Kapazitiver Sensor

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Kapazitive Sensoren arbeiten auf Basis der Veränderung der Kapazität eines einzelnen Kondensators oder eines ganzen Kondensatorsystemes. Die Beeinflussung der Kapazität kann dabei auf verschiedene Arten erfolgen, die sich meist bereits durch den Verwendungszweck ergeben.

Skizze des Grundprinzips eines kapazitiven Sensors

Grundprinzipien[Bearbeiten]

Kapazitive Sensoren basieren darauf, dass zwei Elektroden (eine davon kann die zu messende Oberfläche sein) die „Platten“ eines elektrischen Kondensators bilden, dessen Kapazität oder Kapazitätsänderung gemessen wird, die folgendermaßen beeinflusst werden kann:

  • Eine Platte wird durch den zu messenden Effekt verschoben oder verformt, wodurch sich der Plattenabstand und damit die elektrisch messbare Kapazität ändern.
  • Die Platten sind starr und die Kapazität ändert sich, weil entweder elektrisch leitendes Material oder ein Dielektrikum in die unmittelbare Umgebung gebracht wird.
  • Die wirksame Plattenfläche ändert sich, indem die Platten wie bei einem Drehkondensator gegeneinander verschoben werden.

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[Bearbeiten]

Kapazitiver Sensor, der in der Industrie Verwendung findet

Drucksensor[Bearbeiten]

Beim kapazitiven Drucksensor wird die Kapazitätsänderung infolge des Durchbiegens einer Membran und der resultierenden Änderung des Plattenabstandes als Sensoreffekt ausgewertet. Die Membran wird hierbei wie beim Kondensatormikrofon als Kondensatorplatte ausgebildet. Die Kapazitätsänderungen sind ziemlich klein, so dass eine geeignete Verarbeitungselektronik mit hoher Empfindlichkeit integriert sein muss.

Als Differenzdrucksensor erfasst der Sensor über einen Differenzialkondensator den Druckunterschied zweier Gase oder Flüssigkeiten.

Abstandssensor[Bearbeiten]

Der kapazitive Abstandssensor und die (bewegliche) Gegenfläche bilden einen elektrischen Kondensator, deren Abstand die Kapazität bestimmt. Aufgrund der stark nichtlinearen Abhängigkeit ist das Verfahren nur für Abstände geeignet, die klein gegenüber dem Sensordurchmesser sind. Angewendet wird das Prinzip zur Abstands- und Dickenmessung, bei Näherungsschaltern, für Spaltsensoren sowie zur Positionierung mit hoher Auflösung bis in den Nanometerbereich,[1] zum Beispiel bei Rastertunnelmikroskopen. Zur Abstandsmessung wird die Kennlinie analog oder digital linearisiert.

Näherungsschalter[Bearbeiten]

Die Funktion des kapazitiven Näherungsschalters beruht auf der Änderung des elektrischen Feldes in der Umgebung vor seiner Sensorelektrode (aktive Zone). Der Sensor arbeitet mit einer RC-Oszillatorschaltung. Es wird die Kapazität zwischen der aktiven Elektrode und dem elektrischen Erdpotential gemessen. Durch die Annäherung eines metallischen oder nicht metallischen Stoffes an die aktive Zone des Sensors vergrößert sich die Kapazität und beeinflusst so die Schwingungsamplitude des RC-Oszillators. Diese Änderung bewirkt, dass eine nachgeschaltete Triggerstufe "kippt" und ihren Ausgangszustand ändert. Die Empfindlichkeit des Sensors kann mit einem Potentiometer eingestellt werden, zum Beispiel zum Einstellen des gewünschten Schaltabstandes. Der Schaltabstand eines kapazitiven Sensors kann sehr stark variieren und ist von der Permittivitätskonstante (siehe Permittivität), dem Sensordurchmesser, dem Material und der Masse des angenäherten Körpers und weiterhin von der Einbaulage des Sensors abhängig.

Spaltsensor[Bearbeiten]

  • 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.
  • In supraleitenden Gravimetern wird die Höhenänderung einer Niobkugel über einem Ringmagneten kapazitiv gemessen.

Beschleunigungssensor[Bearbeiten]

Ein kapazitiver Beschleunigungssensor besteht im Prinzip aus zwei nebeneinander liegenden Plattenkondensatoren, die eine gemeinsame mittlere Platte verwenden. (Dieser Aufbau wird als Differenzialkondensator 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 Kapazitätsverhältnis der beiden Kondensatoren ändert sich. Bei dem bei Beschleunigungssensoren verwendeten Differenzialkondensator ist der Zusammenhang zwischen Auslenkung und Kapazitätsänderung bedingt durch die übliche hyperbelförmige Kapazitätsänderung nicht linear. In einem kleinen Auslenkungsbereich kann jedoch von einem einigermaßen linearen Verlauf ausgegangen werden.[2]

Wegsensor[Bearbeiten]

Kapazitive Wegsensoren für größere Wege 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 Wechselspannungs-Messbrücke, die um einen Kondensator ergänzt wird, oder mit einem LC-Schwingkreis gemessen werden.

Winkelsensor[Bearbeiten]

Kreissegmente drehen sich relativ zueinander ähnlich einem Drehkondensator.

Feuchtigkeitsmesser[Bearbeiten]

Ein Sensor zur Messung der Bodenfeuchte besteht zum Beispiel aus einem Kunststoffrohr, welches innen im Abstand von etwa 10 cm mit zwei breiten Metallfolien bedeckt ist, deren gegenseitige Kapazität gemessen wird. Diese wird sehr stark von der Dielektrizitätszahl εr der Umgebung beeinflusst, insbesondere vom Wassergehalt. Ursache ist dessen sehr große Dielektrizitätszahl εr: Trockene Erde hat εr ≈ 3,9, Wasser dagegen den erheblich höheren Wert εr = 80. Durch Messung der Kapazität lässt sich der Feuchtigkeitsgehalt der Erde sehr genau bestimmen. Um hohe Genauigkeit zu erreichen soll der Sensor zuvor am Boden (idealerweise vor Ort) kalibriert werden.[3] Ohne Kalibrierung kann die Bodenfeuchte durch Messung der Kapazität nur grob ermittelt werden, weil die Kapazität auch sehr stark von Bodenzusammensetzung (z.B. Bodentyp, Salzgehalt, usw.) abhängig ist. Die Kalibrierung soll danach regelmäßig durchgeführt werden, weil Bodeneigenschaften sich mit der Zeit verändern können (z.B. Salzgehalt ist von Sauerregen beeinflusst). Für Landwirtschaft kann 1 Kalibrierung pro Jahr ausreichen. Um hohe Messgenauigkeit ohne aufwändige Kalibrierung zu erreichen kann man die Impedanzspektroskopie-Verfahren mit spezieller Signalverarbeitung einsetzen.[3]
Kapazitive Hygrometer nutzen ein Dielektrikum, welches das Wasser aus der Luftfeuchte absorbiert und deren Wassergehalt gut mit der relativen Luftfeuchte korreliert und möglichst wenig - oder definiert - von der Temperatur abhängt.

Messverfahren[Bearbeiten]

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 Resonanzfrequenz gemessen werden kann – üblicherweise als Frequenzverschiebung bei dynamischen Vorgängen. Ringoszillatoren lassen sich ebenfalls sehr einfach frequenzmodulieren.

Quellen[Bearbeiten]

  1. Firmenschriften der Firma Physik Instrumente GmbH & Co. KG zur Nanopositionierung
  2. Beschleunigungssensorsystem (PDF; 7,9 MB)
  3. a b Andrey Tetyuev: Bodenartunabhängige Bodenfeuchtemessung mittels Impedanzspektroskopie, München 2009, ISBN 978-3-86853-206-7

Siehe auch[Bearbeiten]