Czujnik pojemnościowy

Czujnik pojemnościowy – element automatyki przemysłowej, służący do bezkontaktowego wykrywania obecności obiektów wykonanych z różnorodnych materiałów. Stanowi alternatywę dla czujników indukcyjnych w przypadkach, gdy niemożliwe jest zastosowanie tych ostatnich, na przykład ze względu na niemagnetyczny charakter wykrywanych elementów lub brak możliwości implementacji systemu dźwigni^[1].

Czujnik pojemnościowy może być zasilany zarówno napięciem stałym, jak i przemiennym. Zamiast cewki stosuje kondensator, którego jedną stałą okładkę stanowi element czujnika, natomiast drugą – zbliżający się obiekt. Zmiana odległości lub właściwości materiałowych obiektu powoduje zmianę parametrów kondensatora, co jest rejestrowane przez obwody wewnętrzne urządzenia^[1]. Aktywne czoło czujnika generuje zmienne pole elektryczne, wytwarzane przez oscylator LC lub RC, którego częścią jest kondensator. Bezdotykowe wprowadzenie obiektu w obszar działania pola zmienia warunki pracy oscylatora – prowadzi to np. do spadku amplitudy sygnału. Zmiana ta jest wykrywana przez detektor, a następnie przekształcana przez układ progowy w sygnał dwustanowy z histerezą. Wzmacniacz wyjściowy umożliwia bezpośrednie sterowanie elementami wykonawczymi (np. przekaźnikiem)^[2].

Działa na zasadzie pomiaru zmian pojemności elektrycznej kondensatora opisanej wzorem:

${\displaystyle C=\varepsilon _{0}\varepsilon _{r}{\frac {A}{d}}}$

Ponieważ powierzchnia czujnika i obiektu jest stała, przenikalność dielektryczna szczeliny (zwykle powietrze) się nie zmienia, to zmiana pojemności jest wyłącznie wynikiem zmiany odległości między czujnikiem a obiektem. Dlatego równanie można uprościć do:

${\displaystyle C\propto {\frac {1}{d}}}$

czyli pojemność jest odwrotnie proporcjonalna do odległości. Dzięki tej proporcjonalności, system czujnika pojemnościowego może przeliczać zmiany pojemności na zmiany odległości^[3].

Typowy zasięg działania czujników pojemnościowych wynosi do 30 mm, choć istnieją specjalne wersje o zwiększonym zasięgu 60 mm^[4]. Istnieją wersje reagujące natychmiastowo, jak również modele z programowanym opóźnieniem działania do 15 minut^[5] . Do głównych ograniczeń czujników pojemnościowych należy mniejszy zasięg w porównaniu do czujników indukcyjnych oraz wysoka wrażliwość na zabrudzenia i obecność przeszkód pomiędzy czujnikiem a obiektem. Maksymalna częstotliwość przełączania tych sensorów wynosi zazwyczaj kilkadziesiąt herców, co ogranicza ich zastosowanie w aplikacjach wymagających bardzo szybkiej detekcji. Zastosowania czujnika pojemnościowego obejmują:

• wykrywanie poziomu cieczy i materiałów sypkich,
• detekcję obiektów na taśmociągach,
• pomiar grubości materiałów, takich jak drewno lub folia^[1].

Pod względem konstrukcyjnym czujniki pojemnościowe przypominają modele indukcyjne – posiadają podobną obudowę i występują w różnych wariantach przeznaczonych do pracy w specyficznych warunkach środowiskowych^[1]. Występują w obudowach o kształcie cylindrycznym lub prostopadłościennym^[4]. Często posiadają gwint oraz uchwyty montażowe, które umożliwiają ich dopasowanie do różnych wymagań mechanicznych i elektrycznych^[5] . Dostępne są również elastyczne wersje specjalne, przystosowane do montażu na powierzchniach zarówno płaskich, jak i zakrzywionych, za pomocą klejenia^[4]. Dodatkowo, czujniki mogą być wyposażone w wyprowadzenie przewodowe lub złącze^[5] .

Do podstawowych elementów czujnika należą: głowica z elektrodami, potencjometr, oscylator, układ detekcji, układ wyjściowy. Część aktywna zlokalizowana jest zazwyczaj na jednym z końców obudowy i składa się z dwóch metalowych elektrod, które tworzą otwarty kondensator – zbliżenie obiektu do czujnika powoduje zmianę jego pojemności. Wartość całkowitej pojemności kondensatora, determinująca poziom sygnału wyjściowego, jest sumą pojemności własnej czujnika oraz zmiany wynikającej z obecności wykrywanego obiektu^[4].

• Karbowniczek M. Czujniki indukcyjne i pojemnościowe w praktyce inżynierskiej. „Elektronika Praktryczna”, s. 133–135, 2015. ISSN 1230-3526. 
• Krzysztoszek K., Podsiadły D. Zastosowanie czujników w układach elektropneumatycznych. „Autobusy. Technika, Eksploatacja, Systemy Transportowe”, s. 528–531, 2018. ISSN 1509-5878. 
• Piechnik Ł.: Zastosowanie czujników w automatyce przemysłowej. astat.pl. [dostęp 2025-05-16].
• Scientech Technologies Pvt. Ltd.: Capacitive Displacement Sensor SS 58. Product Tutorial Ver. 1.2.
• Żyłka W., Żyłka M., Szczerba Z. Czujniki w praktyce kształcenia inżynierskiego. „Edukacja – Technika – Informatyka”. 22 (4), s. 268–273, 2017. ISSN 2080-9069.