คาปาซิทีฟ พร็อกซิมิตี้เซนเซอร์ (Capacitive Proximity Sensors)

รูปคาปาซิทีฟ พร็อกซิมิตี้เซนเซอร์ (Capacitive Proximity Sensors)

คาปาซิทีฟ พร็อกซิมิตี้เซนเซอร์ (Capacitive Proximity Sensors) เป็นเซนเซอร์ที่ใช้หลักการเปลี่ยนแปลงค่าคาปาซิแตนซ์ โดยการสร้างสนามไฟฟ้าสถิตย์ ซึ่งต่างจากอินดักทีฟ เซนเซอร์(Inductive Sensors) ที่สร้างสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ทำให้มีความสามารถตรวจจับวัตถุที่เป็นโลหะหรือมีส่วนประกอบของโลหะเท่านั้น แต่คาปาซิทีฟ เซนเซอร์ (Capacitive Sensors) ใช้หลักการสร้างไฟฟ้าสถิตย์นั้น ทำให้สามารถตรวจจับวัตถุได้เกือบทุกประเภท ทั้งโลหะและอโลหะ ซึ่งทำให้เซนเซอร์ชนิดนี้มีการใช้งานกันอย่างแพร่หลาย มีปุ่มปรับเซนซิทีวิตี้ (Sensitivity Adjustment) ซึ่งทำให้สารตรวจจับระดับของเหลวในภาชนะทึบแสง เช่น ใช้เช็คระดับน้ำมันเครื่องในถังพลาสติกทึบแสง เป็นต้น

คาปาซิทีฟ พร๊อกซิมิตี้เซนเซอร์ (Capacitive Proximity Sensors) เป็นเซนเซอร์ที่สามารถทำการตรวจจับได้โดยตัวเซนเซอร์ไม่ต้องสัมผัสกับตัววัตถุเลย เหตุนี้จึงทำให้เซนเซอร์ชนิดนี้มีอายุการใช้งานที่ยืนยาวเป็นอย่างมาก และยังสามารถตรวจจับได้ทั้งโลหะและอโลหะเช่น กระดาษ ขวด แก้ว พลาสติก น้ำ โดยความสามารถของการตรวจจับของเซนเซอร์ชนิดนี้นั้น จะขึ้นอยู่กับค่าคงที่ของค่าไดอิเล็กตริก (Dielectric Constant) หรือค่า k ของวัตถุ

สารไดอิเล็กตริก คือ สารที่ไม่นำไฟฟ้าเช่น ยาง แก้ว กระดาษไข พาราฟิน และเทฟลอน เป็นต้น ส่วนวัตถุที่เป็นตัวเก็บประจุนั้นเป็นแผ่นโลหะบางๆวางซ้อนกันโดยมีสารไดอิเล็กตริกอยู่ตรงกลาง จะมีลักษณะเป็นแผ่นระนาบสองแผ่นที่วางขนานกัน โดยมีระยะห่างระหว่างแผ่นขนานและมีค่าความจุเริ่มต้น เมื่อใส่สารไดอิเล็กตริกเข้าไปแทนที่ ที่ว่างดังกล่าว จะทำให้ตัวเก็บประจุนั้น มีค่าความจุเพิ่มขึ้น สมมติว่าเป็น C และเรียกอัตราส่วนของค่าความจุใหม่ขณะที่มีไดอิเล็กตริก เทียบกับค่าความจุขณะไม่มีสารไดอิเล็กตริกว่า ค่าคงที่ไดอิเล็กตริก

รูป แสดงสารไดอิเล็กตริก
ค่าคงที่ไดอิเล็กตริก (Dielectric) = C1/C2

หลักการทำงานของ คาปาซิทีฟ พร็อกซิมิตี้เซนเซอร์

(Capacitive Proximity Sensors)

เซนเซอร์ชนิดนี้มีรูปร่างคล้ายกับ อินดักทีฟ พร็อกซิมิตี้เซนเซอร์ (Inductive Proximity Sensors) แต่หลักการทำงานของเซนเซอร์สองชนิดนี้จะต่างกัน โดยเซนเซอร์ชนิดนี้จะอาศัยหลักการเปลี่ยนแปลงค่าความจุของตัวประจุ เมื่อวัตถุที่เราจะตรวจจับเคลื่อนที่เข้ามาใกล้กับสนามไฟฟ้าของตัวเซนเซอร์มากขึ้น
    โดยใช้แอกทีฟอิเล็กโทรด (A) และเอิทธ์อิเล็กโทรด (B) การเปลี่ยนแปลงค่าความจุ (Capacitance Value) ดังกล่าว จะขึ้นอยู่กับระยะทางระหว่างวัตถุเป้าหมายกับตัวเซนเซอร์ยิ่งวัตถุเคลื่อนที่เข้าใกล้ตัวเซนเซอร์มากขึ้น ค่าความจุไฟฟ้าระหว่างตัววัตถุกับคาปาซิทีฟเซนเซอร์ยิ่งมีค่าเปลี่ยนแปลงไป
    เมื่อค่าความจุไฟฟ้าจะมากขึ้น ขนาดและรูปร่างของวัตถุเป้าหมาย ค่าไดอิเล็กตริกหรือค่า k ของวัตถุต่างกัน จะมีค่าความจุที่แตกต่างกัน เมื่อค่าความจุเปลี่ยนแปลงไปจนถึงค่าๆหนึ่ง ซึ่งมีค่าความต้านทาน (ในวงจรออสซิลเลเตอร์ RC) ไม่มีการเปลี่ยนแปลงคือตั้งเป็นค่าคงที่ตั้งแต่แรก จะส่งผลให้เกิดการออสซิลเลทสัญญาณขึ้น ค่าแอมพลิจูดและความถี่สูงขึ้น เมื่อมีวัตถุเข้ามาในระยะตรวจจับที่ความถี่สูง ค่าวงจรทริกเกอร์จะสั่งให้ค่าเอ้าท์พุทออกไป (DC, 4-20 mA หรือ 0-10 VDC)และส่งต่อไปที่เอ้าท์พุท เพื่อสั่งการให้เอ้าท์พุททำงาน
    ส่วนประกอบของตัว คาปาซิทีฟ พร๊อกซิมิตี้เซนเซอร์ ได้แก่ อิเล็กโทรด(แบ่งเป็นแอ็คทีฟอิเล็กโทรด (A) กับอิเล็กโทรดชดเชย (B)) ออสซิลเลเตอร์ วงจรทริกเกอร์ ตัวส่งสัญญาณเอ้าท์พุท

รูป ส่วนประกอบต่างๆ ภายในตัวเซนเซอร์

A ได้แก่ แอ็คทีฟอิเล็กโทรด
B ได้แก่ อิเล็กโทรดชดเชย

ขั้นตอนการทำงานจาก ในขณะปรกติ คือ ไม่มีวัตถุเข้ามาในระยะตรวจจับตัวออสซิลเลเตอร์์จะอยู่ในสภาวะที่ไม่ทำงาน แต่เมื่อมีวัตถุเข้ามาในระยะทำงาน ตัวออสซิลเลเตอร์จะเริ่มทำงานโดยจะค่อยๆเพิ่มความถี่ของสัญญาณให้มากขึ้น เนื่องจากสนามไฟฟ้าสถิตที่สร้างขึ้นถูกรบกวนด้วยวัตถุที่เคลื่อนที่เข้ามาในระยะตรวจจับ เมื่อวัตถุเข้ามาอยู่ในระยะตรวจจับออสซิลเลเตอร์จะสร้างความถี่และแอมพลิจูดมากที่สุด และเมื่อวัตถุเริ่มเคลื่อนที่ออกจากระยะออสซิลเลเตอร์จะค่อยๆลดความถี่ลงจนวัตถุเคลื่อนที่ออกไปจนพ้นระยะ ออสซิลเลเตอร์ก้จะหยุดทำงานอีกครั้งหนึ่ง ตามรูปภาพด้านล่าง

รูป ขั้นตอนการทำงานของ ออสซิลเลเตอร์

ในขณะที่มีวัตถุเข้ามาในระยะและส่งความถี่ออกไปจนถึงค่าๆหนึ่งที่ได้กำหนดไว้ ออสซิลเลเตอร์จะทำการส่งสัญญาณต่อไปให้ตัวประมวลผล และส่งสัญญาณต่อไปให้ตัวส่งสัญญาณเอ้าท์พุท เพื่อส่งสัญญาณเอ้าท์พุทไปให้อุปกรณ์อื่นต่อไป

เซนเซอร์ชนิดเก็บประจุนี้ สามารถปรับค่าความไวในการตรวจจับได้โดยการปรับตั้งค่าความต้านทาน ซึ่งจะมีผลต่อการปรับระยะการตรวจจับใกล้หรือไกล หรือใช้ในการปรับตั้งให้ตัวเซนเซอร์สามารถตรวจจับข้ามผ่านวัตถุที่ขวางกั้นวัตถุเป้าหมายได้ เช่น การตรวจจับระดับน้ำภายในขวด หรือตรวจจับของที่อยู่ภายในกล่อง

รูป การตรวจจับข้ามผ่านวัตถุของ คาปาซิทีฟเซนเซอร์

ระยะการตรวจจับของคาปาซิทีฟเซนเซอร์จะขึ้นอยู่กับระยะห่างระหว่างเซนเซอร์กับวัตถุ และชนิดของวัตถุที่ทำการตรวจจับ โดยวัตถุที่มีค่าไดอิเล็กตริก (k) สูงจะถูกตรวจจับได้ดีกว่าวัตถุที่มีค่าไดอิเล็กตริกต่ำ ในกรณีที่วัตถุเป้าหมายเป็นโลหะ ระยะตรวจจับของคาปาซิทีฟเซนเซอร์จะมีระยะเท่ากันทั้งหมด

ค่าไดอิเล็กตริก (k) ที่แตกต่างกันของวัตถุแต่ละแบบ

ค่าไดอิเล็กตริกของวัตถุแต่ละชนิดนั้นจะเป็นตัวบ่งบอกว่า เซนเซอร์จะสามารถทำการตรวจสอบวัตถุนั้นๆได้หรือไม่ เมื่อวัตถุนั้นอยู่ด้านในอีกวัตถุนึง กล่าวคือถ้าค่าไดอิเล็กตริกของวัตถุที่อยู่ด้านในตัววัตถุที่ขวางกั้นตัวเซนเซอร์มีค่าน้อยกว่าค่าไดอิเล็กตริกของวัตถุที่ขวางกั้น เซนเซอร์จะไม่สามารถตรวจจับวัตถุที่อยู่ด้านในนั้นได้ ดังตัวอย่าง

รูป ที่แสดงว่าเซนเซอร์สามารถตรวจจับวัตถุที่อยู่ด้านในได้หรือไม่

จากภาพจะเห็นได้ว่าตัวเซนเซอร์จะไม่สามารถตรวจจับแป้งที่มีค่าไดอิเล็กตริก 1.5 ซึ่งน้อยกว่าค่าไดอิเล็กตริกของแก้วซึ่งมีค่าไดอิเล็กตริก 3.7 ทำให้เซนเซอร์ไม่สามารถตรวจจับแป้งที่อยู่ด้านในได้ แต่เซนเซอร์สามารถตรวจจับแอลกอฮอล์ ซึ่งมีค่าไดอิเล็กตริก 25.8 ซึ่งมากกว่าค่าไดอิเล็กตริกของแก้วได้อย่างแม่นยำ