Kapacitiva och piezoelektriska sensorer används i stor utsträckning i olika branscher för att mäta fysiska mängder som tryck, acceleration och förskjutning. Förstå deras principer hjälper till att välja lämplig sensor för specifika tillämpningar och utföra exakta beräkningar relaterade till deras drift.
Principer för kapacitiva sensorer
Kapacitiva sensorer fungerar baserat på förändringar i kapacitans orsakade av variationer i avståndet eller dielektriska egenskaper mellan två ledande plattor. När en fysisk mängd orsakar dessa plattor att flytta eller ändra dielektriskt material, förändras kapacitansen i enlighet därmed.
Kapacitansen (C) beräknas med hjälp av formeln:
]C = ε A/D
där &epsilon är tillåtelsen för det dielektriska materialet, A är plattornas område, och d är avståndet mellan dem.
Principer för Piezoelectric Sensors
Piezoelektriska sensorer genererar en elektrisk laddning när de utsätts för mekanisk stress. Denna egenskap beror på den kristallstruktur av piezoelektriska material, vilket ger en spänning proportionell mot den tillämpade kraften eller trycket.
Förhållandet mellan den tillämpade kraften (F) och den genererade spänningen (V) kan uttryckas som:
]V = d * F[]
Beräkningsexempel
Exempel 1: Kapacitiv sensor
En kapacitiv sensor har ett område på 10 cm ]2 ], en dielektrisk tillåtelse på 8,85 x 10 ]-12]] F/m, och avståndet mellan plattor ändras från 1 mm till 0,9 mm. Beräkna förändringen i kapacitans.
Initial kapacitans:
]] initial[ = (8,85 x 10 ]]-12]) * 0.0001/0,001 = 8,85 x 10 ]]-12]
Slutlig kapacitans:
]]final[[ = (8,85 x 10 ]]-12[]])]) * 0.0001/0.0009 = 9,83 x 10 ]-12[]
Förändring i kapacitans: 9,83 x 10 -12 - 8,85 x 10 ]-12 ] = 0,98 x 10 -12
Exempel 2: Piezoelektrisk sensor
En piezoelektrisk sensor producerar en spänning på 5 V när en kraft på 10 N tillämpas. Hitta spänningen som genereras när kraften ökar till 15 N, förutsatt linjärt beteende.
Använda förhållandet V = d * F, och förutsatt att d förblir konstant:
V[]]1[]= d * 10 N=5 V
d = 5 V/10 N = 0,5 V/N
För 15 N:
V[]]2[] = 0,5 V/N* 15 N=7,5 V