelheid deze platen veroorzaakt om het diëlektrische materiaal te bewegen of te wijzigen, verandert de capaciteit dienovereenkomstig.

De capaciteit (C) wordt berekend met de formule:

C = ε A / d

waar ε de vergunning is van het diëlektrische materiaal, is A het oppervlak van de platen en d de afstand tussen beide.

Beginselen van de piezo-elektrische sensoren

Piëzo-elektrische sensoren genereren een elektrische lading bij mechanische belasting. Deze eigenschap is te wijten aan de kristalstructuur van piëzo-elektrische materialen, die een spanning evenredig met de uitgeoefende kracht of druk produceert.

De verhouding tussen de uitgeoefende kracht (F) en de gegenereerde spanning (V) kan worden uitgedrukt als:

V = d * F

Berekening Voorbeelden

Voorbeeld 1: Capacitieve sensor

Een capacitieve sensor heeft een oppervlakte van 10 cm2, een diëlektrische vergunning van 8,85 x 10-12 F/m, en de afstand tussen platen verandert van 1 mm naar 0,9 mm. Bereken de verandering in capaciteit.

Initiële capaciteit:

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

Eindcapaciteit:

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

Verandering in capaciteit: 9,83 x 10[-12 - 8,85 x 10-12 = 0,98 x 10-12 F

Voorbeeld 2: Piezo-elektrische sensor

Een piëzo-elektrische sensor produceert een spanning van 5 V wanneer een kracht van 10 N wordt toegepast. Zoek de spanning die wordt gegenereerd wanneer de kracht stijgt tot 15 N, uitgaande van lineair gedrag.

Gebruik makend van de relatie V = d * F, en aannemend dat d constant blijft:

V1 = d * 10 N = 5 V

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

Voor 15 N:

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