Kapazitive Näherungssensoren - dies sind elektronische Geräte, die das Vorhandensein oder die Annäherung eines Objekts ohne physischen Kontakt bestimmen. Sie werden in einer Vielzahl von Bereichen eingesetzt, von Touchscreens auf Smartphones bis hin zu automatischen Steuerungssystemen. Wenn Sie den Wunsch haben, Ihren eigenen kapazitiven Näherungssensor zu erstellen, können Sie dies selbst tun. In diesem Artikel werden wir Ihnen erklären, wie Sie dies tun können.
Sie benötigen ein paar Dinge, um Ihren kapazitiven Näherungssensor zu erstellen. Zuerst benötigen Sie einen Leiter, der aus einer Kupferfolie oder einem dünnen Kupferdraht hergestellt werden kann. Ein dielektrisches Material wie Plastikfolie wird ebenfalls benötigt. Und natürlich benötigen Sie eine Karte, um Ihren Sensor an einen Mikrocontroller anzuschließen.
Der Prozess zum Erstellen eines kapazitiven Näherungssensors beinhaltet die Erstellung eines Kondensators mit einem Leiter und einem Dielektrikum. Sie können den Leiter in Rasterform zusammenstellen oder ihn einfach als Schleife verwenden. Schließen Sie danach den Leiter an die Platine an und stellen Sie die erforderlichen Programmeinstellungen ein, um mit dem Sensor auf Ihrem Mikrocontroller zu arbeiten. Nach all diesen Schritten können Sie einen voll funktionsfähigen kapazitiven Näherungssensor mit Ihren eigenen Händen erstellen.
Lernen des Arbeitsprinzips
Kapazitive Näherungssensoren arbeiten auf der Grundlage einer Änderung der Kapazität eines elektrischen Stromkreises, wenn ein Objekt in der Nähe vorhanden ist. Sie werden verwendet, um das Vorhandensein oder Fehlen eines Objekts und dessen Nähe zum Sensor zu bestimmen. Das Funktionsprinzip solcher Sensoren beruht auf einer Änderung der Kondensatorkapazität, die sich an der Kontaktstelle der beiden elektrischen Platten bildet.
Standardmäßig haben die beiden Verkleidungen die gleiche Kapazität und die gleiche elektrische Ladung. Wenn sich ein Objekt in der Nähe befindet, beeinflusst es die Kapazität des Kondensators und verursacht eine Änderung des Ladevorgangs. Der Sensor erkennt diese Änderung und signalisiert, dass ein Objekt vorhanden ist. Sobald sich ein Objekt vom Sensor entfernt hat, nimmt seine Wirkung auf die Kapazität des Kondensators ab und der Sensor sendet ein Signal, dass das Objekt nicht vorhanden ist.
Die Herstellung eines solchen Näherungssensors erfordert grundlegende Komponenten, einschließlich Widerstände, Kondensatoren und Mikrocontroller. Die Montage und der Anschluss der Komponenten sowie die Konfiguration und Programmierung des Mikrocontrollers müssen durchgeführt werden, damit der Sensor ordnungsgemäß funktioniert.
Funktionsweise kapazitiver Näherungssensoren
Kapazitive Näherungssensoren verwenden das Prinzip des Löwenzahneffekts, um die Annäherung eines Objekts an die Sensoroberfläche zu erkennen. Löwenzahn bezieht sich hier auf die Änderung der Kapazität zwischen der Sensorelektrode und dem Objekt, das sich ihm nähert. Dieses Funktionsprinzip basiert auf der Tatsache, dass die Elektrode in einem kapazitiven Näherungssensor mit einer anderen Elektrode gepaart ist, die durch ein Dielektrikum getrennt ist. Wenn dieses Dielektrikum vorhanden ist, ist die elektrische Kapazität zwischen diesen Elektroden minimal, da die Kapazität des Dielektrikums bei Null liegt.
Wenn sich jedoch ein Objekt wie eine menschliche Hand dem Sensor nähert, entsteht ein zusätzlicher elektrischer Erreger: die eigene Kapazität des Objekts oder Körpers. Wenn sich die Hand dem Sensor nähert, werden die gewünschten Elektroden verschoben, wodurch die Kapazität des Sensors automatisch erhöht wird. Der wichtigste Punkt ist, dass dieser Mechanismus nur mit einem verdrahteten Objekt funktioniert. Dies liegt daran, dass das verdrahtete Objekt eine eigene Kapazität hat.
Wenn die Kapazität des Sensors zunimmt, ändert sich die Spannung an den Elektroden. Der Sensor ist so montiert, dass er diese Spannung in einem begrenzten Bereich misst. Sobald die gemessene Spannung den eingestellten Schwellenwert erreicht hat, wird der Sensor ausgelöst und das Vorhandensein eines sich nähernden Objekts zur Oberfläche erfasst.
Somit basiert die Arbeit des kapazitiven Näherungssensors auf der Messung der Kapazitätsänderung zwischen den Elektroden, wenn die eigene Kapazität eines sich nähernden Drahtobjekts angeregt wird.
Grundprinzipien der kapazitiven Sensoren
Die Grundidee hinter kapazitiven Sensoren besteht darin, ein elektrisches Feld zwischen zwei Elektroden zu erzeugen. Wenn sich ein Objekt dem Sensor nähert, wirkt sich seine Anwesenheit auf die Kapazität dieses Feldes aus. Die Behälteränderung wird dann von der elektronischen Sensorschaltung verarbeitet und in ein entsprechendes Signal umgewandelt.
Um ein elektrisches Feld in kapazitiven Sensoren zu erzeugen, werden zwei Haupttypen von Elektroden verwendet - passive und aktive. Passive Elektroden bestehen aus einem leitfähigen Material und sind eine flache Oberfläche. Aktive Elektroden sind auch Leiter, aber die Form ihrer Oberfläche kann variabel sein, zum Beispiel können sie gebogen sein.
| Passive Sensoren | Aktive Sensoren |
|---|---|
| Einfaches Design | Komplizierteres Design |
| Basierend auf der Änderung der Kapazität zwischen der passiven Elektrode und dem Boden | Basierend auf der Änderung der Kapazität zwischen aktiven und passiven Elektroden |
| Ein sich näherndes Objekt wird erkannt, wenn sich die Kapazität ändert | Ein sich näherndes Objekt wird erkannt, wenn sich die Kapazität ändert |
Das von einem kapazitiven Sensor empfangene Signal kann je nach Sensortyp und Anwendungsanforderungen analog oder digital erzeugt werden. Das analoge Signal liefert Informationen über den Abstand zwischen dem Sensor und dem Objekt mit hoher Genauigkeit, erfordert jedoch eine komplexere Verarbeitung. Das digitale Signal wiederum ermöglicht eine einfache und schnelle Erkennung des Vorhandenseins oder Fehlens eines Objekts in der Nähe des Sensors.
Die Grundprinzipien der kapazitiven Sensoren ermöglichen den Einsatz in einer Vielzahl von Bereichen, von Elektronik über Produktionsautomatisierung bis hin zu medizinischen Geräten und Sensorsystemen. Dank seiner Zuverlässigkeit und Genauigkeit sind kapazitive Näherungssensoren ein unverzichtbares Werkzeug für die Entwicklung moderner Technologien und Geräte.
Auswahl von Materialien und Werkzeugen
Die folgenden Materialien und Werkzeuge werden benötigt, um kapazitive Näherungssensoren selbst herzustellen:
Werkstoffe:
- Ein Stück Glas oder transparenter Kunststoff
- Folie oder dünner Kupferdraht
- Karton oder Kunststoffbasis
- Isolierband oder Kleber
- Anschlüsse oder Drähte zum Anschluss an einen Mikrocontroller
Die Werkzeuge:
- Messer oder Schere zum Arbeiten mit Materialien
- Lötkolben und Lötmittel zum Verbinden von Drähten und Steckern
- Multimeter, um die Funktion des Sensors zu überprüfen
Es ist wichtig, hochwertige Materialien zu wählen, damit der Sensor sicher und langlebig ist. Zum Beispiel muss Glas oder klarer Kunststoff sauber und glatt sein, um einen guten Berührungskontakt zu gewährleisten. Die Folie oder der Kupferdraht sollten dünn und flexibel sein, um die Installation zu erleichtern. Die Karton- oder Kunststoffbasis muss stark und widerstandsfähig gegen Beschädigungen sein.
Vergessen Sie auch nicht die Sicherheit bei der Arbeit mit Werkzeugen, insbesondere bei Lötkolben. Verwenden Sie eine Schutzbrille und vermeiden Sie den Missbrauch der Werkzeuge.
Nachdem Sie alle notwendigen Materialien und Werkzeuge vorbereitet haben, sind Sie bereit, mit der Herstellung eines kapazitiven Näherungssensors mit Ihren eigenen Händen zu beginnen.
Benötigte Materialien zum Erstellen eines Sensors
Um einen kapazitiven Näherungssensor zu erstellen, benötigen Sie die folgenden Materialien:
| 1. | Folie oder Kupferfolie |
| 2. | Dielektrische Folie (z. B. PET-Folie) |
| 3. | Karton oder Korksubstrat |
| 4. | Draht |
| 5. | Kondensator |
| 6. | Widerstand |
| 7. | Mikrocontroller oder Arduino Board |
Eine Folie oder eine Kupferfolie kann als Sensorelektrode verwendet werden. Ein dielektrischer Film dient dazu, eine Isolierung zwischen den Elektroden zu erzeugen. Pappe oder Korksubstrat werden als Basis für den Sensor verwendet, an dem die Elektroden befestigt sind. Die Drähte werden benötigt, um den Sensor an einen Mikrocontroller oder ein Arduino-Board anzuschließen. Ein Kondensator und ein Widerstand werden verwendet, um eine RC-Kette zu erzeugen, die die Messung eines kapazitiven Sensors ermöglicht. Ein Mikrocontroller oder Arduino-Board wird benötigt, um Signale vom Sensor zu verarbeiten und andere Geräte basierend auf diesen Signalen zu steuern.
