Kapazitiver NPN-Näherungssensor

Eine der häufigsten Anwendungen kapazitiver Sensoren ist die präzise Positionierung. Mit kapazitiven Wegsensoren lässt sich die Position von Objekten im Nanometerbereich messen. Diese präzise Positionierung wird in der Halbleiterindustrie eingesetzt, wo Siliziumchips für die Belichtung positioniert werden müssen. Kapazitive Sensoren werden auch zur Vorfokussierung durch Elektronenmikroskope bei der Chipprüfung und -inspektion eingesetzt.

2. Festplattenindustrie

In der Festplattenlaufwerksindustrie werden kapazitive Wegsensoren verwendet, um den Spindelrundlauf von Festplattenlaufwerken zu messen (um den Grad zu messen, in dem die Drehachse von einer idealen festen Linie abweicht). Durch die genaue Messung des Rundlauffehlers der Spindel können Hersteller von Festplattenlaufwerken die maximale Datenschreibkapazität des Laufwerks bestimmen. Kapazitive PNP-NPN-Näherungssensoren werden auch verwendet, um sicherzustellen, dass die Laufwerksscheibe senkrecht zur Spindel steht, bevor Daten auf die Laufwerksscheibe geschrieben werden.

3. Präzise Dickenmessung

Für eine sehr genaue Dickenmessung können kapazitive Wegsensoren eingesetzt werden. Kapazitive Wegsensoren funktionieren durch die Messung von Positionsänderungen. Wenn zuerst die Position eines Referenzobjekts mit bekannter Dicke gemessen wird und dann andere Objekte gemessen werden, kann die Positionsdifferenz zur Bestimmung der Dicke dieser Objekte verwendet werden.

Damit eine einzelne Messung effektiv ist, muss das oben-genannte Objekt vollständig flach sein und auf einer vollständig ebenen Oberfläche gemessen werden. Wenn das Messobjekt eine Biegung oder Verformung aufweist oder nicht fest auf einer ebenen Fläche aufliegt, wird der Abstand zwischen dem Messobjekt und der Oberfläche, auf der es platziert wird, als Fehler in die Dickenmessung einbezogen. Dieser Fehler kann durch die Messung eines einzelnen Objekts mit zwei kapazitiven Sensoren behoben werden. Kapazitive PNP NPN-Näherungssensoren werden auf beiden Seiten des zu messenden Teils angebracht. Durch die Messung von beiden Seiten und die Berücksichtigung von Biegung und Verformung während der Messung kann deren Einfluss auf die Dickenwerte eliminiert werden.

4. Werkzeugmaschinenvermessung

Kapazitive Wegsensoren werden häufig in messtechnischen Anwendungen eingesetzt. In vielen Fällen werden Sensoren eingesetzt, um „Formfehler von Teilen in der Produktion zu messen“. Gleichzeitig können auch Fehler in der Ausrüstung zur Herstellung von Teilen gemessen werden, eine Praxis, die als Werkzeugmaschinenmesstechnik bezeichnet wird. In vielen Fällen werden Sensoren zur Analyse und Optimierung der Drehung verschiedener Werkzeugmaschinenspindeln eingesetzt, beispielsweise von Flachschleifmaschinen, Drehmaschinen, Fräsmaschinen und luftgelagerten Spindeln. Durch die Messung des Fehlers der Werkzeugmaschine selbst und nicht nur durch Messung des Fehlers des Endprodukts können einige Probleme bereits in den frühen Phasen des Herstellungsprozesses gelöst werden.

5. Fließbandtests

Kapazitive Wegsensoren werden häufig für die Prüfung am Fließband eingesetzt. Manchmal wird dieser Sensor verwendet, um die Gleichmäßigkeit, Dicke oder andere Designmerkmale montierter Teile zu testen. Manchmal wird es nur verwendet, um das Vorhandensein einer bestimmten Komponente, beispielsweise Klebstoff, festzustellen. Der Einsatz eines kapazitiven PNP NPN-Näherungssensors zum Testen von Montagelinienteilen trägt dazu bei, Qualitätsprobleme während des Produktionsprozesses zu vermeiden.

Welche technischen Parameter des kapazitiven PNP-NPN-Näherungssensors beeinflussen den Erfassungsabstand?

I. Kernsensorparameter
1. Nennschaltabstand (Sn)
Dies ist der nominale maximale Erfassungsabstand des Sensors unter Standardbedingungen (z. B. das erfasste Objekt ist ein bestimmtes Material, die Umgebungstemperatur beträgt 25 Grad und es liegen keine Störungen vor). Es ist der grundlegende Parameter, der den tatsächlichen Schaltabstand beeinflusst.
Beispielsweise wird ein Sensor mit einem Nennschaltabstand von 10 mm diesen Wert normalerweise nicht überschreiten (es sei denn, er wird mit dem Einstellknopf feinabgestimmt, dieser Bereich ist jedoch begrenzt).

2. Erfassen von Oberflächengröße und -form
Der Durchmesser der Sensoroberfläche eines zylindrischen Sensors wirkt sich direkt auf seine Fähigkeit aus, kleine Objekte zu erkennen: Ein größerer Durchmesser bedeutet, dass der Erfassungsabstand für kleine Objekte (z. B. eine Kunststoffsäule mit 5 mm Durchmesser) näher am Nennwert liegt; Ein kleinerer Durchmesser bedeutet, dass der tatsächliche Schaltabstand für kleine Objekte erheblich verringert ist (möglicherweise nur 50 % des Nennwerts).

Die Ebenheit der Erfassungsfläche (z. B. ob Vorsprünge oder Beschichtungen vorhanden sind) beeinflusst auch die Kapazitätsfeldverteilung und verändert indirekt den Erfassungsabstand.

3. Empfindlichkeitseinstellung
Einige Sensoren verfügen über einen Empfindlichkeitsknopf (oder können über die Schaltung angepasst werden), der den Erfassungsabstand direkt ändert:
Mit zunehmender Empfindlichkeit erhöht sich der Erkennungsabstand (kann jedoch das Risiko einer Fehlauslösung erhöhen, z. B. aufgrund von Umgebungsfeuchtigkeit oder Staub);
Durch Verringern der Empfindlichkeit verkürzt sich der Erkennungsabstand (geeignet zur Reduzierung von Interferenzen, kann aber dazu führen, dass etwas weiter entfernte Objekte übersehen werden).

II. Parameter im Zusammenhang mit dem Erkennungsobjekt
1. Dielektrizitätskonstante (ε) des Zielobjekts
Kapazitiver PNP-NPN-Näherungssensorfunktionieren durch die Erfassung der Kapazitätsänderung zwischen dem Objekt und dem Sensor, und der Kapazitätswert korreliert positiv mit der Dielektrizitätskonstante des Objekts.
Je höher die Dielektrizitätskonstante (z. B. ε≈80 für Flüssigkeiten und Wasser), desto näher liegt der Erfassungsabstand am Nennwert. Je niedriger die Dielektrizitätskonstante ist (z. B. ε≈1 für Luft und ε≈2-5 für Kunststoff), desto deutlich kürzer ist der tatsächliche Erfassungsabstand (möglicherweise nur 30–70 % des Nennwerts).
Obwohl Metallgegenstände eine hohe Dielektrizitätskonstante haben, beeinflusst ihre Leitfähigkeit die Verteilung des elektrischen Feldes. Daher kann der Erkennungsabstand einiger Sensoren für Metalle etwas geringer sein als für Nicht--Metalle (Einzelheiten finden Sie im Handbuch).

2. Größe und Oberfläche des Zielobjekts
Wenn die Oberfläche des Objekts größer oder gleich der Erfassungsfläche des Sensors ist, liegt der Erfassungsabstand nahe am Nennwert. Bei kleineren Oberflächenbereichen (z. B. dünnen Drähten oder kleinen Partikeln) nimmt die Erkennungsentfernung mit abnehmender Fläche ab (eine Halbierung der Fläche kann die Entfernung um 30–50 % verringern).
Auch die Objektdicke hat einen Einfluss: Sehr dünne Objekte (z. B. dünne Filme) können aufgrund geringfügiger Kapazitätsänderungen zu einer Verringerung des Erkennungsabstands führen.

III. Parameter der Umweltanpassungsfähigkeit
1. Temperaturbereich
DerKapazitiver PNP-NPN-NäherungssensorIm Handbuch wird die Betriebstemperatur angegeben (z. B. -25 Grad bis 70 Grad). Temperaturänderungen können die Parameterstabilität interner Kondensatorelemente (z. B. Keramik- und Folienkondensatoren) beeinflussen:
Hohe Temperaturen können zu einer Kapazitätsdrift führen und die Erkennungsreichweite verringern;
Niedrige Temperaturen können die Reaktion des Schaltkreises verlangsamen, wodurch sich der Erkennungsabstand leicht erhöht, die Stabilität jedoch abnimmt.
Einige hochpräzise Sensoren geben einen „Temperatureffektkoeffizienten“ (z. B. ±0,1 % Sn/Grad) an, um den Einfluss der Temperatur auf die Entfernung zu quantifizieren.

2. Schutzart (IP-Bewertung)
Die Schutzart (z. B. IP67, IP68) beeinflusst die Stabilität des Sensors in feuchter und staubiger Umgebung:
Sensoren mit niedrigem-IP--Schutzgrad sind anfällig für Kondensation auf der Sensoroberfläche bei hoher Luftfeuchtigkeit, was dem Hinzufügen eines Objekts mit einer hohen Dielektrizitätskonstante gleichkommt und möglicherweise zu einer abnormalen Vergrößerung des Erkennungsabstands führt (Fehlauslösung).
Staubanhaftung verändert die Kapazität der Sensorfläche und führt zu einer Entfernungsdrift (normalerweise einer Verkürzung).

3. Störfestigkeit
Die Fähigkeit des Sensors, elektromagnetische Störungen (EMI) und Hochfrequenzstörungen (RFI) zu unterdrücken (z. B. die für die CE-Zertifizierung erforderliche Störfestigkeitsbewertung), kann die Erkennungsstabilität beeinträchtigen:
Bei geringer Störfestigkeit kann es beim Betrieb in der Nähe von Motoren oder Wechselrichtern zu Störungen des elektrischen Feldes und damit zu Schwankungen des Erfassungsabstands (Instabilität) kommen.

IV. Schaltungsausgangs- und Stromversorgungsparameter
1. Versorgungsspannungsbereich
Die meisten Sensoren benötigen eine Gleichstromversorgung (z. B. 12–24 V Gleichstrom). Spannungsschwankungen können die Stabilität des internen Oszillatorkreises beeinträchtigen:
Unterspannung: Das Schwingungssignal wird schwächer und die Erkennungsentfernung verkürzt sich.
Überspannung: Dies kann zu einer Überlastung des Schaltkreises führen, was zu einem abnormalen Erkennungsabstand oder einer Beschädigung des Sensors führen kann.

2. Reaktionszeit
Während die Reaktionszeit (z. B. weniger als oder gleich 1 ms) die Erkennungsentfernung nicht direkt bestimmt, kann sie sich auf die Erkennung von sich schnell bewegenden Objekten auswirken.
Wenn sich ein Objekt schneller als die Reaktionszeit bewegt, kann es passieren, dass es den Erfassungsbereich passiert, bevor der Sensor auslöst, wodurch der „tatsächliche effektive Abstand“ fälschlicherweise als kürzer erkannt wird.