कैपेसिटिव विस्थापन सेंसर

कैपेसिटिव विस्थापन सेंसर गैर-संपर्क उपकरण हैं जो किसी भी प्रवाहकीय लक्ष्य की स्थिति और/या स्थिति के उच्च-रिज़ॉल्यूशन माप में सक्षम हैं। वे गैर-कंडक्टर|गैर-प्रवाहकीय सामग्रियों की मोटाई या घनत्व को मापने में भी सक्षम हैं। कैपेसिटिव विस्थापन सेंसर का उपयोग अर्धचालक प्रसंस्करण, डिस्क ड्राइव जैसे सटीक उपकरणों की असेंबली, सटीक मोटाई माप, मशीनी औज़ार   मैट्रोलोजी  और  समनुक्रम  परीक्षण सहित विभिन्न प्रकार के अनुप्रयोगों में किया जाता है। इस प्रकार के सेंसर दुनिया भर की मशीनिंग और विनिर्माण सुविधाओं में पाए जा सकते हैं।



बुनियादी कैपेसिटिव सिद्धांत
कैपेसिटेंस एक विद्युत गुण है जो दो प्रवाहकीय वस्तुओं के बीच अंतराल के साथ विद्युत आवेश लगाने से बनता है। एक साधारण प्रदर्शन एक ही प्रोफ़ाइल की दो समानांतर प्रवाहकीय प्लेटें हैं जिनके बीच एक अंतर है और उन पर एक चार्ज लगाया गया है। इस स्थिति में, समाई को समीकरण द्वारा व्यक्त किया जा सकता है:
 * $$ C = \dfrac{\varepsilon_0 K A}{d} $$

जहां C धारिता है, ε0 मुक्त स्थान स्थिरांक की पारगम्यता है, K अंतराल में सामग्री का ढांकता हुआ स्थिरांक है, A प्लेटों का क्षेत्र है, और d प्लेटों के बीच की दूरी है।

कैपेसिटिव विस्थापन सेंसिंग सिस्टम दो सामान्य प्रकार के होते हैं। एक प्रकार का उपयोग प्रवाहकीय सामग्रियों की मोटाई मापने के लिए किया जाता है। दूसरा प्रकार गैर-प्रवाहकीय सामग्रियों की मोटाई या तरल पदार्थ के स्तर को मापता है।

प्रवाहकीय सामग्रियों के लिए एक कैपेसिटिव सेंसिंग सिस्टम ऊपर वर्णित मॉडल के समान एक मॉडल का उपयोग करता है, लेकिन प्रवाहकीय प्लेटों में से एक के स्थान पर, सेंसर होता है, और दूसरे के स्थान पर, मापने के लिए प्रवाहकीय लक्ष्य होता है। चूंकि जांच और लक्ष्य का क्षेत्र स्थिर रहता है, और अंतराल (आमतौर पर हवा) में सामग्री का ढांकता हुआ भी स्थिर रहता है, कैपेसिटेंस में कोई भी परिवर्तन जांच और लक्ष्य के बीच की दूरी में बदलाव का परिणाम है। इसलिए, उपरोक्त समीकरण को सरल बनाया जा सकता है:
 * $$C \propto \dfrac{1}{d} $$

जहां α आनुपातिक संबंध को इंगित करता है। इस आनुपातिक संबंध के कारण, एक कैपेसिटिव सेंसिंग सिस्टम कैपेसिटेंस में परिवर्तन को मापने और दूरी माप में इन परिवर्तनों का अनुवाद करने में सक्षम है।

गैर-प्रवाहकीय सामग्रियों की मोटाई मापने के लिए सेंसर के संचालन को श्रृंखला में दो कैपेसिटर के रूप में माना जा सकता है, जिनमें से प्रत्येक में एक अलग ढांकता हुआ (और ढांकता हुआ स्थिरांक) होता है। दो ढांकता हुआ सामग्रियों की मोटाई का योग स्थिर रहता है लेकिन प्रत्येक की मोटाई भिन्न हो सकती है। मापी जाने वाली सामग्री की मोटाई अन्य ढांकता हुआ को विस्थापित करती है। अंतराल अक्सर वायु अंतराल होता है, (ढांकता हुआ स्थिरांक = 1) और सामग्री में उच्च ढांकता हुआ होता है। जैसे-जैसे सामग्री मोटी होती जाती है, धारिता बढ़ती जाती है और सिस्टम द्वारा महसूस की जाती है।

द्रव स्तर को मापने के लिए एक सेंसर स्थिर कुल क्षेत्रफल के समानांतर दो कैपेसिटर के रूप में काम करता है। फिर से द्रव के ढांकता हुआ स्थिरांक और हवा के ढांकता हुआ स्थिरांक में अंतर के परिणामस्वरूप प्रवाहकीय जांच या प्लेटों के बीच समाई में पता लगाने योग्य परिवर्तन होते हैं।

सटीक स्थिति
कैपेसिटिव सेंसर के अधिक सामान्य अनुप्रयोगों में से एक सटीक स्थिति निर्धारण के लिए है। कैपेसिटिव विस्थापन सेंसर का उपयोग नैनोमीटर स्तर तक वस्तुओं की स्थिति को मापने के लिए किया जा सकता है। इस प्रकार की सटीक स्थिति का उपयोग अर्धचालक उद्योग में किया जाता है जहां सिलिकॉन बिस्किट ्स को एक्सपोज़र के लिए स्थित करने की आवश्यकता होती है। कैपेसिटिव सेंसर का उपयोग वेफर्स के परीक्षण और जांच में उपयोग किए जाने वाले  इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी  को पूर्व-फोकस करने के लिए भी किया जाता है।

डिस्क ड्राइव उद्योग
डिस्क ड्राइव उद्योग में, कैपेसिटिव विस्थापन सेंसर का उपयोग डिस्क ड्राइव हार्ड डिस्क ड्राइव#स्पिंडल के रनआउट (रोटेशन की धुरी एक आदर्श निश्चित रेखा से कितना विचलित होता है) को मापने के लिए किया जाता है। इन स्पिंडल के सटीक रनआउट को जानकर, डिस्क ड्राइव निर्माता डेटा की अधिकतम मात्रा निर्धारित करने में सक्षम होते हैं जिसे ड्राइव पर रखा जा सकता है। कैपेसिटिव सेंसर का उपयोग यह सुनिश्चित करने के लिए भी किया जाता है कि डेटा लिखने से पहले डिस्क ड्राइव प्लैटर स्पिंडल के लिए ओर्थोगोनल  हैं।

सटीक मोटाई माप
कैपेसिटिव विस्थापन सेंसर का उपयोग बहुत सटीक मोटाई माप करने के लिए किया जा सकता है। कैपेसिटिव विस्थापन सेंसर स्थिति में परिवर्तन को मापकर संचालित होते हैं। यदि ज्ञात मोटाई के संदर्भ भाग की स्थिति को मापा जाता है, तो अन्य भागों को बाद में मापा जा सकता है और स्थिति में अंतर का उपयोग इन भागों की मोटाई निर्धारित करने के लिए किया जा सकता है। एकल जांच का उपयोग करके इसे प्रभावी बनाने के लिए, भागों को पूरी तरह से सपाट होना चाहिए और पूरी तरह से सपाट सतह पर मापा जाना चाहिए। यदि मापे जाने वाले हिस्से में कोई वक्रता या विकृति है, या वह सपाट सतह पर मजबूती से नहीं टिका है, तो मापे जाने वाले हिस्से और जिस सतह पर उसे रखा गया है, उसके बीच की दूरी गलती से मोटाई माप में शामिल हो जाएगी। एक भाग को मापने के लिए दो कैपेसिटिव सेंसर का उपयोग करके इस त्रुटि को समाप्त किया जा सकता है। मापे जाने वाले भाग के दोनों ओर कैपेसिटिव सेंसर लगाए जाते हैं। दोनों तरफ से भागों को मापने से, माप में वक्रता और विकृति को ध्यान में रखा जाता है और उनके प्रभावों को मोटाई रीडिंग में शामिल नहीं किया जाता है।

प्लास्टिक सामग्री की मोटाई को दो इलेक्ट्रोडों के बीच एक निर्धारित दूरी पर रखी सामग्री से मापा जा सकता है। ये एक प्रकार का कैपेसिटर बनाते हैं। इलेक्ट्रोड के बीच रखे जाने पर प्लास्टिक ढांकता हुआ के रूप में कार्य करता है और हवा को विस्थापित करता है (जिसका ढांकता हुआ स्थिरांक 1 होता है, जो प्लास्टिक से अलग होता है)। नतीजतन, इलेक्ट्रोड के बीच समाई बदल जाती है। फिर समाई परिवर्तन को मापा जा सकता है और सामग्री की मोटाई के साथ सहसंबद्ध किया जा सकता है। कैपेसिटिव सेंसर सर्किट का निर्माण किया जा सकता है जो 10 के क्रम पर कैपेसिटेंस में परिवर्तन का पता लगाने में सक्षम हैं−5 फैराड (10 एटोफैराड)।

गैर-प्रवाहकीय लक्ष्य
जबकि कैपेसिटिव विस्थापन सेंसर का उपयोग अक्सर प्रवाहकीय लक्ष्यों की स्थिति में परिवर्तन को महसूस करने के लिए किया जाता है, उनका उपयोग गैर-प्रवाहकीय लक्ष्यों की मोटाई और/या घनत्व को समझने के लिए भी किया जा सकता है। जांच और प्रवाहकीय लक्ष्य के बीच रखी गई एक गैर-प्रवाहकीय वस्तु में अंतराल में हवा की तुलना में एक अलग ढांकता हुआ स्थिरांक होगा और इसलिए जांच और लक्ष्य के बीच कैपेसिटेंस बदल जाएगा। (ऊपर पहला समीकरण देखें) धारिता में इस परिवर्तन का विश्लेषण करके, गैर-कंडक्टर की मोटाई और घनत्व निर्धारित किया जा सकता है।

मशीन टूल मेट्रोलॉजी
कैपेसिटिव विस्थापन सेंसर का उपयोग अक्सर मेट्रोलॉजी अनुप्रयोगों में किया जाता है। कई मामलों में, सेंसर का उपयोग "उत्पादित किए जा रहे हिस्से में आकार की त्रुटियों को मापने के लिए" किया जाता है। लेकिन वे भाग के निर्माण के लिए उपयोग किए जाने वाले उपकरणों में उत्पन्न होने वाली त्रुटियों को भी माप सकते हैं, जिसे मशीन टूल मेट्रोलॉजी के रूप में जाना जाता है। कई मामलों में, सेंसर का उपयोग विभिन्न मशीन टूल्स में स्पिंडल के रोटेशन का विश्लेषण और अनुकूलन करने के लिए किया जाता है, उदाहरणों में सतह की चक्की, खराद, मिलिंग मशीन और वायु असर स्पिंडल शामिल हैं। केवल अंतिम उत्पादों में त्रुटियों को मापने के बजाय मशीनों में त्रुटियों को मापकर, विनिर्माण प्रक्रिया में समस्याओं से निपटा जा सकता है और उन्हें पहले ही ठीक किया जा सकता है।

असेंबली लाइन परीक्षण
कैपेसिटिव विस्थापन सेंसर का उपयोग अक्सर असेंबली लाइन परीक्षण में किया जाता है। कभी-कभी उनका उपयोग एकरूपता, मोटाई या अन्य डिज़ाइन सुविधाओं के लिए इकट्ठे भागों का परीक्षण करने के लिए किया जाता है। अन्य समय में, उनका उपयोग केवल गोंद जैसे किसी निश्चित घटक की उपस्थिति या अनुपस्थिति को देखने के लिए किया जाता है। असेंबली लाइन भागों का परीक्षण करने के लिए कैपेसिटिव सेंसर का उपयोग करने से उत्पादन प्रक्रिया में गुणवत्ता संबंधी चिंताओं को रोकने में मदद मिल सकती है।

एडी करंट विस्थापन सेंसर से तुलना
कैपेसिटिव विस्थापन सेंसर एड़ी वर्तमान (या आगमनात्मक) विस्थापन सेंसर के साथ कई समानताएं साझा करते हैं; हालाँकि, कैपेसिटिव सेंसर एड़ी प्रवाह सेंसर द्वारा उपयोग किए जाने वाले चुंबकीय क्षेत्र के विपरीत एक विद्युत क्षेत्र का उपयोग करते हैं इससे दो सेंसिंग प्रौद्योगिकियों के बीच कई प्रकार के अंतर होते हैं, जिनमें सबसे उल्लेखनीय अंतर यह है कि कैपेसिटिव सेंसर आमतौर पर उच्च रिज़ॉल्यूशन माप में सक्षम होते हैं, और एड़ी वर्तमान सेंसर गंदे वातावरण में काम करते हैं जबकि कैपेसिटिव सेंसर नहीं करते हैं।

अन्य गैर-विस्थापन कैपेसिटिव सेंसिंग अनुप्रयोग

 * अनाज में नमी की मात्रा का परीक्षण
 * मिट्टी की नमी
 * नमी
 * ईंधन में पानी की मात्रा का पता लगाना
 * ईंधन संरचना सेंसर (फ्लेक्स ईंधन वाहनों के लिए)
 * कैपेसिटिव भरा कोश

यह भी देखें

 * निकटता सेंसर
 * कैपेसिटिव सेंसिंग
 * सेंसर की सूची
 * प्रेरक संवेदक

बाहरी संबंध

 * Medical Engineering - Patient Monitoring Using Capacitive Sensors
 * Capacitive Sensors for Motion Control - Tutorial on Capacitive Sensors for Nanopositioning Applications
 * Capacitive Sensor Theory - How Capacitive Sensors Work and How to Use Them Effectively

Ёмкостный датчик