Wie funtionieren kapazitive Sensoren?

Die Funktion kapazitiver Sensoren

Was ist eigentlich ein kapazitiver Sensor?

Sogar Elektroniker, die die Begriffe Kapazität und Kondensator kennen und die das Verhalten eines Kondensators in einer elektronischen Schaltung verstehen, haben gelegentlich  Schwierigkeiten, sich die Funktion eines kapazitiven Sensors vorzustellen, bei dem der Mensch als eine Elektrode eines Kondensators betrachtet wird.

KapSensFktn

Stellen Sie sich bitte zwei leitende Platten links und rechts vor, von denen die linke mit „Erde“ verbunden ist. Diese Platte hat und behält also eine Spannung von 0 V. Die rechte, elektrisch isoliert angebrachte Platte hat zunächst auch eine Spannung von 0 V.

Nun nehmen wir einen Draht, der mit einer positiven Spannung verbunden ist. Wenn wir mit diesem Draht die rechte Platte berühren, wird diese die positive Spannung annehmen. Aber wie kommt das? Es muss ein kurzer Stromimpuls durch den Draht fließen und Elektronen aus der Platte herausholen. (Elektronen haben eine negative Ladung, deshalb würden zu viele Elektronen eine negative Spannung bewirken.) Es leuchtet sofort ein, dass mehr Elektronen bewegt werden, wenn die Spannung des Drahtes höher ist. Ebenso kann man sich vorstellen, dass mehr Elektronen fließen müssen um eine bestimmte Spannung an der Platte herzustellen, wenn beide Platten größer werden. Nicht ganz so offensichtlich ist, dass auch mehr Elektronen fließen müssen, wenn die Platten näher zusammen rücken. Entsprechend müssen weniger fließen, wenn sich die Platten weiter voneinander entfernen.

Wenn die rechte Platte eine konstante Spannung angenommen hat, fließen keine Elektronen mehr. Die beiden Platten sind ja isoliert voneinander.

Wenn wir aber nun die rechte Platte mit Erde verbinden, muss ja ihre Spannung wieder auf Null gehen, und so viele Elektronen, wie vorher heraus geflossen sind, müssen nun wieder hinein. Wenn wir eine Wechselspannung an die rechte Platte legen, die also ihre Polarität periodisch ändert, wird ein Wechselstrom fließen. Dieser selbe Strom fließt durch die linke Platte in die „Erde“.

Wir nennen nun die Platten Elektroden und stellen uns vor, dass die linke Elektrode durch einen Menschen oder einen Teil von ihm, etwa seine Hand, gebildet wird. Die rechte Elektrode wird zur Sensorelektrode.

Wenn sich also die Elektroden einander annähern, steigt der Wechselstrom. Wenn sie sich entfernen,  fällt er. Elektrisch gesprochen steigt der Wechselspannungswiderstand (die Impedanz) bei sich entfernenden Elektroden, bei sich annähernden sinkt er.

Praktische Ausführung

Wir messen bei unserer Technik nun nicht den Strom. Wir führen der rechten Platte die Wechselspannung über einen sehr kleinen Kondensator zu, der also eine hohe Impedanz (Wechselstromwiderstand) hat. An der rechten Platte – der Sensorelektrode – stellt sich so eine kleinere Spannung ein, als wenn der kleine Kondensator nicht zwischen der Spannungsquelle und der Platte wäre. Es handelt sich um einen kapazitiven Spannungsteiler.

Wenn sich nun die beiden Platten entfernen, steigt die Spannung zwischen ihnen, und umgekehrt. Wir messen diese Spannung und ziehen daraus Schlussfolgerungen.

Wenn wir die rechte Platte „aufgeladen“, also auf eine bestimmte Spannung gebracht haben,  haben wir über eine gewisse Zeit einen Strom fließen lassen. Strom bedeutet Elektronen pro Sekunde. Nach der Zeit haben wir also eine Ladung übertragen, die aus der Anzahl der Elektronen mal deren Elementarladung besteht.

Als Kapazität des Kondensators bezeichnet man nun die Ladung, die erforderlich ist, um die Spannung am Kondensator um 1 Volt zu ändern. In Kurzzeichen heißt das As/V. Stattdessen sagt man die Kapazität beträgt ein Farad oder 1 F. Wir können uns alle unter Ampere, Volt und Sekunden aus unseren Erfahrung im alltäglichen Leben etwas vorstellen. Nun ist eine Kapazität von 1 F ziemlich üppig und kein sehr praktisches Maß für typische Anwendungen. Wenn Sie sich die beiden Platten oben im Bild als einen Millimeter voneinander entfernt vorstellen, was denken Sie wie groß sie sein müssten, um eine Kapazität von 1 F zu bilden? Die Antwort ist: etwa hundert Quadratkilometer! Also z.B. ein Quadrat mit 10 km Seitenlänge. (Nicht Meter, sondern Kilometer!) Wir sehen, dass das mit unserer Anwendung eines kapazitiven Näherungssensors nicht gut zusammenpasst.

Ein Kondensator mit einer Fläche von einem Quadratzentimeter und einem Elektrodenabstand von einem Millimeter hat eine Kapazität von etwa einem Picofarad, das ist ein Farad geteilt durch eine Billion oder 10 hoch 12. Nun kommt erschwerend hinzu, dass wir Menschen in deutlich größerem Abstand erkennen müssen, als 1 mm, nämlich 10 mm bei kapazitiven Schaltstangen an Walzwerken oder 30 oder mehr Zentimeter bei kollaborierenden Robotern. Erleichternd wirkt, dass die Flächen, die wir entdecken wollen, deutlich größer sind, als ein Quadratzentimeter.

Der in Sensor in seiner Umgebung

Interessant ist vielleicht noch dieser Hinweis: Optimal funktioniert solch ein kapazitiver Sensor, wenn beide Elektroden gleich groß sind. Wenn man sich vorstellt, im Bild oben würde die linke Elektrode sich stark vergrößern, also einer großen Fläche des Menschen ein kleiner Sensor gegenüberstehen, so würde die Empfindlichkeit des Sensors nicht nennenswert steigen. Umgekehrt würde eine größere Fläche des Sensors, also der rechten Elektrode, die Empfindlichkeit gegenüber z.B. der ausgestreckten Hand eines Menschen, nicht wesentlich erhöhen, aber die unerwünschten Einflüsse der Umgebung würden zunehmen. Man wird also die Fläche des Sensors der kleinsten zu entdeckenden Fläche des Menschen annähern. Das folgende Bild zeigt verschiedene Größenverhältnisse.

kondensator

Das Robotermodell auf unserem Video enthält zwei Sensoren, einen um den aufrechten Teil, einen um den waagerechten, beide fast so lang wie die roten Teile. Sie können beobachten, dass die Empfindlichkeit größer ist, wenn sich die Hand parallel zum Sensor nähert. Wenn sie von der Schmalseite kommt ist die Fläche des Sensors viel kleiner und die Empfindlichkeit geringer. Die Hand unter dem waagerechten Teil hat gegenüber dem senkrechten Sensor eine sehr kleine Fläche.

Man muss übrigens keine Angst vor „Strahlen“ haben. Die Spannung am Sensor ist derartig gering und die Frequenz in einem so vollkommen harmlosen Bereich, dass es überhaupt keine Auswirkungen auf den Menschen gibt. Selbst ein Radioempfänger in der Nähe hat Schwierigkeiten, das Signal zu entdecken. Das liegt auch daran, das der Sensor für eine Antenne viel zu klein ist. Es handelt sich trotz der Wechselspannung quasi um statische Elektrizität.

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