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Was ist sowohl in der Medizin unverzichtbar als auch in der Unterhaltungselektronik und kann ebenfalls aus der Lebensmittelproduktion nicht weggedacht werden? Richtig: kapazitive Sensoren. Die Detektoren gehören zu den am weitesten verbreiteten Sensortypen in modernen Industrie- und Endverbraucher-Anwendungen. Durch ihre berührungslose und verschleißfreie Messmethode bieten sie besondere Vorteile in Umgebungen mit hohen Anforderungen an Hygiene und Zuverlässigkeit. Doch sie können noch sehr viel mehr.
Funktionsweise: Darum können kapazitive Sensoren alles detektieren
Im Gegensatz zum induktiven Sensor, der vor allem metallische Substanzen erfassen kann, kann man mit einem kapazitiven Sensor jedes Material erkennen. Der Grund liegt in der Funktionsweise. Basis des Sensors ist ein Plattenkondensator, der ein elektrisches Feld erzeugt. Wird ein beliebiger Gegenstand in dieses Feld geführt, verändert sich die Kapazität dieses Feldes. Daher auch der Name des Sensors. Diese Änderung der Kapazität des elektrischen Feldes wird in ein elektrisches Signal umgewandelt, das den Ausschlag anzeigt. Da nahezu alles die Kapazität des Kondensatorfeldes beeinflusst, ist auch nahezu alles detektierbar. Dementsprechend haben sich viele Industriezweige diese Technologie zunutze gemacht.
Typische Einsatzbereiche von kapazitiven Sensoren
Die große Bandbreite an erkennbaren Materialien verleiht kapazitiven Sensoren den Status eines Multitools. Daher werden die handlichen Bauteile auch branchenübergreifend eingesetzt.
- Berührungssensible Oberflächen: Touch- und Multitouch-Interfaces; zum Beispiel in Smartphones, Tablets und industriellen Bedienpanels
- Medizinische Diagnostik: Messung von Vitalparameter; zum Beispiel Atemfrequenz oder Herzrhythmus
- Industrielle Prozessautomation: Anwesenheits- und Füllstandskontrolle; zum Beispiel bei undurchsichtigen Kunststoffsilos in der Lebensmittelindustrie
- Applikationen in Autos: Steuerung von Sicherheitsautomatiken; zum Beispiel Sitzbelegungs- und Gurtkontrolle
- Smart Home: Näherungssensorik und Füllstandskontrolle; zum Beispiel in smarten Mülleimern
Grenzen: Das können kapazitive Sensoren nicht
Aufgrund der geringen Reichweite der Plattenkondensatoren (genauer: des elektrischen Feldes) können kapazitive Sensoren nur auf kurze Distanzen eingesetzt werden. Zwar ist es mit ausreichend empfindlichen Sensoren möglich, auch durch Kunststoffwände zu messen, doch eine Nähe des Gegenstandes zum Kondensator ist immer notwendig. Die Distanz, die maximal zwischen der Sensortechnik und dem zu detektierenden Gegenstand liegen darf, wird auch Schaltabstand genannt. Für jedes Modell wird diese Distanz vom Hersteller angegeben, sodass der Anwender sich stets entsprechend an das Messziel annähern kann.
Bei vielen dieser Sensoren ist der Abstand sehr klein, weshalb bei größeren Messabständen zu optischen Sensoren geraten wird. Bei Technologien wie dem Touchscreen ist die kurze Distanz jedoch zu einem gewissen Maß erwünscht, denn sie ermöglicht die haptische Bedienung. Kapazitive Sensoren mit einem größeren Schaltabstand können dagegen auch zur Gestensteuerung eingesetzt werden. Sie übernehmen dann eine ähnliche Funktion wie eine Lichtschranke, die beim Auslösen ein elektrisches Signal weitergibt und in der Folge einen Befehl ausführt.
Kapazitive und optische Sensoren im Vergleich
Während kapazitive Sensoren in der Messung bis auf wenige Millimeter sehr zuverlässig sind, setzen viele Branchen auf optische Sensortechnik, wenn größere Distanzen überbrückt werden müssen. Optische Sensoren haben jedoch den Nachteil, dass sie in Umgebungen mit einer hohen Staubbelastung (in der Luft) kein zuverlässiges Messinstrument darstellen. Davon abgesehen bieten sie jedoch ein paar Vorteile, die kapazitive Sensoren nicht aufweisen.
| Vergleichsaspekt | Kapazitiver Sensor | Optischer Sensor |
| Messprinzip | Änderung der elektr. Kapazität | Lichtreflexion bzw. -brechung |
| Reichweite | mm bis cm | cm bis m |
| Anfälligkeit für Umwelteinflüsse | bei Feuchtigkeit und Temperaturänderungen | bei Staub, Rauch sowie direkter Sonneneinstrahlung |
| Verschleiß | sehr gering | sehr gering |
| Kosten | sehr gering | moderat |
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