Pengertian Transduser Kapasitif

Transduser kapasitif digunakan untuk mengukur perpindahan, tekanan dan kuantitas fisik lainnya. Ini adalah transduser pasif yang berarti membutuhkan daya eksternal untuk operasi.

Transduser kapasitif bekerja berdasarkan prinsip kapasitansi variabel. Kapasitansi transduser kapasitif berubah karena banyak alasan seperti tumpang tindih pelat, perubahan jarak antara pelat dan konstanta dielektrik.

Transduser kapasitif berisi dua pelat logam paralel. Pelat ini dipisahkan oleh media dielektrik yang berupa udara, material, gas atau cairan. Pada kapasitor normal jarak antar pelat tetap, tetapi pada transduser kapasitif jarak antar pelat bervariasi.

Transduser kapasitif menggunakan kuantitas listrik kapasitansi untuk mengubah gerakan mekanis menjadi sinyal listrik. Besaran input menyebabkan perubahan kapasitansi yang diukur langsung oleh transduser kapasitif.

Kapasitor mengukur perubahan statis dan dinamis. Perpindahan juga diukur secara langsung dengan menghubungkan perangkat terukur ke pelat bergerak kapasitor. Ini bekerja dengan mode kontak dan non-kontak.

Persamaan di bawah ini menyatakan kapasitansi antara pelat kapasitor

Dimana A – luas pelat yang tumpang tindih dalam m2

d – jarak antara dua pelat dalam meter

ε – permitivitas medium dalam F/m

εr – permitivitas relatif

ε0 – permitivitas ruang bebas

Diagram skema dari transduser kapasitif pelat paralel ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

Perubahan kapasitansi terjadi karena variabel fisik seperti perpindahan, gaya, tekanan, dll. Kapasitansi transduser juga berubah oleh variasi konstanta dielektriknya yang biasanya karena pengukuran tingkat cairan atau gas.

Kapasitansi transduser diukur dengan rangkaian jembatan. Impedansi keluaran transduser diberikan sebagai:

Dimana, C – kapasitansi

f – frekuensi eksitasi dalam Hz.

Transduser kapasitif terutama digunakan untuk pengukuran perpindahan linier. Transduser kapasitif menggunakan tiga efek berikut.

1. Variasi kapasitansi transduser adalah karena tumpang tindih pelat kapasitor.
2. Perubahan kapasitansi adalah karena perubahan jarak antara pelat.
3. Kapasitansi berubah karena konstanta dielektrik.

Metode berikut digunakan untuk mengukur perpindahan.

1. Sebuah transduser yang menggunakan perubahan Luas Pelat

Persamaan di bawah ini menunjukkan bahwa kapasitansi berbanding lurus dengan luas pelat. Kapasitansi berubah sesuai dengan perubahan posisi pelat.

Transduser kapasitif digunakan untuk mengukur perpindahan besar kira-kira dari 1mm hingga beberapa cm. Area transduser kapasitif berubah secara linier dengan kapasitansi dan perpindahan. Awalnya, nonlinier terjadi dalam sistem karena tepi. Jika tidak, itu memberikan respons linier.

Kapasitansi pelat paralel diberikan sebagai:

di mana x – panjang bagian pelat yang tumpang tindih

ω – lebar bagian pelat yang tumpang tindih.

Sensitivitas perpindahan adalah konstan, dan karena itu memberikan hubungan linier antara kapasitansi dan perpindahan.

Transduser kapasitif digunakan untuk mengukur perpindahan sudut. Itu diukur dengan pelat bergerak yang ditunjukkan di bawah ini. Salah satu pelat transduser tetap, dan yang lainnya dapat digerakkan.

Diagram fasor transduser ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

Gerakan sudut mengubah kapasitansi transduser. Kapasitansi di antara mereka maksimum ketika pelat ini saling tumpang tindih. Nilai maksimum kapasitansi dinyatakan sebagai

Kapasitansi pada sudut θ dinyatakan sebagai,

θ – perpindahan sudut dalam radian. Sensitivitas untuk perubahan kapasitansi diberikan sebagai:

180° adalah nilai maksimum perpindahan sudut kapasitor.

2. Transduser menggunakan perubahan jarak antar pelat

Kapasitansi transduser berbanding terbalik dengan jarak antar pelat. Satu pelat transduser dipasang tetap, dan yang lainnya dapat digerakkan. Perpindahan yang akan diukur berhubungan dengan pelat-pelat yang dapat digerakkan.

Kapasitansi berbanding terbalik dengan jarak karena kapasitor menunjukkan respons nonlinier. Jenis transduser seperti itu digunakan untuk mengukur perpindahan kecil. Diagram fasor kapasitor ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

Sensitivitas transduser tidak konstan dan bervariasi dari satu tempat ke tempat lain.

Berikut ini adalah keuntungan utama dari transduser kapasitif.

1. Ini membutuhkan kekuatan eksternal untuk operasi dan karenanya sangat berguna untuk sistem kecil.
2. Transduser kapasitif sangat sensitif.
3. Ini memberikan respon frekuensi yang baik karena digunakan untuk studi dinamis.
4. Transduser memiliki impedansi input yang tinggi sehingga memiliki efek pembebanan yang kecil.
5. Ini membutuhkan daya keluaran kecil untuk operasi.

Kekurangan utama dari transduser adalah sebagai berikut.

1. Bagian logam dari transduser memerlukan insulasi.
2. Rangka kapasitor memerlukan pembumian untuk mengurangi efek medan magnet nyasar.
3. Kadang-kadang transduser menunjukkan perilaku nonlinier karena efek tepi yang dikendalikan dengan menggunakan cincin pelindung.
4. Kabel yang menghubungkan transduser menyebabkan kesalahan.

Berikut ini adalah kegunaan transduser kapasitif.

1. Transduser kapasitif digunakan untuk pengukuran perpindahan linier dan sudut. Ini sangat sensitif dan digunakan untuk pengukuran jarak yang sangat kecil.
2. Digunakan untuk mengukur gaya dan tekanan. Gaya atau tekanan yang akan diukur pertama-tama diubah menjadi perpindahan, dan kemudian perpindahan mengubah kapasitansi transduser.
3. Ini digunakan sebagai transduser tekanan dalam beberapa kasus, di mana konstanta dielektrik transduser berubah dengan tekanan.
4. Kelembaban dalam gas diukur melalui transduser kapasitif.
5. Transduser menggunakan pengubah mekanis untuk mengukur volume, kepadatan, berat, dll.

Keakuratan transduser tergantung pada variasi suhu ke tingkat tinggi.