Универсальный внешний накопитель для всех iOS-устройств, совместим с PC/Mac, Android
Header Banner
8 800 100 5771 | +7 495 540 4266
c 9:00 до 24:00 пн-пт | c 10:00 до 18:00 сб
0 Comments

Содержание

Схемы и методы реализации емкостных датчиков касаний

Добавлено 5 ноября 2016 в 21:30

Сохранить или поделиться

В данной статье представлены некоторые основные схемы построения емкостных датчиков прикосновений и обсуждения, как бороться с низкочастотным и высокочастотным шумом.

Предыдущая статья

Измерение изменений

Если вы читали предыдущую статью, то вы знаете, что суть емкостных датчиков прикосновений заключается в изменении емкости, которое происходит, когда объект (обычно палец человека) приближается к конденсатору. Присутствие пальца увеличивает емкость, так как:

  1. вводит вещество (т.е. человеческую плоть) с относительно высокой диэлектрической проницаемостью;
  2. обеспечивает проводящую поверхность, которая создает дополнительную емкость параллельно существующему конденсатору.

Конечно, сам факт того, что емкость изменяется, не особенно полезен. Для того, чтобы на самом деле реализовать емкостной датчик касаний, нам необходима схема, которая может измерять емкость с точностью, достаточной, чтобы идентифицировать увеличение емкости, вызванное наличием пальца.

Существуют различные способы сделать это, некоторые довольно просты, другие более сложные. В данной статье мы рассмотрим два основных подхода для реализации емкостного сенсорного функционала: первый основан на постоянной времени RC (резистор-конденсатор) цепи, а второй основан на сдвигах частоты.

Постоянная времени RC цепи

Возможно, вы также испытываете чувства ностальгии по университету, когда видите экспоненциальную кривую, представляющую график напряжения во время заряда или разряда конденсатора. Возможно, кто-то при взгляде на эту кривую впервые понял, что высшая математика всё-таки имеет какое-то отношение к реальному миру, да и в век роботов, работающих на виноградниках, есть что-то привлекательное в простоте разряда конденсатора. В любом случае, мы знаем, что эта экспоненциальная кривая изменяется, когда изменяется либо резистор, либо конденсатор. Скажем, у нас есть RC цепь, состоящая из резистора 1 МОм и емкостного датчика касаний с типовой емкостью (без пальца) 10 пФ.

Сенсорный датчик касаний на базе RC цепи

Мы можем использовать вывод входа/выхода общего назначения (настроенный, как выход) для заряда конденсатора до напряжения, соответствующего высокому логическому уровню. Затем нам необходимо разрядить конденсатор через большой резистор. Важно понимать, что вы не можете просто переключить состояние выхода на низкий логический уровень. Вывод I/O, сконфигурированный на выход, будет управлять сигналом низкого логического уровня, то есть, он создаст низкоомное соединение выхода с землей. Таким образом, конденсатор быстро разрядится через это низкое сопротивление – так быстро, что микроконтроллер не сможет обнаружить едва заметные временные изменения, созданные небольшими изменениями емкости. Что нам здесь нужно, так это вывод с большим входным сопротивлением, что заставит почти весь ток разряда течь через резистор, а это может быть достигнуто настройкой вывода для работы, как вход. Итак, сначала вы установите вывод, как выход, выдающий высокий логический уровень, а затем этап разряда, вызывается изменением режима работы вывода на вход. Результирующее напряжение будет выглядеть примерно следующим образом:

График напряжения разряда емкостного датчика касаний

Если кто-то прикасается к датчику и тем самым создает дополнительную емкость 3 пФ, постоянная времени будет увеличиваться следующим образом:

Изменение кривой напряжения разряда емкостного датчика касаний при прикосновении к нему

По человеческим меркам время разряда не сильно отличается, но современный микроконтроллер, безусловно, может обнаружить это изменение. Скажем, у нас есть таймер с тактовой частотой 25 МГц; мы запускаем таймер, когда переключаем вывод в режим входа. Мы можем использовать таймер для отслеживания времени разряда, настроив этот же вывод действовать, как триггер, который инициирует событие захвата («захват» означает хранение значения таймера в отдельном регистре). Событие захвата произойдет, когда напряжение разряда пересечет порог низкого логического уровня вывода, например, 0,6 В. Как показано на следующем графике, разница во времени разряда с порогом 0,6 В составляет ΔT = 5. 2 мкс.

Измерение изменения времени разряда емкостного датчика касаний на уровне порогового напряжения

С периодом тактовой частоты таймера 1/(25 МГц) = 40 нс, это ΔT соответствует 130 тактам. Даже если изменение емкости будет уменьшено в 10 раз, у нас всё равно будет разница в 13 тактов между нетронутым датчиком и датчиком, к которому прикоснулись.

Таким образом, идея заключается в многократном заряде и разряде конденсатора, контролируя время разряда; если время разряда превышает заданный порок, микроконтроллер предполагает, что палец вошел в «контакт» с конденсатором датчика касаний (я написал «контакт» в кавычках потому, что палец на самом деле никогда не касается конденсатора – как упоминалось в предыдущей статье, конденсатор отделен от внешней среды лаком на плате и корпусом устройства). Тем не менее, реальная жизнь немного сложнее, чем идеализированное обсуждение, представленное здесь; источники ошибок обсуждаются ниже, в разделе «Работа в реальности».

Переменный конденсатор, переменная частота

В реализации на базе изменения частоты емкостной датчик используется в качестве «С»-части в RC генераторе таким образом, что изменение емкости вызывает изменение частоты.

Выходной сигнал используется в качестве входного для модуля счетчика, который подсчитывает количество фронтов или спадов, возникающих во время периода измерения. Когда приближающийся палец приводит к увеличению емкости датчика, частота выходного сигнала генератора уменьшается, и, таким образом, количество фронтов/спадов также уменьшается.

Так называемый релаксационный генератор (генератор колебаний, пассивные и активные нелинейные элементы которого не обладают резонансными свойствами) представляет собой основную схему, которая может использоваться для этой цели. Для этого в дополнение к конденсатору датчика касаний требуются несколько резисторов и компаратор. Кажется, это вызывает больше проблем по сравнению с методом заряда/разряда, который обсуждался выше, но если ваш микроконтроллер обладает встроенным модулем компаратора, это не так уж и плохо. Я не буду вдаваться в подробности схемы этого генератора, потому что, во-первых, он обсуждается во многих других местах, и, во-вторых, маловероятно, что вы захотите использовать этот метод генератора, когда есть много микроконтроллеров и отдельных микросхем, которые предлагают высокопроизводительную емкостную сенсорную функциональность.

Если у вас нет другого выбора, кроме как создать свою собственную схему емкостного сенсора касаний, я думаю, что метода заряда/разряда, описанный выше более прост. В противном случае, сделайте свою жизнь немного проще, выбирая микроконтроллер со специальным аппаратным обеспечением для емкостного датчика касаний.

Примером встроенного модуля, основанного на релаксационном генераторе, является периферия емкостного датчика в микроконтроллерах EFM32 от Silicon Labs:

Сенсорный интерфейс микроконтроллеров EFM32

Мультиплексор позволяет частоте колебаний управляться восьмью различными конденсаторами датчиков касаний. С помощью быстрого переключения между каналами, контроллер может эффективно контролировать одновременно восемь сенсорных кнопок, так как рабочая частота микроконтроллера очень высока по сравнению со скоростью движения пальца.

Работа в реальности

Емкостная сенсорная система будет зависеть и от высокочастотного, и от низкочастотного шума.

Влияние низкочастотного и высокочастотного шума на время разряда емкостного датчика касаний

Высокочастотный шум вызывает в измерениях времени разряда или количества фронтов незначительные изменения от отсчета к отсчету.

Например, схема заряда/разряда без пальца, о которой говорилось выше, может иметь время разряда 675 тактов, затем 685 тактов, затем 665 тактов, затем 670 тактов и так далее. Значимость этого шума зависит от ожидаемого изменения времени разряда при поднесении пальца. Если емкость увеличивается на 30%, то ΔT будет составлять 130 тактов. Если наши высокочастотные изменения составляют только ±10 тактов, то мы можем легко отличить сигнал от шума.

Однако, увеличение емкости на 30% находится вблизи максимального значения изменения емкости, на которое мы можем рассчитывать. Если мы получим изменение только на 3%, ΔT составит 13 тактов, что слишком близко к уровню шума. Одним из способов уменьшения влияния шума является увеличение амплитуды сигнала, и вы можете сделать это за счет уменьшения физического расстояния, разделяющего печатный конденсатор и палец. Однако, часто механическая конструкция ограничена другими факторами, и вы уже больше не можете увеличить уровень сигнала. В этом случае вам необходимо понизить уровень шума, что может быть достигнуто путем усреднения.

Например, каждое новое время разряда может сравниваться не с предыдущим временем разряда, а со средним значением последних 4 или 8 или 32 результатов измерений времени разряда. Метод, основанный на сдвиге частоты и описанный выше, автоматически включает усреднение, потому что небольшие изменения около средней частоты не будут существенно влиять на количество подсчитанных циклов в течение периода измерений, который более длительный по сравнению с периодом колебаний.

Низкочастотный шум относится к долговременным изменениям емкости датчика без прикосновения пальца; эти изменения могут быть вызваны условиями окружающей среды. Этот тип помехи не может быть усреднен, потому что изменения могут сохраняться в течение очель долгого периода времени. Таким образом, единственный способ эффективно бороться с низкочастотным шумом должен быть адаптивным: порог, используемы для обнаружения присутствия пальца, не может быть фиксированным значением. Вместо этого, он должен регулярно корректироваться на основе измеренных значений, которые не показывают значительные кратковременные изменения, такие как те, что вызваны приближением пальца.

Заключение

Методы реализации, обсуждаемые в данной статье, показывают, что емкостное определение касания не требует сложного аппаратного и программного обеспечения. Тем не менее, это универсальная, надежная технология, которая предоставить значительное улучшение производительности по сравнению с механическими альтернативами.

Оригинал статьи:

Теги

RC генераторДатчикЕмкостной датчик касанияЕмкостьПаразитная емкостьПечатный конденсаторПостоянная времени RC цепи

Сохранить или поделиться

Заметки для мастера - Емкостные реле в быту

          Емкостные реле в быту

 

          Емкостный датчик в качестве противоугонного устройства


   При несанкционированном проникновении злоумышленника в салон автомобиля срабатывает емкостное реле и разрывает контактную цепь, идущую к замку зажигания (Рис.

1). Емкостное реле самоблокируется и включает реле времени, находящееся до этого в ждущем режиме. Реле времени начинает отсчет времени, находящийся в пределах 10...60 с, после чего контакты реле времени включают мощную многотональную звуковую сигнализацию. При желании владельца автомобиля контакты реле времени могут включать электрошоковое устройство, тогда угонщик будет подвержен слабому воздействию электрического тока силой 1...6 мА и напряжением 300....3000 В. Дверные замки автомобиля автоматически закрываются и самоблокируются. Может также включаться радиомаяк, расположенный внутри автомобиля. Эти дополнительные устройства могут быть установлены по желанию автовладельца.

Рис.1

Датчиком емкостного реле служит кусок металлической фольги размером 100x50 мм или же фольгированный текстолит аналогичных размеров. Датчик может быть расположен в салоне автомобиля под сидением водителя, или же выполнен в виде какой-либо декоративной панели, привлекающей угонщика, или, наоборот, спрятанной, и тем самым не заметной для глаз злоумышленника, но к которой угонщик обязательно должен прикоснуться.


Датчиков в салоне автомобиля может быть 1... 10 штук.
Приводится противоугонное устройство в действие микровыключателем, расположенным в салоне автомобиля, известным о месте его нахождения только владельцу транспортного средства.На принципиальной схеме устройства микровыключатель не указан.
Сопротивление катушки K1 от 1 кОм до 175 Ом; число витков катушки - 3400; ток срабатывания составляет 36 мA ток отпускания - 8 мА; напряжение питания - 12 В. Катушка колебательного контура L1 намотана на бумажном каркасе диаметром 8... 10 мм и содержит 26 витков провода ПЭВ-1 диаметром 0,3...0,4 мм, намотанных виток к витку в один слой. Отвод сделан от 7-го витка.

А.Гайдук, г. Борисов

 

         Простое емкостное устройство

 

        Устройство, схема которого показана на рис.2, работает на звуковых частотах. Для увеличения чувствительности здесь в контур генератора НЧ введен полевой транзистор, к затвору которого подключается датчик.

 

Рис. 2

        Генератор прямоугольных импульсов со звуковой частотой около 1000 Гц собран на элементах DD1.1 и DD1.2. В качестве выходного каскада используется элемент DD1.3 той же микросхемы К155ЛА3, нагрузкой которого служит телефонный капсюль.

        С целью дальнейшего увеличения чувствительности емкостного реле возможно увеличение количества элементов, введенных в RC – цепочку. Однако следует учитывать, что при пяти и больше логических элементах в схеме наладка не усложняется.

        Обычное емкостное реле начинает работать сразу после включения. Требуется только подстроить резистор R1 на пороговую чувствительность.

        При отладке данного реле возможны два варианта его работы: срыв или, наоборот, возникновение генерации при введении емкости. Установка требуемого варианта осуществляется подбором переменного резистора R1. При приближении руки к датчику Е1 подстройкой резистора R1 добиваются, чтобы расстояние, с которого срабатывало бы емкостное реле, было около 10 – 20 см.

        Для подключения исполнительных механизмов к емкостному реле сигнал с элемента DD1.3 следует подать на электронное реле.

 

Крылов А.

Ярославская обл.

 

          Емкостное реле для управления освещением

 

        В часто посещаемых помещениях для экономии электроэнергии удобно применить емкостное реле для управления освещением. При входе в помещение, если необходимо включить свет, проходят вблизи емкостного датчика, который подает сигнал в емкостное реле, и лампа включается. Выходя из помещения, если нужно выключить свет, проходят вблизи емкостного датчика на выключение, и реле выключает лампу. В ждущем режиме устройство потребляет ток около 2 мА.

        Принципиальная схема емкостного реле изображена на рис.3

 

Рис.3

        Устройство по схеме подобно реле времени, у которого времязадающий узел заменен триггером на логических элементах DD1.1, DD1.2. При включении тумблера S1 через лампу HL1 будет протекать ток, если на базу транзистора VT1 с выхода элемента DD1. 1 поступает напряжение высокого уровня. Транзистор VT1 при этом открыт, и тиристор VD6 открывается в начале каждого полупериода напряжения. Триггер переключается от емкостного тока утечки, при приближении человека на некоторое расстояние к одному из емкостных датчиков, если до этого он переключился от приближения к другому. При смене напряжения высокого уровня на базе транзистора VT1 на напряжение низкого уровня тиристор VD6 закроется, и лампа погаснет.

        Емкостные датчики Е1 и Е2 представляют собой отрезки коаксиального кабеля (например, РК-100, ИКМ-2), со свободного конца которых на длину около 0.5 м снят экран. Изоляцию с центрального провода снимать не нужно. Край экрана необходимо изолировать. Датчики можно прикрепить к дверной раме. Длину неэкранированной части датчиков и сопротивление резисторов R5. R6 подбирают при налаживании устройства так, чтобы триггер надежно переключался при прохождении человека на расстоянии 5...10 см от датчика.

        При налаживании устройства необходимо соблюдать меры предосторожности, так как элементы устройства находятся под напряжением сети.

 

С. Лобкович, г. Минск

 

          Схема емкостного реле на микросхеме

 

        Что такое емкостное реле? Это электронное реле, срабатывающее при изменении емкости между его датчиком и общим проводом. Чувствительным узлом большинства емкостных реле является генератор электрических колебаний довольно высокой частоты (сотни килогерц и выше). Когда параллельно контуру такого генератора подключается дополнительная емкость, то либо изменяется в определенных пределах частота генератора, либо его колебания срываются вовсе. В любом случае срабатывает пороговое устройство, соединенное с генератором, - оно включает звуковой или световой сигнализатор.

        Емкостное реле нередко используют для охраны различных объектов. При приближении к объекту человека реле извещает об этом охрану. Кроме того, оно находит применение в устройствах автоматики.

        Схема емкостного реле приведена на рис.4

 

 

Рис.4

        Устройство собрано на одной интегральной цифровой микросхеме и не содержит намоточных деталей, без которых не обойтись при изготовлении устройств с высокочастотным генератором.

        Работает емкостное реле так. Пока емкость между датчиком, подключаемым к гнезду XS1, относительно общего провода (минус источника питания) мала, на резисторе R2, а значит, на соединенном с ним входе элемента DD1.3 формируются короткие импульсы положительной полярности, а на выходе элемента (вывод 4) – такие же импульсы отрицательной полярности. Иначе говоря, напряжение на выходе элемента большую часть времени имеет уровень логической 1, а в течении очень короткого промежутка – уровень логического 0. Конденсатор С5 медленно заряжается через резистор R3, когда на выходе элемента уровень логической 1, и быстро разряжается через диод VD1 при появлении уровня логического 0. Поскольку разрядный ток значительно превышает зарядный, напряжение на конденсаторе С5 имеет уровень логического 0, и элемент DD1.4 закрыт для сигнала звуковой частоты.

        При приближении к датчику руки его емкость относительно общего провода увеличится, амплитуда импульсов на резисторе R2 уменьшится и станет меньше порога включения элемента DD1. 3. На выходе элемента DD1.3 будет постоянно уровень логической 1, до этого уровня зарядится конденсатор С5. Элемент DD1.4 начнет пропускать сигнал звуковой частоты, и в капсюле BF1 раздастся звук.

        Чувствительность емкостного реле можно изменять подстроечным конденсатором С3.

        Датчик представляет собой металлическую сетку (или пластину) размерами примерно 200 х 200 мм, чтобы обеспечить сравнительно высокую чувствительность реле.

        Проверяют и настраивают реле в такой последовательности. Одной рукой берутся за неизолированный конец «земляного» провода и, поворачивая ротор подстроечного конденсатора, устанавливают его в положение, при котором звукового сигнала нет. Теперь при приближение другой руки к датчику в капсюле должен раздаваться звуковой сигнал. Если его нет, можно увеличить емкость конденсатора С3. Если же сигнал вообще не исчезает, следует уменьшить емкость конденсатора С2 или вовсе изъять его из конструкции. Более точным подбором емкости подстроечного конденсатора можно добится срабатывания реле при поднесении руки к датчику на расстоянии более десяти сантиметров.

        Если емкостное реле захотите использовать для включения мощной нагрузки, соберите схему на рис.5.

 

Рис.5

        Теперь к элементу DD1.4 подключен транзистор VT1, коллекторная цепь которого соединена с управляющим электродом тиристора VS1. Тиристор, а значит, и его нагрузка могут питаться либо постоянным, либо переменным током. В первом случае после «срабатывания» реле и последующего его «отпускания» (когда от датчика уберут руку) выключить тиристор удастся лишь кратковременным отключением питания его анодной цепи. Во втором варианте тиристор будет выключатся при закрывании транзистора.

 

Нечаев.И.

г. Курск 

 

          Емкостное реле на транзисторах

 

        На рис.6 показана схема простого транзисторного емкостного реле.

 

Рис.6

        Транзисторы VT1 – VT3 формируют усилитель электрического сигнала, возникшего в результате наводки от человеческого тела. Конденсатор С1, диоды D2 и D3 защищают реле от ложного срабатывания.

        Сенсор представляет собой пластину из алюминия или меди размером примерно 10 см х 10 см. Транзисторы VT1, VT3 возможно заменить на КТ3102, КТ815.

        При наладке данной схемы, следует соблюдать меры электробезопасности, так как все элементы конструкции находятся под напряжением электросети.

 

        

Схема емкостного датчика на трех транзисторах КТ3102

Приведена очень простая схема емкостного датчика, выполненного на трехтранзисторах КТ3102, конструкция реагирует на прикосновение человека к чему-либо металлическому, например, к дверной ручке.

Датчик присоединяется к металлическому предмету проводом. При прикосновении к этому предмету загорается индикаторный светодиод и на выходе увеличивается напряжение.

Принципиальная схема

Схема датчика состоит из генератора ВЧ-колебаний, детектора и усилителя постоянного напряжения. В статическом режиме генератор ВЧ работает, и его выходной сигнал поступает на детектор, на котором образуется некое постоянное напряжение, запирающее индикаторный светодиод.

Срабатывание датчика основано на срыве его генерации под влиянием внешней емкости. При этом, напряжение на выходе детектора падает, и отпирается индикаторный светодиод.

Схема датчика показана на рисунке. Высокочастотный генератор выполнен на транзисторе VT1. Контур состоит из катушки L1, её емкости и внешней емкости.

Резистором R3 настраивают степень шунтирования контура таким образом, чтобы срыв генерации обеспечивался при резком увеличении емкостной составляющей контура.

Рис. 1. Принципиальная схема емкостного датчика на трех транзисторах КТ3102.

Сигнал снимается с эмиттера транзистора VT1. При наличии генерации здесь есть ВЧ-напряжение, которое поступает на диодный детектор на диодах VD1 и VD2 и транзисторе VT2 с конденсатором С5 на выходе. При наличии ВЧ напряжения на базе VT2 есть напряжение, открывающее его.

Он открывается и напряжение на С5 снижается. Это приводит к снижению напряжения на базе VТЗ, что приводит к его закрыванию. Напряжение на эмиттере VТЗ падает, светодиод не горит.

Если прикоснуться к предмету, к которому подключен датчик, емкость контура увеличивается и становится значительно выше емкости СЗ. Выше на столько, что емкости СЗ уже недостаточно для поддержания генерации. Генерация срывается, и ВЧ напряжения на эмиттере VТ1 больше нет.

Транзистор VТ2 закрывается и напряжение на конденсаторе С5 увеличивается. Транзистор VТЗ открывается, напряжение на его эмиттере увеличивается и загорается светодиод НИ.

Детали

Каркасом для намотки катушки L1 служит резистор R2, именно поэтому на схеме он указан двухваттным, потому что нужны размеры для намотки катушки. Катушка L1 содержит 25-30 витков провода ПЭВ 0,35, намотанного на резистор R2, и концы этой катушки распаяны на выводы R2.

Катушка L2 - готовый дроссель на 5-15 миллигенри. Можно заменить и самодельным дросселем на такую индуктивность. Транзисторы КТ3102 можно заменить любыми аналогами. Светодиод НИ - любой индикаторный светодиод, например, АЛ307.

С эмиттера VТЗ можно подать напряжение для управления какой-то схемой, которая должна включаться при прикосновении к дверной ручке.

Настройка

Настройка заключается в регулировке чувствительности датчика подстроечным резистором R3, так чтобы он срабатывал при прикосновении к дверной ручке или другому предмету, подключенному к коллектору VТ1.

Молотов М.А. РК-06-16.

Емкостной датчик: принцип работы, разновидности, схема

Емкостной датчик, как его определяет Большая Советская Энциклопедия, — измерительный преобразователь, позволяющий неэлектрические величины перевести в значения электрической емкости. Например, такие как давление, уровень жидкости, механическое усилие, влажность, и прочие. Изменения  емкости оказываются пропорциональны колебаниям измеряемой величины, и это соответствие позволяет отследить ее поведение.

Как работает такой измеритель

По сути дела, подобный сенсор представляет собой конденсатор. На определении его характеристики базируется работа измерителя и контроль параметров. Поэтому вполне к месту будет вспомнить о том, что такое конденсатор.

Про конденсатор, его характеристики

Как известно, емкость конденсатора определяется формулой

С=Ɛ×Ɛ0×S/d

Где:

  • Ɛ0 — диэлектрическая постоянная;
  • Ɛ — относительная диэлектрическая проницаемость среды между пластинами;
  • d — зазор между обкладками;
  • S — площадь обкладок.

В этой формуле три переменные величины — диэлектрическая проницаемость Ɛ, площадь S обкладок конденсатора и зазор между обкладками d. Изменение любой из них приведет к изменению емкости, а отслеживание колебаний позволит контролировать характеристики среды или другого параметра.

Принцип работы емкостного измерителя

Самое простое техническое решение — включить измерительный сенсор во времязадающую цепь генератора. Не вдаваясь в тонкости схемотехники, можно сказать, что принцип работы любого емкостного датчика тем или иным образом связан с изменением параметров генератора. Это происходит из-за колебаний емкости конденсатора, что приводит к генерации им колебаний другой частоты.

Таким образом, отслеживая ее значение на выходе измерителя, можно оценивать  изменения контролируемого параметра. Конечно, в каждом конкретном случае схемотехническое решение может быть разным. Во многом оно будет зависеть от параметра конденсатора, на который оказывается воздействие со стороны внешней среды.

Это может быть изменение зазора между обкладками конденсатора из-за их сближения или удаления. Или при заполнении резервуара другой средой, например водой, изменится значение диэлектрической проницаемости. Или обкладки конденсатора после внешних воздействий будут располагаться друг относительно друга по-разному.

Любое подобное воздействие вызовет изменение значения емкости конденсатора, а значит, повлияет на работу схемы. Например, емкостные датчики уровня контролируют степень заполнения резервуара или бункера. Зная зависимость между уровнем жидкости и емкостью конденсатора, можно определить, насколько заполнен бак.

Хотя надо отметить, что могут применяться и другие способы обработки сигналов датчика. Их достаточно много, выбор того или иного зависит от конкретных условий. Современный уровень развития электроники позволяет получать обработанный сигнал в виде цифрового кода.

Еще один метод измерения емкости — использование аналого-цифровых преобразователей. Микроконтроллеры вполне могут справиться подобной задачей. В этом случае значительно упрощается измерительная часть приборов на их основе.

Какие бывают датчики

Все измерители на основе ёмкостного сенсора можно разделить на:

  • одноемкостные;
  • двухемкостные.

Необходимо отметить, что конструктивно емкостные датчики могут быть:

  • плоскими;
  • цилиндрическими;
  • поворотными.

Сфера применения любых из них достаточно обширна. Как пример, по функциональному назначению их можно использовать в роли:

  • измерителей уровня;
  • приборов контроля углового перемещения;
  • датчиков перемещения;
  • инклинометров;
  • датчиков давления.

Этими примерами далеко не исчерпываются варианты применения емкостных измерителей. Ниже будут рассмотрены и другие возможности, предоставляемые этими приборами.

Одноемкостные датчики

Это самые простые сенсоры. По сути, они являются обычными конденсаторами переменной емкости, изменения которой отслеживаются специальной схемой. Ёмкостные измерители подобного типа подвержены сильному влиянию со стороны внешней среды. Лучше всего на их основе реализовывать различные бесконтактные варианты контроля, например приближения посторонних лиц к охраняемой зоне или движения в ней.

Как выглядят на практике подобные конденсаторы, можно понять из приведенных ниже рисунков.

Двухемкостные датчики

Позволяют уменьшить влияние внешней среды. Ёмкостный сенсор подобного типа отличается большей точностью измерения из-за того, что один конденсатор служит в качестве эталонного. Это позволяет компенсировать стороннее влияние. Двухемкостные датчики бывают дифференциальными и полудифференциальными. Схематически примеры построения подобных приборов показаны ниже.

Другой способ повысить чувствительность емкостного измерителя — использовать мостовую схему включения.

Датчики уровня

Емкостные датчики уровня — устройства, позволяющие контролировать уровень жидкого или сыпучего вещества в баке или бункере. Конечно, конструктивное исполнение вариантов измерителей для различных веществ будет разным, но принцип останется неизменным.

Фактически емкостные датчики уровня подобного типа являются двумя конденсаторами, соединенными между собой параллельно. Только у одного диэлектриком служит воздух, а у другого — жидкость или иное вещество. Таким образом, емкость каждого из них будет разная, она будет меняться и зависеть от степени заполнения бункера (бака).

Приведенный рисунок или схема емкостного датчика отличается простотой построения и универсальностью. Однако, чтобы повысить точность измерения, лучше всего, как минимум, дополнительно контролировать температуру жидкости, от нее зависит значение диэлектрической проницаемости. И в зависимости от температуры в расчетах необходимо будет использовать поправочный коэффициент.

Датчики линейного перемещения

Подобные устройства могут использоваться в самых разных целях, например для:

  • контроля начала-окончания рабочего хода исполнительного устройства в автоматических станках;
  • позиционирования различных объектов;
  • фиксации появления стороннего объекта в системе охраной сигнализации;
  • как концевой выключатель.

Датчики подобного типа могут работать на различных принципах. Ниже рассмотрим два варианта их реализации.

  • На основе изменения зазора между пластинами конденсатора. В таком варианте воздействие приходится на одну из обкладок, она под приложенным усилием может смещаться, что вызывает изменение емкости конденсатора, пропорциональное воздействию.
  • В представленном ниже варианте работа датчика основана на изменении диэлектрической проницаемости диэлектрика между обкладками.

Датчики углового перемещения

По своей сути подобные сенсоры похожи на датчики линейного перемещения, и чаще всего для этих целей используют приборы с изменяемой площадью. Одна из обкладок конденсатора прикреплена к валу объекта, а другая остается неподвижной. Изменение степени перекрытия пластин вызывает колебания емкости.

Для повышения точности измерения чаше всего используют многосекционные преобразователи.

Инклинометр

Принцип работы такого устройства схож с тем, как работает емкостный датчик уровня. В специальной капсуле крепится подложка, на которой располагаются два изолированных участка, которые являются одним из выводов конденсатора. Внутри капсула заполнена токопроводящей жидкостью. Она является  другим электродом конденсатора. Его емкость определяется положением прибора по вертикали и не зависит от угла наклона в других направлениях.

Датчик давления

В подобном измерителе давление вызывает изменение расстояния между обкладками конденсатора. Достигается это тем, что между его пластинами располагается эластичная мембрана, на которую и оказывается воздействие. Перегородка в зависимости от давления движется в ту или иную сторону, что приводит к изменению емкости.

Емкостные датчики прикосновения

Рассматривая разнообразные типы сенсоров на основе электрической емкости, нельзя обойти вниманием такое их использования  как датчики прикосновения. Самым наглядным примером подобных приборов служат смартфоны. Реализация датчиков прикосновения может быть достаточно сложной, но она базируется на некоторых простых основополагающих принципах. Работа таких устройств основана:

  • на использовании собственной емкости;
  • на использовании взаимной емкости.

Далее будет рассмотрен принцип работы датчиков прикосновения на основе собственной емкости.

Датчик на основе собственной емкости

Конденсатор существует  не только в виде отдельного объемного элемента с выводами. Емкостью также обладают два обычных проводника, расположенные параллельно. Исходя из этого, можно получить конденсатор, основываясь на электропроводных слоях, разделенных каким-либо диэлектриком. Такой конденсатор может быть получен на основе печатной платы.

Он представлен на рисунке ниже (в двух проекциях — сверху и сбоку). Мы видим обособленный участок (сенсорная кнопка), отделенный от общего слоя меди. А так как остальные участки соединены с землей, то сенсорная площадка может быть представлена как конденсатор между ней и землей.

Емкость такого конденсатора будет мала, порядка 10 пФ. Но для различных устройств ее значение не принципиально. При контроле зачастую важна не емкость, а ее изменение. Именно на это рассчитаны те схемы, которые обрабатывают состояние сенсорной кнопки.

Как изменить состояние кнопки

Самое простое, что можно сделать, — прикоснуться пальцем. Надо сразу отметить, что никакой опасности для человека такое касание не представляет. Обычно все платы покрываются лаком, так что прямого контакта с токопроводящими элементами не произойдет. Тем не менее, изменения состояния конденсатора будут. Это возможно по двум причинам:

  • из-за диэлектрической проницаемости человеческого тела;
  • из-за собственной проводимости

Тело обладает собственной диэлектрической проницаемостью

Вследствие того, что диэлектрическая проницаемость тела отличается от диэлектрической проницаемости воздуха, который служит изолятором в первоначальный момент, то емкость конденсатора изменится. Здесь расчет простой — диэлектрическая проницаемость воздуха 1, а воды — 80 (человеческое тело по большей части состоит из воды). Значит, емкость сенсорной кнопки увеличится.

Для этого изменения даже не надо ее касаться. Как показали исследования ученых, порой достаточно просто поднести палец к контакту.

Тело обладает собственной проводимостью

Это давно установленный факт.

И хотя выше говорилось, что касание не несет опасности для человека, тем не менее, оно вносит свою лепту в изменение состояния сенсорной кнопки. Упрощенно можно считать, что емкость пальца подключена параллельно емкости сенсорной кнопки. Поэтому общая емкость системы, как и в предыдущем случае, увеличится. А значит, оба рассмотренных механизма (изменение диэлектрической проницаемости и собственная проводимость человеческого тела) приводят к увеличению емкости.

Использование емкостных датчиков прикосновения

Подобные сенсоры нашли широкое применение не так давно, хотя в повседневной жизни они встречаются повсеместно. Можно ожидать, что благодаря им использование механических переключателей и кнопок будет минимизировано. Самое главное — такая технология позволяет определить момент касания, а уж современная  электроника его обработает без каких либо проблем.

Датчики присутствия

Другим, не менее важным и востребованным вариантом применения датчиков на основе емкости является их использование для обнаружения кого- или чего-либо в зоне контроля. Самый простой пример — включение освещения на лестничной площадке. Хотя этим далеко не исчерпываются возможности таких измерителей. Не менее востребовано применение таких сенсоров в системах охранной сигнализации. Или подсчета количества штучной продукции.

Как это работает

Выше уже отмечалось, что человеческое тело обладает определенной диэлектрической проницаемостью и проводимостью.

На рисунке представлено схематическое изображение такой системы. Имеются два электрода, подключенные к измерителю. Каждый из них обладает своей емкостью, обозначенной С1. В результате есть определенная  результирующая емкость у всей системы.

При появлении в контролируемой зоне какого-то нового объекта, например человека, у системы образуются две дополнительные емкости:  Са — между электродом  и телом человека, и Сb — между человеком и землей. Результирующая емкость всей системы изменится, и это изменение может быть отслежено схемой контроля.

Еще один способ обнаружения присутствия

В этом случае также используется эффект увеличения емкости при появлении постороннего предмета в зоне контроля. Только в данном случае применяется механизм активного воздействия на контролируемый участок. Для этого используется схема датчика с активным излучателем.

В состав такого измерителя входят генератор сигналов, компаратор и усилитель-преобразователь. При включении схемы в пространстве перед измерителем возникает электрическое поле. Генератор настроен таким образом, чтобы при отсутствии посторонних предметов он не запускался. Достигается это тем, что свободное пространство считается развернутым конденсатором с диэлектрической проницаемостью равной 1. Значение емкости получается недостаточным для запуска генератора.

При появлении каких-либо материалов, объектов, людей перед измерителем диэлектрическая проницаемость среды изменяется (увеличивается), также растет емкость конденсатора. Это приводит к запуску генератора. Амплитуда колебаний будет зависеть от расстояния до предмета, его материала и диэлектрической проницаемости.

При достижении амплитуды колебаний определенной величины, срабатывает компаратор и выдает сигнал на усилитель. Посторонний предмет обнаружен.

Данная схема может применяться не только в системах охранной сигнализации для фиксации вторжения в закрытую зону, но и для других целей. На этом принципе может работать система подсчета количества штучного товара, например, упаковок молока, консервных банок или любых других аналогичных предметов.

Возможные сферы применения датчиков

Рассмотренные емкостные датчики уровня, давления, положения и другие типы подобных изделий, а также особенности конструкции, позволяют сделать вывод об их универсальности. А значит, они могут быть использованы в разных областях промышленности, схемах регулирования и контроля.  В качестве примера можно назвать следующие области народного хозяйства, где могут применяться подобные измерители:

  • нефтегазовая промышленность;
  • добыча и переработка металлов;
  • горнодобывающая промышленность;
  • сельское хозяйство, в том числе животноводство и растениеводство;
  • деревообрабатывающая промышленность;
  • производство напитков и продуктов питания;
  • станкостроение и роботизированные комплексы;
  • целлюлозно-бумажная промышленность;
  • химическая промышленность и другие.

Использование емкостных преобразователей позволяет решить самые различные задачи. Перечислить их все просто нереально, но опять же в качестве примеров можно перечислить такие варианты их использования:

  • указание положения жидкости, сыпучих веществ, в том числе продуктов, в трубе или хранилище, контроль их заполнения;
  • сигнализация обрыва провода, ленты, иных подобных предметов при намотке;
  • подсчет количества штучных изделий;
  • контроль натяжения ленты;
  • использование в охранных системах для обнаружения несанкционированного вторжения.

Преимущества емкостных датчиков

Среди несомненных достоинств таких сенсоров, где бы они ни применялись, хоть в Москве, хоть в Антарктиде, стоит отметить:

  • малый вес, габариты, незначительное потребление электроэнергии;
  • отсутствие контактов;
  • длительный срок эксплуатации;
  • возможность адаптировать датчики к использованию для решения различных задач;
  • незначительные усилия для перемещения подвижных частей.
  • простоту изготовления, а также применение для этих целей доступных, недорогих материалов;

Недостатки датчиков

Однако для таких измерителей характерны и некоторые недостатки:

  • ошибки и погрешности, порой значительные, в процессе измерений;
  • необходимость использования преобразователей и измерителей, работающих на высоких частотах;
  • экранирование измерительных и высокочастотных цепей;


Где купить

Различные сенсорные устройства можно купить в специализированном магазине. Но существует другой вариант, который недавно получил ещё и значительные улучшения. Долго ждать посылку из Китая больше не требуется: в интернет-магазине АлиЭкспресс появилась возможность отгрузки с перевалочных складов, расположенных в различных странах. Например, при заказе вы можете указать опцию «Доставка из Российской Федерации».

Переходите по ссылкам и выбирайте:

Заключение

Различные измерители, построенные на емкостных датчиках, широко используются в самых разных отраслях промышленности, отличаются простотой в изготовлении и применении. Имеют длительный срок службы и высокую надежность.

Видео по теме

Схема. Емкостный датчик - Сайт радиолюбителей и радиомастеров. Схемы и сервис мануалы.

В книгах и журналах для радиолюбителей за последние 20 лет опубликовано немало описаний конструкций датчиков приближения, различающихся принципом действия, чувствительностью, сложностью и используемой элементной базой. Однако многие из них пригодны для работы лишь в условиях, близких к лабораторным, при практически неизменных температуре окружающей среды и напряжении питания.
Например, датчик, описанный в [1], выполнен на цифровой микросхеме и обладает высокой экономичностью, однако порог его срабатывания существенно зависит от напряжения питания. Устойчивость его работы при повышенной влажности из-за высокого сопротивления резистора R2 явно недостаточна и сильно зависит от длины проводов, соединяющих электронный узел с чувствительным элементом.

Мастерская по изготовлению и ремонту очков в Москве
Компания «СМ-ОЧКИ» имеет современную высокотехнологичную мастерскую по производству очков любой сложности и конфигурации. Мы можем изготовить для вас широкий спектр очков: от стандартных и простых до эксклюзивных экземпляров по сложному индивидуальному рецепту, в том числе оптические и солнцезащитные очки в модных оправах от известных брендов с мировым именем  https://www. sm-ochki.ru/workshop/

 

Датчики, предложенные в [2], потребляют ток до нескольких миллиампер, что ограничивает возможность их применения в системах с автономным питанием. Из-за зависимости порога характеристик ОУ от температуры и напряжения питания возможна ситуация, когда такой датчик либо будет постоянно находиться в сработавшем состоянии, либо перестанет срабатывать совсем.

Предлагаемый датчик немного сложнее упомянутых выше, но отличается от них отсутствием намоточных элементов, хорошей повторяемостью, работает при напряжении питания 3…15 В, потребляя приблизительно 40 мкА (при напряжении 5 В). Для него характерны независимость порога срабатывания от температуры окружающей среды и напряжения питания, малая чувствительность к электромагнитным помехам и наводкам. Возможен точный расчет порога срабатывания, исходя из номиналов используемых элементов, или расчет этих номиналов для получения требуемого порога срабатывания.
Схема емкостного датчика показана на рис. 1. На триггере DD1.1 выполнен генератор импульсов. Их длительность (приблизительно 0,2 мс) задана цепью R1C1, а период повторения (приблизительно 1,5 мс) — цепью R2C2. Детектор понижения напряжения DA1 некоторое время после включения питания прибора удерживает напряжение на входе S триггера DD1.1 на низком логическом уровне, исключая таким образом запрещенное состояние высокого уровня на обоих установочных входах (R и S) триггера. Иначе в случае нарастания напряжения питания со скоростью менее 2…3 В/мс самовозбуждения генератора не произойдет.

Импульсы генератора одновременно запускают два одновибратора. Первый (на триггере DD2.1) формирует импульсы образцовой длительности, зависящей от номиналов элементов R4, R5, С4. Длительность импульсов второго одновибратора (на триггере DD2.2) зависит от сопротивления резистора R3 и емкости конденсатора, образованного металлическими пластинами Е1 и Е2. Разделительный конденсатор С5 предотвращает случайное попадание на вход триггера DD2.2 постоянного напряжения.
Работа датчика основана на сравнении длительности импульсов, формируемых двумя одновибраторами. Если импульс второго (измерительного) одновибратора короче импульса первого (образцового), в момент положительного перепада напряжения на инверсном выходе триггера DD2.1 (в точке 1, см. рис. 1) уровень напряжения на выходе триггера DD2.2 (в точке 2) будет низким. Триггер сравнения DD1.2, срабатывающий по положительному перепаду на входе С, перейдет в состояние низкого логического уровня на выходе. В противном случае (измерительный импульс длиннее образцового) уровень в точке 2 и на выходе триггера DD1.2 будет высоким.

Когда с приближением постороннего предмета к пластинам Е1 и Е2 емкость между ними увеличивается, низкий уровень на выводе 2 разъема Х1 сменяется высоким. Пороговое значение емкости, при превышении которого это происходит, определяют по формуле

где R4BB — введенное сопротивление подстроечного резистора R4; Свх≈6 пф — емкость входа R триггера. При указанном на схеме номинале резистора R5 с помощью R4 можно изменять порог срабатывания по емкости от 6 до 32 пф. Так как активные элементы мультивибраторов находятся внутри одной микросхемы DD2, при изменении температуры или напряжения питания их характеристики и длительности формируемых импульсов изменяются одинаково. Это обеспечивает стабильность порога срабатывания датчика в широком интервале изменения температуры и напряжения питания.

В датчике можно использовать постоянные резисторы С2-ЗЗн, МЛТ, С2-23 или аналогичные мощностью 0,125 или 0,25 Вт с допуском не хуже ±5 %. В качестве R4 желательно использовать подстроенный резистор с малым ТКС (например, СПЗ-19а, СПЗ-196). Широко распространенные резисторы СПЗ-38а по этой причине применять не рекомендуется. Конденсаторы С1—С4 — любые малогабаритные керамические (КМ-5, КМ-6, К10-17 или аналогичные импортные). Разделительный конденсатор С5 должен быть высоковольтным (например, К15-5), рассчитанным на напряжение не менее 500 В. Его емкость может лежать в пределах 1000…4700 пф. Диод VD1 — любой из серий КД103, КД503, КД521.КД522.

Микросхемы К561ТМ2 можно заменить на 564ТМ2 или их импортные аналоги. Детектор понижения напряжения (DA1) следует выбирать с пороговым напряжением, заведомо меньшим минимального напряжения питания датчика. Например, при питании напряжением 5 В подойдут детекторы КР1171СП42, КР1171СП47, при 9 В — также КР1171СП53, КР1171СП64, КР1171СП73.
Электронный блок датчика собран на плате из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм. Чертеж печатных проводников и расположения деталей показан на рис. 2. Чувствительный элемент (пластины Е1 и Е2) рекомендуется оформить в виде «развернутого» конденсатора [2], соединив его с электронным блоком проводами длиной не более 50 мм.

Налаживание датчика сводится к установке порога резисторами R4 и R5. Срабатывание можно контролировать с помощью цепи из светодиода (анодом к контакту 2 разъема Х1) и резистора номиналом 2,2…4,7 кОм (между катодом светодиода и контактом 3 разъема). Включив питание, вращением движка подстроечного резистора R4 добейтесь зажигания светодиода, а затем поворотом движка немного вправо (по схеме) — его погасания. О правильной регулировке будет свидетельствовать включение светодиода при приближении к чувствительному элементу какого-либо предмета. Если светодиод не горит даже в крайнем левом положении движка резистора R4, следует установить вместо R5 перемычку и повторить настройку.
Устройство можно использовать как датчик прикосновения человека к пластине Е2, причем ее роль может выполнять любой металлический предмет, например, дверная ручка. В этом случае от пластины Е1 можно вообще отказаться, а резисторы R4 и R5 заменить одним резистором номиналом 330 кОм.

Один из вариантов датчика, изготовленный автором, имел чувствительный элемент в виде плоского конденсатора с площадью обкладок 100 см2 и расстоянием между ними 5 мм. Он уверенно срабатывал при заполнении пространства между обкладками машинным маслом на 70 % в интервале температуры -30…+85 «С. Срабатывания, вызванные конденсацией воды, приближением рук и другими мешающими факторами, не зафиксированы.
При подобном использовании и применении в качестве чувствительного элемента плоского или цилиндрического конденсатора рекомендуется предварительно оценить требуемое значение введенного сопротивления подстроечного резистора R4 по формуле

где Спр— емкость соединительных проводов; Ск — емкость чувствительного элемента, вычисляемая по известным формулам емкости плоского или цилиндрического конденсатора.
Если вычисленное значение получилось отрицательным, следует исключить из схемы резистор R5, а если больше 200 кОм, — увеличить номинал R5 таким образом, чтобы сопротивление R4ВВ лежало в пределах 100…150 кОм. Окончательно датчик регулируют описанным выше образом.

ЛИТЕРАТУРА
1. Нечаев И. Емкостное реле. — Радио, 1988, № 1,с. 33.
2. Москвин А. Бесконтактные емкостные датчики. — Радио, 2002, № 10, с. 38, 39.

М. ЕРШОВ, г. Тула
«Радио» №3 2004г.

Post Views: 2 138

Емкостные датчики. Виды и устройство. Работа и применение

Емкостные датчики – преобразователи параметров. Их работа заключается в изменении емкостного сопротивления путем изменения измеряемого параметра. Емкостный датчик преобразовывает такие величины, как влажность, давление, сила механического воздействия, уровень жидкости в изменение электрической емкости.

Классификация

По исполнению емкостные датчики делятся на:

  • Одноемкостные.
  • Двухъемкостные.

Одноемкостнй датчик имеет простое устройство и выполнена в виде конденсатора с изменяемой емкостью. Его недостатком является большое влияние внешних воздействий. К ним относятся температура и влажность. Чтобы компенсировать такие неточности, применяют дифференциальные двухъемкостные модели.

В отличие от одноемкостных датчиков, минусом дифференциальных моделей является то, что требуется минимум три соединительных экранированных проводника между измерительным устройством и датчиком, для погашения паразитных емкостей. Однако это компенсируется стабильностью, значительным увеличением точности и расширением сферы использования таких датчиков.

Иногда трудно спроектировать дифференциальный датчик емкостного типа из соображений его устройства. Особенно, если это датчик с изменяемым зазором. Но при расположении образцового конденсатора вместе с рабочим, и выполнении их конструкции одинаковыми, включая все материалы, то будет создана намного меньшая чувствительность устройства к наружному воздействию различных факторов. В этих случаях идет речь о полудифференциальной модели, относящейся к 2-х емкостным приборам.

Специфическая особенность параметра выхода двухъемкостных датчиков, представленная в виде безразмерного соотношения 2-х емкостей, позволяет назвать такие устройства датчиками отношения.

Линейные датчики

Неэлектрические параметры, которые требуется измерять на практике, очень разнообразны и многочисленны. На базе конденсатора, у которого равномерно распределено электрическое поле в рабочем промежутке, создаются устройства емкостных датчиков перемещения следующих видов:

  • С изменяемой площадью электродов.
  • С изменяемым промежутком между обкладками.

Датчики с переменной площадью удобнее для контроля значительных перемещений, а датчики с изменяемым промежутком удобнее для контроля незначительных перемещений.

Датчики угловых перемещений имеют принцип работы, аналогичный линейным датчикам. При этом эти датчики также рекомендуются для малых интервалов перемещений угла. Для таких целей часто используют в эксплуатации многосекционные модели с изменяемой площадью пластин.

Подобные датчики имеют крепление одного электрода на валу контролируемого объекта. При угловом смещении вала изменяется площадь пластин конденсатора, что приводит к изменению емкости. Это изменение обрабатывается электронной схемой.

Инклинометры

Другими словами такое устройство называют датчиком крена. Они получили название инклинометров, выполнены в виде дифференциального емкостного датчика наклона. Эта конструкция имеет чувствительный компонент в виде капсулы.

Чувствительная капсула включает в себя подложку с планарными электродами (1), которые покрыты диэлектрическим слоем, а также корпус (2), герметично зафиксированный на подложке. Частично внутренняя часть корпуса заполнена токопроводящей жидкостью (3). Она является общим выводом чувствительного компонента.

Общий электрод создает с электродами своеобразный дифференциальный конденсатор. Сигнал выхода датчика прямо зависит от размера емкости, которая зависит от расположения корпуса.

Инклинометр сконструирован с линейной зависимостью сигнала выхода от угла наклона в рабочей плоскости и не меняет значения в нерабочей плоскости. В этом случае сигнал имеет незначительную зависимость от изменения температуры. Чтобы определить расположение плоскости применяется два инклинометра, находящихся между собой под прямым углом.

Инклинометры небольшого размера с сигналом, зависящим от угла наклона датчика, нашли применение совсем недавно. Они имеют высокую точность, малые габариты, у них нет движущихся деталей. Стоимость их также невысока. Все эти достоинства позволяют рекомендовать их для применения датчиками наклона, а также для замены угловых датчиков, в том числе и на движущихся объектах.

Датчики уровня токонепроводящих веществ, находящихся в жидком состоянии, представляют собой схему из двух соединенных параллельно емкостей. Они стали популярными в различных отраслях, системах проверки, при работе с сыпучими и вязкими материалами, в условиях конденсата.

Датчики давления

Конструкция таких датчиков отличается устройством преобразователя. Он выполнен в виде воздушного конденсатора. Одна его пластина является неподвижной, а вторая передвигается под воздействием упругого преобразователя.

Устройство и работа

1 — Корпус датчика обеспечивает возможность установки выключателя, защиту от внешних воздействий различных факторов. Материалом корпуса обычно является полиамид или латунь. В комплект входят крепежные изделия.
2 — Компаунд, состоящей из специальной смолы, создает защиту элементов датчика от попадания влаги и других посторонних веществ.
3 — Триггер создает необходимую крутизну сигнала коммутации и величину гистерезиса.
4 — Подстроечный элемент.
5 — Светодиод обеспечивает оперативность настройки, показывает положение выключателя.
6 — Усилитель повышает сигнал выхода до требуемой величины.
7 — Демодулятор модифицирует изменение колебаний высокой частоты в изменение напряжения.
8 — Генератор создает электрическое поле для воздействия на объект.
9 — Электроды.

Рабочая поверхность датчика выполнена в виде двух металлических электродов. Они играют роль обкладок конденсатора, которые подключены в цепь обратной связи автогенератора высокой частоты. Генератор настроен на приближение объекта к активной поверхности.

При приближении контрольного объекта он меняет емкость, вследствие чего генератор вступает в работу и образует колебания с увеличивающейся амплитудой по приближению к объекту. Повышение амплитуды обрабатывается электронной схемой, которая создает сигнал выхода.

Емкостные датчики приводятся в действие от электропроводных объектов и диэлектриков. При приближении токопроводящих объектов расстояние срабатывания Sr значительно больше, чем при воздействии диэлектриков. Расстояние срабатывания снижается, и зависит от диэлектрической проницаемости диэлектрика Er.

Особенности конструкции

Чаще всего емкостные датчики выполняются в виде цилиндрического или плоского конденсатора. Подвергаемое контролю перемещение испытывает одна обкладка. При этом она создает изменение емкости, которая выражается:

где ε является диэлектрической проницаемостью материала, d – зазор, S – площадь пластин.

Емкостные датчики способны работать при замере разных параметров по трем направлениям, зависящим от связи контролируемой величины с параметрами:
  • Переменным расстоянием между пластинами.
  • Площадью перекрытия пластин.
  • Изменяемой диэлектрической проницаемости материала.

В случае с диэлектрической проницаемостью входным параметром будет состав, который заполняет объем между обкладками. Такие емкостные датчики стали популярными при контроле размеров малых объектов, влажности тел.

Достоинства
Емкостные датчики имеют множество преимуществ в отличие от других видов. К ним можно отнести:
  • Форма датчика легко совмещается с разными конструкциями и поставленными задачами.
  • Не требуется больших усилий для передвижения чувствительного компонента.
  • Длительная эксплуатация.
  • Отсутствие подвижных контактов.
  • Повышенная чувствительность.
  • Малый расход электроэнергии.
  • Небольшие габаритные размеры и масса.
  • Технологичность при изготовлении, применение дешевых материалов и веществ.

Емкостные датчики славятся своей простой конструкцией, что дает возможность создания надежных и прочных устройств. Свойства конденсатора зависят всего лишь от геометрических параметров, и не имеют зависимости от свойств применяемых материалов, при условии их правильного подбора. Поэтому при проектировании пренебрегают влиянием температуры на площадь поверхности и размера между пластинами, при правильном выборе изоляции и металла.

Недостатки
  • Работа на высокой частоте.
  • Повышенные требования к экранированию элементов.
  • Малый коэффициент преобразования.

При использовании емкостных датчиков необходимо обеспечивать защиту от ложных сработок. Они возникают из-за случайного касания работника, атмосферными осадками, различными жидкостями.

Применение

Емкостные датчики используются в разных сферах производства и деятельности человека. Они применяются в управлении технологическими процессами и системах регулировки во всех промышленных производствах. Сегодня наиболее популярными датчиками стали датчики присутствия, которые являются надежными конструкциями. Они имеют невысокую цену, и широкий спектр направлений по использованию.

Основными областями применения датчиков стали:
  • Подсчет штучного товара.
  • Регулировка натяжения конвейера.
  • Сигнализация обрыва проводника при намотке.
  • Контроль наполнения упаковки.
  • Сигнализация при заполнении стеклянных и пластиковых сосудов.
Похожие темы:

Схемы включения емкостных датчиков - Энциклопедия по машиностроению XXL

На рис. 87, а приведена типовая схема включения емкостного датчика. На неподвижные электроды датчика подается переменное напряжение с частотой 50 гц от трансформатора Тр с заземленной средней точкой. При смещении подвижного электрода В относительно нейтрального положения на сетке лампы появляется напряжение, которое после усиления подается к электродвигателю Д.  [c.201]
Фиг. 25-5. Схема включения емкостного датчика по методу половины резонансной кривой I — высокочастотный генератор 2 — усилительная лампа 3 — показывающий прибор 4 — переменное сопротивление для настройки нулевого показания шкалы — датчик Сдг — регулируемый конденсатор L — индуктивность колебательного контура.

Схемы включения емкостных датчиков  [c.553]

Схема соединения емкостных датчиков и их включения во входной мост усилителя показана на рис. 153 одно плечо моста образует группа параллельно соединенных правых конденсаторов, другое плечо — группа левых конденсаторов. Емкость конденсаторов, включенных в одно плечо моста,  [c.154]

Величину сближения поверхностей скольжения в трех точках (по трем углам). Это осуществляется тремя емкостными датчиками (на рис. 1 показаны два), включенными в схемы ЧМ-индика-торов. Их масштабные коэффициенты, используемые при расшифровке осциллограмм  [c.133]

Включение датчиков обычно производится по схеме мостика Уитстона. При использовании принципа частотной модуляции наименьшая величина, измеряемая емкостным датчиком, уменьшается до 2- 10 см, и диапазон измеряемых частот расширяется до пределов 0—20 000 гц. Такое же расширение диапазона дает включение датчика проволочного сопротивления в потенциометрическую схему.  [c.433]

Как видно из этой схемы, в качестве чувствительного элемента в аппаратуре использован емкостный датчик, который включен в измерительную схему, представляющую последовательный резонансный контур, питаемый напряжением высокой частоты. При соответствующей настройке выходное напряжение Ui этой схемы оказывается пропорциональным зазору между пластиной  [c.540]

Весьма перспективными устройствами для динамических измерений с емкостными и индуктивными датчиками являются приборы, в которых используются операционные усилители. Рассмотрим две схемы включения датчиков в операционный усилитель.  [c.447]


Промышленное применение емкостных датчиков ограничено присущими им недостатками, к которым следует отнести нестабильность характеристик при значительных изменениях температуры и влажности внешней среды, необходимость использования для включения датчиков относительно сложных измерительных схем, высокие требования к изоляции соединительных проводов и деталей схемы, прецизионное изготовление деталей датчиков.  [c.12]

Емкостные датчики имеют ряд преимуществ перед другими датчиками линейное изменение параметра (емкости) в довольно щироких пределах рабочего хода, обеспечивающее при этом очень высокую точность измерения (до долей микрона) измерительное усилие датчика может быть столь незначительным (несколько грамм), что датчик может конкурировать с бесконтактными методами измерения при включении в соответствующую схему емкости датчика могут быть использованы для дифференциальных измерений.  [c.201]

К недостаткам емкостных датчиков относятся непостоянство характеристик при значительных изменениях условий их работы (температура и влажность внешней среды и др.), сравнительная сложность схем включения датчиков.  [c.350]

Типичная мостовая схема для работы с емкостными датчиками показана на фиг. 19. В два плеча моста включены рабочий датчик и регулировочный датчик С2 (при дифференциальном включении оба датчика — рабочие). В остальные два плеча включены омические сопротивления и i 4. Питание моста осуществляется от специального лампового генератора. В измерительную диагональ включается усилитель переменного тока.  [c.36]

Для осциллографирования величин силовых деформаций рядом с измерительными головками часового типа устанавливаются емкостные датчики линейных перемещений (два из них показаны на рис. 1), включенные в схемы ЧМ-индикаторов, Их масштабные коэффициенты, используемые при расшифровке осциллограмм  [c.126]

Измерительная схема для проволочных датчиков изображена на рис. 149. Компенсационный датчик не только уравновешивает мост, но и служит для компенсации влияния температуры на сопротивление проволоки датчика. Для этого компенсационный датчик наклеивают рядом с рабочим датчиком, но так, чтобы его деформация при деформации упругого звена была пренебрежимо мала. Мост питается от специального генератора переменного тока с частотой 1000—10 000 Гц. При столь высокой частоте емкостные сопротивления соединительных проводов достаточно велики, и для их компенсации предусмотрена балансировка моста с помощью потенциометра и постоянного конденсатора, включенного параллельно плечам / д и Потенциометр служит для балансировки активных сопротивлений плеч перед началом работы.  [c.195]

Индуктивные профилометры и профилографы относятся к приборам с параметрическим датчиком, так как при движении иглы изменяется один из параметров датчика— индуктивность. К приборам с параметрическими датчиками принадлежат также емкостные профилографы и профилометры, в которых игла связана с одной из обкладок конденсатора, включенного, как правило, в мостовую схему и т. д.  [c.64]


Общий вид подналадчика показан на рис. 6, а принципиальная схема — на рис. 7. Пруток при выходе из зоны обработки попадает на рольганг подналадчика, приводимый в движение от электродвигателя 13 (рис. 7), и перемещается по нему до упора. В конце хода пруток проходит антенну емкостного датчика 16 наличия прутка, который дает команду на включение электродвигателя 14, перемещающего через кривошипно-шатунный механизм штангу //. При движении штангн вверх (вид А) пруток 8, находящийся на рольганге, снимается с него наклонной плоскостью гребенки, закрепленной на штанге. При движении штанги вниз пруток остается в пазу неподвижной гребенки 12. В этом положении в одном сечении производится измерение диаметра прутка. Поскольку вес прутка весьма незначителен, а базировка его в пазу неподвижной гребенки достаточно точная, принята простая измерительная схема подналадчика с одним неподвижным базовым измерительным наконечником 3 и подвижным наконечником 2, поджимающим в момент измерения пруток к базовому за счет усилия пружины 6.  [c.243]

До настоящего времени известен лишь один наиболее простой метод улучшения линейности статической характеристики в широком диапазоне — метод исноль ования дифференциальных датчиков с включением их в мостовую схему. Тем не менее применение дифференциальных датчиков для уравновешивания гибких роторов больших диаметров сопряжено с известными конструктивными трудностями и сложностью окончательной тарировки аппаратуры. Кроме того, дифференциальные индуктивные и емкостные датчики во избежание изменения чувствительности требуют точной установки начальных зазоров и не допускают их изменения в процессе уравновешивания роторов.  [c.539]

В схеме рис. 7, а емкостный датчик включен в цепь обратной связи, поэтому при стабилизированном источнике питания и большом коэффициенте усиления [К > 1000) выходное напря-жешге  [c.447]

Для правильной работы реогониометра необходима параллельность осей диска и конуса. Параллельность осей регулируется микрометрическими устройствами 3, опирающимися на стойки 19 плиты 1. Параллельность осей контролируется при помощи емкостного датчика вертикального перемещения диска. С той целью неподвижная пластина 13 датчика выполнена из трех изолированных друг от друга пластин. Схема включения изолированных пластин (/, II, HI), расположенных над плоским диском IV приводится на рис. 138. В трех первых положениях (/, 2, 3) переключателя Я производится установка параллельности осей конуса и диска с помощью микрометрических устройств 3 (рис. 137). В положении 4 (рис. 138) переключателя П измеряется вертикальное перемещение диска. Пластины датчика предварительно настраиваются при помощи плоского диска, устанавливаемого вместо конуса, и под-строечных конденсаторов i .ji С3 так, что достижение резонанса в трех первых положениях переключателя П соответствует параллельности осей диска и конуса с точностью не менее 30 угловых сек.  [c.230]

В емкостных системах иопользуется либо мостовая схема, либо схема измерения частоты генератора, в контур которого включен конденсатор датчика. Емкостные системы не нашли широкого применения, известны лишь отдельные экспериментальные конструкции.  [c.158]

Принципиальная схема сортировочного автомата с емкостным датчиком, основанная на принципе динамической компенсации, показана на рис. П.201, а. Автомат предназначается для сортировки цилиндрических деталей. Ламповый генератор звуковой частоты питает мост, в одно из плеч которого включен измерительный конденсатор С , в другое — компарирую-щий конденсатор С . Подвижные пластины последнего непрерывно вращаются вокруг оси 00 при помощи двигателя (на схеме он не показан). Напряжение в диагонали моста после прохождения через фазовый детектор 2 подается в триггер 5, который настроен на срабатывание при равновесном состоянци моста.  [c.545]

Емкостные датчики обладают малой инерционностью (измерительным усилием, так как силы электростатического притяжения между пластинами очень налы. Несмотря на эти достоинства, они не получили пока доста-" точного распространения из-за сложности и недостаточной стабильности электронных схем включения. С усовершенствованием электрон-ных приборов можно ожидать развития емкостного метода измерений.  [c.145]

Если позволяет конструкция упругого элемента динамометра, то целесообразно вместо одного ставить два емкостных датчика, включенных дифференциально. При этом не только повьшхается чувствительность схемы, но и увеличивается линейный участок характеристики.  [c.36]

Измерительно-регистрирующий комплекс. Визуальная оценка величины деформаций ходовых винтов поперечины производится микрометрическими индикаторами 7 (рис. 1) часового типа 1 ИГМ. Для осцилло-графирования указанной величины рядом с индикаторами 7 устанавливаются бесконтактные емкостные датчики линейных перемещений 8, включенные в схемы ЧМ-индикаторов, погрешность которых составляет не более 10%.  [c.234]

Аппаратура регистрации состоит из датчика, в который входят первичный преобразователь (ПП) и управляемый генератор (УГ). В качестве первичного преобразователя может быть применен емкостный индуктивный преобразователь, а также преобразователь на тензосопротивлении. Для передачи параметров измеряемого объекта можно использовать как радиоканал, так и проводную связь. Использование радиоканала является более предпочтительным, так как позволяет обеспечить съем информации с вращаклцихся объектов (в нашем случае — баллоны автобуса при измерении давления). Так как при измерении параметров используется частотная модуляция высокочастотного сигнала, радиоканал является естественной связью между датчиком и аппаратурой преобразования сигнала. Усилитель мощности (УМ) усиливает сигнал, а смеситель (С) выделяет разностную частоту между средней частотой управляемого генератора и гетеродина (Г). Клапан (К) с помощью схемы коммутации (X) обеспечивает определенную последовательность включения датчиков на приемное устройство (ПУ), которое перерабатывает сигнал с целью удобства последующей его индикации на цифровом индикаторе среднестатистического количества пассажиров (ЦИСКП) и записи в блоке за-  [c.413]


Электроизмерительная схема с частотной модуляцией и фазовым детектированием показана на рис. 42. Генератор собран яа л эмпе Лх с емкостной обратной связью и колебательным контуром в цепи сетки. Емко-стный датчик включен в контур генератора и управляет частотой генерируемых колебаний. Буферный каскад, собранный на лампе Лг, введен в схему для уменьшения влияния фазового детектора на частоту генерируемых колебаний и выполняет одновременно роль ступени усиления. Изменение частоты генерируемых колебаний вызывает сдвиг по фазе напряжений, подаваемых на сетки лампы Лз фазового детектора, вследствие чего изменяется величина ее анодного тока.  [c.81]

Использование аналоговых методов для измерения емкости в емкостных датчиках

Загрузите эту статью в формате .PDF

Емкостные датчики используются в широком спектре оборудования, от бытовой электроники до промышленного / управления процессами. Сенсорные кнопки все чаще встречаются в лампах и диммерах. Датчики движения могут обнаруживать незначительные изменения отклонения. Гигрометры показывают изменения влажности. Датчики давления и акселерометры переходят на емкостные измерения. А емкостные датчики смещения можно найти даже в дисковых накопителях.

Эти датчики выдают выходной сигнал: емкость. Измерение этой емкости по своей сути является аналоговой задачей, которая может быть очень сложной. Часто эти датчики доставляют инженерам больше всего проблем с подключением к микроконтроллерам. В то время как некоторые микроконтроллеры предлагают встроенные простые процедуры для емкостных сенсорных кнопок, их измерения являются относительно грубыми и предназначены для измерения изменения емкости - полезно для обнаружения пальца, помещенного на датчик касания, но не для промышленного измерения и измерения смещения, требующего абсолютной точности.

Емкостные датчики

В качестве конкретного примера емкостного датчика рассмотрим емкостной датчик относительной влажности (RH). В этом типе датчика диэлектрический материал предназначен для поглощения водяного пара из внешней среды при воздействии на него. Электрическая емкость увеличивается по мере того, как диэлектрик поглощает воду, так как коэффициент диэлектрической проницаемости увеличивается с увеличением влажности, что является прямым показателем относительной влажности. Чистый диэлектрический коэффициент также чувствителен к колебаниям температуры, поэтому расчет влажности включает в себя как измерение емкости, так и температуры.

Датчики влажности

показывают относительно небольшое изменение емкости во всем диапазоне выходных сигналов. Изменение емкости от 40 до 50 пФ при относительной влажности от 0 до 100% при относительной влажности 0% (C0RH) от 100 до 200 пФ не является редкостью. Типичный датчик с абсолютной точностью 3% (с повторяемостью 1%) соответствует требованию разрешения 1,5 пФ.

Некоторые емкостные датчики измеряют смещение. В своей простейшей форме эти датчики состоят из прецизионных металлических пластин, расположенных в непосредственной близости, и между ними поддерживается электрическое поле.Результирующая выходная емкость (обычно небольшая, в диапазоне 10 пФ) во многом зависит от геометрии этих датчиков.

Таймер приближается

Наиболее распространенный подход к измерению емкостных датчиков заключается в простом использовании схемы аналогового таймера для генерации частоты, обратно пропорциональной емкости, а затем использовании микроконтроллера для подсчета импульсов в течение заданного периода для вычисления частоты. (Рис. 1) . Таким образом, нет необходимости в аналого-цифровом преобразователе (АЦП) или компараторе в микроконтроллере.Основное уравнение, связывающее измеренный конденсатор C и частоту F:

F = 1 / (С * (R1 + 2 * R2) * ln2)

% {[data-embed-type = "image" data-embed-id = "5df275e6f6d5f267ee20c3c7" data-embed-element = "aside" data-embed-align = "left" data-embed-alt = "Www Electronicdesign Com Сайты Electronicdesign com Файлы 74666 Fig1 Sm "data-embed-src =" https://img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2012/11/www_electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_74666_fig1_sm.png? auto = format & fit = max & w = 1440 "data-embed-caption =" "]}%
1. Оцифровка значения емкостного цензора часто включает в себя генерацию частоты, которая обратно пропорциональна емкости, и подсчет импульсов за фиксированный период. для определения частоты.

Нестабильные таймеры, такие как классический 555, работают путем зарядки и разрядки конденсатора. Напряжение конденсатора запускает циклы заряда и разряда, когда оно проходит через нижний и верхний порог. Несмотря на спецификации, рекламирующие работу на частоте выше 1 МГц, типичные CMOS 555 «любят» работать в диапазоне от 5 до 10 кГц для максимальной точности (рис.2) .

% {[data-embed-type = "image" data-embed-id = "5df275e6f6d5f267ee20c3c9" data-embed-element = "aside" data-embed-align = "left" data-embed-alt = "Www Electronicdesign Com Сайты Electronicdesign com Файлы 74666 Fig2 "data-embed-src =" https://img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2012/11/www_electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_74666_fig2.png&fit=mat=mat 1440 "data-embed-caption =" "]}%
2. Схема (а) иллюстрирует пассивный и активный методы компенсации: C X = 4 пФ.Для активного экрана удаленно расположенный конденсатор подключается к таймеру через 12 дюймов экранированного кабеля RG316 (29,4 пФ / фут). На графиках показаны результаты измерений для условий отсутствия компенсации, пассивной компенсации и активного экрана.

В таблице показаны некоторые основные ограничения для этих схем. Ошибка A, первая, показывает, что на выводах TH и TR имеется несколько пикофарад входной емкости. Поскольку это точка подключения измеряемого конденсатора, эта паразитная емкость (вместе с паразитной емкостью, показанной в строке F таблицы) ошибочно прибавляется к измеренному значению конденсатора.Для измерений емкости выше 100 пФ это можно учесть путем определения характеристик и последующего учета при получении значения емкости. (Для более низких значений емкости см. Обсуждение ниже.)

% {[data-embed-type = "image" data-embed-id = "5df275e6f6d5f267ee20c3cb" data-embed-element = "aside" data-embed-align = "left" data-embed-alt = "Www Electronicdesign Com Сайты Electronicdesign com Файлы 74666 Таблица "data-embed-src =" https://img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2012/11/www_electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_74666_table.png? auto = format & fit = max & w = 1440 "data-embed-caption =" "]}%

Задержки синхронизации компаратора и конечное сопротивление полевого транзистора разряда (B и C, соответственно) устанавливают верхнюю границу частоты для работы. Значительно ниже этих скоростей возникают ошибки из-за изменчивости этих параметров, что затрудняет их калибровку. Например, существует сильная температурная зависимость для открытого сопротивления разрядного полевого транзистора и зависимость V DD для задержки компаратора.

Измерение значений низкой емкости

Для измерения меньших значений емкости влияние входной емкости выводов TH и TR можно компенсировать (вычесть электронным способом).Два метода включают пассивную и активную компенсацию.

Пассивная компенсация включает в себя подключение компенсационных конденсаторов для создания накачки заряда, чтобы обнулить влияние входной емкости вывода. Вывод Q (выходной) качается на более высоком уровне, чем линейное изменение напряжения на конденсаторе, поэтому связывание конденсатора между Q и TH и TR эффективно переносит чистые кулоны в измеряемый конденсатор. Поскольку C и Q обратно пропорциональны, это равно отрицательной емкости, как видно из расчета общего заряда Q, накопленного на измеренном конденсаторе C за данный цикл зарядки:

• Без компенсации:

Q = C * 1/3 * V CC

• С компенсацией:

Q = (C + Cx) * 1/3 * V CC - C X * V CC

Q = (C -2 * Cx) * 1/3 * V CC

Итак, в первом порядке емкость 2 * CX вычитается из C (при условии, что C X

) На измерительном конденсаторе будет наблюдаться скачок напряжения в результате переноса заряда.Это не влияет отрицательно на работу таймера. Он просто показывает добавленный и вычитаемый заряд, чтобы компенсировать добавленную паразитную емкость вывода. Поскольку емкость при постоянном токе также влияет на выход, туда также добавляется небольшой конденсатор.

Выбор C X = 4 пФ был признан эмпирически приемлемым. Второй конденсатор, C Y (не показан), также был добавлен для компенсации входной емкости при постоянном токе.

Активная компенсация требует наличия операционного усилителя и может дать более точную регулируемую компенсацию.Выход операционного усилителя подключен к компенсационному конденсатору C X , управляя им согласованно с линейным нарастанием напряжения конденсатора. (Обязательно используйте стабильный операционный усилитель, управляющий этой емкостью!) Изменяя коэффициент усиления G операционного усилителя и, следовательно, амплитуду линейного изменения, вы можете изменять величину компенсационной емкости для вычитания в соответствии с:

C экв. = C - C X (G - 1)

В качестве альтернативы может быть реализован «гибрид» пассивной и активной компенсации, который экономит стоимость операционного усилителя, сохраняя при этом возможность регулировки.Может использоваться компаратор переменной амплитуды с регулировкой амплитуды прямоугольной волны, производимой путем регулировки напряжения линейного регулятора.

Дистанционное зондирование

Иногда невозможно совместить датчик и измерительную электронику. Измеряемую емкость можно разместить на некотором расстоянии от измерительной электроники. Но неизвестные емкости относительно земли вдоль проводного пути конденсатора будут складываться и вычитаться из измеренного значения емкости в этом случае, особенно если он подключен по кабелю.

Импедансы, управляющие конденсатором, обычно высоки (> 500 кОм), а длинные провода могут воспринимать электрические поля и вызывать паразитные напряжения (особенно от сети переменного тока 60 Гц). Экранирование кабеля может помочь, но это, естественно, создает дополнительные емкости, которые зависят от длины кабеля, что увеличивает ошибки измерения емкости.

Решением является активный экран, управляемый операционным усилителем, чтобы динамически подавать на экран то же напряжение, что и напряжение конденсатора, обнуляя емкость от экрана к напряжению конденсатора.Это решение с удаленным конденсатором по существу требует трех подключений: экрана, напряжения конденсатора и отдельного проводного заземления. Принцип аналогичен активной компенсации емкости вывода, описанной ранее. Экран также может управляться с коэффициентом усиления немного выше 1, чтобы дополнительно компенсировать емкость вывода, хотя выбранный коэффициент усиления обязательно нужно будет изменить с помощью кабеля другой длины (рис. 3).

% {[data-embed-type = "image" data-embed-id = "5df275e6f6d5f267ee20c3cd" data-embed-element = "aside" data-embed-align = "left" data-embed-alt = "Www Electronicdesign Com Сайты Electronicdesign com Файлы 74666 Рис3 "data-embed-src =" https: // img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2012/11/www_electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_74666_fig3.png?auto=format&fit=max&w=1440 "data-embed-caption =" "]} таймер TS300onductor Touchstone для TS3002. IC - это устройство типа 555, работающее при напряжении до 2 В.

ИС усовершенствованного таймера Touchstone TS3002 оптимизирована для использования с небольшим конденсатором синхронизации (рис. 4).

% {[data-embed-type = "image" data-embed-id = "5df275e6f6d5f267ee20c3cf" data-embed-element = "aside" data-embed-align = "left" data-embed-alt = "Www Electronicdesign Com Сайты Electronicdesign com Файлы 74666 Рис4 "data-embed-src =" https: // img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2012/11/www_electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_74666_fig4.png?auto=format&fit=max&w=1440 "подходы data-embed-caption =" "]}%
4. схема балансировки заряда (а) и упрощенный емкостной мост (б) позволяют измерять емкость быстрее.

Скорость и точность измерения

Скорость измерения этих систем преобразования емкости в частоту определяется временем, которое требуется для подсчета количества тактов, соответствующих значению емкости.Точность до первого порядка определяется количеством подсчитанных циклов. Поскольку емкость обратно пропорциональна частоте, при фиксированном времени измерения, схемы, естественно, обеспечивают самое высокое разрешение по битам для самых низких значений емкости в заданном диапазоне. Это не обязательно желаемый результат, поскольку самые низкие значения емкости будут иметь самые высокие аналоговые ошибки.

В качестве альтернативы, использование быстрых часов микроконтроллера для определения периода таймера обеспечивает более высокое разрешение для более высоких значений емкости.(Системные часы с частотой 24 МГц могут разрешить 14-битное значение для 1 кГц в диапазоне 1 нФ.) В некоторых микроконтроллерах эти высокочастотные тактовые импульсы работают с большей точностью, чем низкочастотные тактовые импульсы.

Шум при измерении, вероятно, будет определять время измерения и длину усреднения. Частотный шум в таймерах в основном возникает из-за временного дрожания компаратора. Этот джиттер увеличивается в процентах с уменьшением частоты периода, делая измерения емкости малых конденсаторов более шумными.

Более быстрый подход

Стоит упомянуть еще несколько подходов, некоторые из которых дают более быстрые результаты (рис. 5).

% {[data-embed-type = "image" data-embed-id = "5df275e6f6d5f267ee20c3d1" data-embed-element = "aside" data-embed-align = "left" data-embed-alt = "Www Electronicdesign Com Сайты Electronicdesign com Файлы 74666 Fig5 "data-embed-src =" https://img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2012/11/www_electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_74666_fig5.png? auto = format & fit = max & w = 1440 "data-embed-caption =" "]}%
5. В этой схеме измерения конденсатора на базе ОУ операционный усилитель работает нестабильно, вызывая гистерезис компаратор для переключения полярности на двух порогах.Как и схема таймера, эта схема предлагает очень простую взаимосвязь между C и F: F = 34 * R1 * C.

В схеме балансировки заряда эталонный конденсатор заряжается до известного напряжения, а затем разряжается через измеряемый конденсатор.Помимо проблемы предоставления эталонного конденсатора, у этого метода есть две основные проблемы.

Во-первых, коммутатор сам вводит заряд в цепь, влияя на результат. Даже самые лучшие аналоговые переключатели демонстрируют инжекцию заряда не менее 1 пКл, что ограничивает схему более высокими измеренными значениями конденсатора. Во-вторых, буферный операционный усилитель должен иметь чрезвычайно низкую утечку. При измерении конденсатора 1 нФ утечка 10 нА снижает напряжение на измерительном конденсаторе на 1 мВ в течение 100 мкс.

Методы емкостного моста включают в себя введение известной частоты возбуждения в емкостной мост (часто просто сеть R-C) и сравнение полученного отклика с эталонным трактом. Настоящая мостовая схема включает в себя два RC-плеча моста со схемой обнуления с использованием регулируемых конденсаторов.

Опорный тракт здесь представляет собой простой резистивный делитель и служит эталоном для логометрического измерения АЦП, считающегося более практичным методом. Схема требует быстрого АЦП для преобразования амплитуды цепи R-C и определения измеренного значения конденсатора.АЦП должен быть быстрым, и при измерении может потребоваться некоторая обработка сигнала. Также необходимо соблюдать особую осторожность, чтобы ограничить нагрузку (емкостную и резистивную) на измеряемом конденсаторе.

Методы интегратора операционного усилителя

Схема измерения конденсатора на основе интегратора операционного усилителя пропускает точные токи в конденсатор, определяя емкость путем оценки времени интегрирования. Прецизионный резистор (требуется хороший абсолютный допуск), операционный усилитель и, возможно, компаратор (для превращения интегратора в нестабильный генератор) требуются для генерации измерительного тока для питания конденсатора.Однако некоторые преимущества могут перевесить дополнительные компоненты по сравнению с системами на основе таймера.

Схема по существу управляет одной стороной конденсатора, сохраняя виртуальное заземление на другой стороне. У виртуальной земли двоякие. Во-первых, емкость входного контакта операционного усилителя больше не влияет на измерения, поскольку этот узел остается на земле. Во-вторых, конденсатор теперь можно измерять дистанционно без активно управляемого экрана (экран может оставаться под потенциалом земли), что устраняет необходимость в операционном усилителе, способном отслеживать линейное изменение таймера и управлять высокой емкостью .

На рисунке 5 показан пример схемы для этого подхода с использованием операционного усилителя и компаратора. Здесь операционный усилитель работает нестабильно, запуская гистерезисный компаратор для переключения полярности на двух порогах. Как и схема таймера, эта схема предлагает очень простую взаимосвязь между C и F:

F = 34 * R1 * C

Здесь используется «наномощный» операционный усилитель / компаратор / эталонная ИС Touchstone TS12011, поскольку он предлагает как компаратор, так и операционный усилитель в одном корпусе.Кроме того, вся схема работает при токе менее 5 мкА (от источника питания 1,8 В) и может работать от напряжения питания всего лишь 1 В. Схема лучше всего подходит для измерения емкостей от 1 нФ и выше, поскольку результирующий частотный выход находится в пределах полосы пропускания операционного усилителя, и изменение задержек компаратора добавляет к результату небольшую ошибку.

Для измерения емкости с меньшим значением подойдет операционный усилитель с большей полосой пропускания вместе с более быстрым компаратором. Чтобы поддерживать относительно низкие частоты и минимизировать ошибки, связанные с задержкой синхронизации, лучше всего подходят операционные усилители с малой утечкой на входе, такие как операционные усилители с полевым транзистором.

Заключение

Есть несколько способов измерения емкостных датчиков. При тщательном проектировании и соответствующих диапазонах емкости традиционных схем таймера может хватить. При низких значениях емкости и высокой точности могут потребоваться другие варианты, например схемы на основе интеграторов.

Емкостный датчик - обзор

6.6 Принципы работы носимых датчиков

Работа датчиков зависит от различных методов, таких как электрический, оптический, электрохимический и пьезоэлектрический эффект.Датчики импеданса и электрохимические датчики являются важными классами носимых датчиков для мониторинга измерения физиологических параметров. Электрохимические датчики также подразделяются на амперометрические, потенциометрические и проводящие датчики, которые используют емкостную и резистивную методологию для изготовления различных датчиков. Конденсаторы - это строительные блоки электронного мира. Способность конденсатора накапливать электрический заряд называется емкостью. Прикосновение - это жизненно важный сенсорный канал человека, и технология, которая используется для реагирования на физическое прикосновение, часто называется емкостным ощущением.Емкостный датчик обеспечивает низкую температурную зависимость, высокую чувствительность, низкое энергопотребление, с возможностью измерения различных химических и физических параметров. Различные типы емкостных датчиков: коаксиальный цилиндрический, с параллельными пластинами, окаймляющим полем и цилиндрическим перекрестным конденсатором [9]. Емкостные датчики подходят как для инвазивного, так и для неинвазивного измерения параметров. Окрашивающее поле конденсатора способно определять текстуру, расположение и прочность образцов [10].Электрохимические датчики очень портативны, чувствительны и недороги, их можно использовать во многих портативных анализаторах, в основе которых лежат электролиты и метаболиты. Работа датчиков начинается со сбора входных данных от целевых устройств, и входы классифицируются по трем различным категориям: целевой вход, который является фактическим входным сигналом, измеренным датчиком, мешающий вход относится к чувствительному входу и изменяющий вход, который вызывает изменение отношения входа-выхода датчика к цели и мешающим входам.По характеристикам носимые датчики делятся на статические, например датчики температуры тела и динамические. Статические датчики обладают такими характеристиками, как точность, чувствительность, порог, разрешение, допуск, диапазон, линейность, краткосрочный и долгосрочный дрейф, гистерезис, время отклика, взаимозаменяемость, перекрестная чувствительность, время восстановления и коэффициент текучести [11] . Динамические характеристики управляют рабочими характеристиками входных сигналов датчиков, такими как линейное изменение, синусоидальный шаг и линейное изменение.Выходной отклик для ступенчатого входа является переходным, который достигает устойчивого состояния, а затем возвращается к исходному значению во время восстановления. Входной сигнал линейного изменения дает линейный выходной отклик. Полиномиальное математическое уравнение n -го порядка связывает электрический выходной сигнал датчика с входным параметром. Электрический выход может быть током, напряжением и фазой; порядок уравнения может меняться в зависимости от сложности датчика.

Датчик касания | Емкостные и резистивные сенсорные датчики

В этом руководстве мы узнаем о сенсорных датчиках.Сегодня почти весь пользовательский интерфейс основан на прикосновении. Диапазон приложений неисчислим, и некоторые из них - мобильные телефоны, планшеты, портативные компьютеры, автомобили, лифты, банкоматы, камеры и т. Д. Сенсорные датчики являются важными компонентами в современных приложениях для сенсорных экранов.

Введение

Осязание - важный сенсорный канал у многих животных и некоторых растений. Наши чувства сообщают нам, когда наши руки что-то касаются. Компьютерные устройства ввода безразличны к человеческому контакту, поскольку программное обеспечение не реагирует на установление, поддержание или разрыв физического контакта, такого как прикосновения или освобождение.

Таким образом, сенсорные устройства ввода предлагают множество возможностей для новых методов взаимодействия. Технология сенсорных датчиков постепенно заменяет механические объекты, такие как мышь и клавиатура.

Сенсор касания обнаруживает прикосновение или близость, не полагаясь на физический контакт. Сенсорные датчики находят применение во многих приложениях, таких как мобильные телефоны, пульты дистанционного управления, панели управления и т. Д. Современные сенсорные датчики могут заменить механические кнопки и переключатели.

Сенсорные датчики с простыми поворотными ползунками, сенсорными панелями и поворотными колесами обеспечивают значительные преимущества для более интуитивно понятных пользовательских интерфейсов.Сенсорные датчики удобнее и надежнее использовать без движущихся частей. Использование сенсорных датчиков дает разработчикам системы большую свободу действий и помогает снизить общую стоимость системы. Общий вид системы может быть более привлекательным и современным.

ВЕРНУТЬСЯ В НАЧАЛО

Принцип работы

Сенсорные датчики также называются тактильными датчиками и чувствительны к прикосновению, силе или давлению. Это одни из самых простых и полезных датчиков.Датчик касания работает так же, как и простой переключатель.

При контакте с поверхностью датчика касания цепь внутри датчика замыкается и протекает ток. Когда контакт размыкается, цепь размыкается и ток не течет.

Наглядное изображение работы сенсорного датчика показано ниже.

НАЗАД В начало

Емкостный сенсорный датчик

Емкостный сенсорный датчик широко используется в большинстве портативных устройств, таких как мобильные телефоны и MP3-плееры.Емкостные сенсорные датчики можно найти даже в бытовой технике, автомобилестроении и промышленности. Причины этой разработки - долговечность, надежность, привлекательный дизайн и стоимость.

Датчики касания, в отличие от механических устройств, не содержат движущихся частей. Следовательно, они более долговечны, чем механические устройства ввода. Сенсорные датчики прочны, так как в них нет отверстий для проникновения влаги и пыли.

Принцип работы емкостного сенсорного датчика поясняется ниже.

Самая простая форма конденсатора может быть выполнена с двумя проводниками, разделенными изоляцией. Металлические пластины можно рассматривать как проводники. Формула емкости приведена ниже.

C = ε 0 * ε r * A / d

Где

ε 0 - диэлектрическая проницаемость свободного пространства

ε r - относительная диэлектрическая проницаемость или диэлектрическая проницаемость

A - площадь пластины, а d - расстояние между ними.

Емкость прямо пропорциональна площади и обратно пропорциональна расстоянию.

В емкостных сенсорных датчиках электрод представляет собой одну из пластин конденсатора. Вторая пластина представлена ​​двумя объектами: один представляет собой среду электрода датчика, который образует паразитный конденсатор C 0 , а другой - проводящий объект, такой как человеческий палец, который образует сенсорный конденсатор C T .

Электрод датчика подключается к измерительной цепи, и емкость периодически измеряется. Выходная емкость увеличивается, если проводящий объект касается электрода датчика или приближается к нему.Схема измерения обнаружит изменение емкости и преобразует его в сигнал запуска.

Работа емкостного сенсорного датчика показана на рисунке ниже.

 Ссылка на ресурс изображения: www.fujitsu.com/downloads/MICRO/fme/articles/fujitsu-whitepaper-capacitive-touch-sensors.pdf 

Если площадь электрода датчика больше, а толщина крышки Материал меньше, сенсорная емкость C T также большая. В результате разница в емкости между сенсорной панелью и нетронутой сенсорной панелью также велика.Это означает, что размер сенсорного электрода и покрывающего материала будет влиять на чувствительность сенсора.

Измерение емкости используется во многих приложениях, таких как определение расстояния, давления, ускорения и т. Д. Емкостные сенсорные датчики - еще одна область применения. Существует множество методов измерения емкости. Некоторые из них: амплитудная модуляция, частотная модуляция, измерение временной задержки, рабочий цикл и т. Д.

В случае емкостных сенсорных датчиков наличия проводящего материала достаточно для срабатывания нагрузки и не требуется никакого усилия.Следовательно, риск ложных или непреднамеренных срабатываний выше в случае емкостных сенсорных датчиков. Эта проблема больше возникает при наличии влаги или воды, которая является хорошим проводником.

Для метода измерения емкости в сенсорных датчиках требуется эталонная плоскость, расположенная рядом с сенсорной площадкой. В емкостных сенсорных датчиках прикосновение пальца формирует емкость между чувствительным электродом и плоскостью отсчета. Кожный жир или пот человеческого тела могут вызвать ложный срабатывание.

Чтобы различать преднамеренные и ложные прикосновения, используются дополнительные сенсорные панели или программные алгоритмы.Лучшее решение - избавиться от заземляющего электрода сравнения.

Существует два типа емкостных датчиков касания: поверхностные емкостные датчики и проецируемые емкостные датчики.

При поверхностном емкостном измерении изолятор наносится с проводящим покрытием на одной стороне его поверхности. Поверх этого проводящего покрытия наносится тонкий слой изолятора. Ток подается на все углы токопроводящего покрытия.

Когда внешний проводник, такой как человеческий палец, соприкасается с поверхностью, между ними образуется емкость, которая потребляет больше тока из углов.Измеряется сила тока в каждом углу, и их соотношение определяет положение касания на поверхности.

При проецированном емкостном измерении вся поверхность не заряжается, а сетка X - Y из проводящего материала помещается между двумя изоляционными материалами. Сетка часто изготавливается из меди или золота на печатной плате или из оксида индия и олова на стекле. ИС используется для зарядки и контроля сети.

Когда заряд вытягивается внешним проводящим объектом, например пальцем (пальцами) из области на сетке, ИС вычисляет положение пальца на сенсорной поверхности.Сенсорные датчики, изготовленные на основе проективной емкостной технологии, могут использоваться для определения пальца, который не касается его поверхности. Они действуют как датчики приближения.

НАЗАД В начало

Резистивный датчик касания

Резистивные сенсоры касания используются дольше, чем емкостные решения, поскольку они представляют собой простые схемы управления. Резистивный датчик касания не зависит от электрических свойств емкости. Следовательно, резистивные сенсорные датчики могут работать с непроводящими материалами, такими как стилус и палец, обернутый перчаткой.

В отличие от емкостных сенсорных датчиков, которые измеряют емкость, резистивные сенсорные датчики определяют давление на поверхность.

Резистивный датчик касания состоит из двух проводящих слоев, разделенных небольшими точками-разделителями. Нижний слой состоит из стекла или пленки, а верхний слой - из пленки. Проводящий материал покрыт металлической пленкой, как правило, оксидом индия и олова, и по своей природе является прозрачным. Напряжение прикладывается к поверхности проводника.

Когда какой-либо датчик, такой как палец, стилус, ручка и т. Д., Используется для давления на верхнюю пленку датчика, он активирует датчик. При приложении сильного давления верхняя пленка прогибается внутрь и соприкасается с нижней пленкой. Это приводит к падению напряжения, и точка контакта создает сеть делителей напряжения в направлениях X - Y.

Это напряжение и изменения напряжения обнаруживаются контроллером и вычисляют положение касания, в котором прикладывается давление, на основе координат X - Y касания.

Функционирование резистивного сенсорного датчика можно пояснить с помощью следующего рисунка.

Сопротивление объекта, касающегося электродов, проявится в работе резистивных сенсорных датчиков. Например, когда палец касается поверхности, небольшое сопротивление пальца позволяет протекать через него току, замыкая цепь. Транзистор действует как переключатель. Резистор Rp используется для защиты транзистора от возможного короткого замыкания электродов.Резистор Rb используется для удержания базы на земле, когда цепь разомкнута, то есть нет пальца.

Когда касаются обоих электродов, через палец проходит небольшой ток, и транзистор включается, в результате чего нагрузка становится активной.

Ниже показана простая резистивная чувствительная к прикосновению схема.

Он состоит из двух электродов, двух транзисторов, соединенных по схеме Дарлингтона, резистора и светодиода. Когда на электроды кладут палец, цепь замыкается и происходит усиление тока.Резистор используется для ограничения силы тока светодиода.

Существует три типа резистивных датчиков касания: 4-проводные, 5-проводные и 8-проводные.

4-проводной резистивный датчик касания является наиболее экономичным. 5 - Проволочные резистивные сенсорные датчики наиболее долговечны. Они похожи на 4-проводные датчики, за исключением того, что все электроды этого типа находятся на нижнем слое. Верхний слой в 5-проводных датчиках действует как зонд для измерения напряжения. Благодаря такой конструкции 5-проводные резистивные сенсорные датчики допускают большее количество срабатываний.

В 8-проводных резистивных датчиках касания каждый край датчика образует линию чувствительности. Эти чувствительные линии действуют как стабильный градиент напряжения для сенсорного контроллера. Фактические базовые уровни напряжения в области касания сообщаются этими измерительными линиями контроллеру. Это самый точный тип резистивных сенсорных датчиков.

Любой объект, например палец, стилус, ручка, палец в перчатке и т. Д., Используется для оказания давления на резистивные сенсорные датчики, они в основном используются в суровых условиях.Но время отклика резистивных сенсорных датчиков меньше, чем у емкостных сенсорных сенсоров. Следовательно, емкостные сенсорные датчики постепенно заменяют их.

НАЗАД

ПРЕДЫДУЩИЙ - ИК-ДАТЧИК

Страница не найдена | MIT

Перейти к содержанию ↓
  • Образование
  • Исследовать
  • Инновации
  • Прием + помощь
  • Студенческая жизнь
  • Новости
  • Выпускников
  • О Массачусетском технологическом институте
  • Подробнее ↓
    • Прием + помощь
    • Студенческая жизнь
    • Новости
    • Выпускников
    • О Массачусетском технологическом институте
Меню ↓ Поиск Меню Ой, похоже, мы не смогли найти то, что вы искали!
Попробуйте поискать что-нибудь еще! Что вы ищете? Увидеть больше результатов

Предложения или отзывы?

Как работают емкостные датчики сенсорной платы? - Чистый проводник

В нашей сенсорной плате, колпачке для Pi и световой панели используются уникально гибкие датчики, идеально подходящие для электрокрасочной краски

Развитие смартфонов сделало емкостное зондирование повсеместным и предоставило эту технологию практически каждому человеку.Хотя большинство людей этого не знает, на сенсорном экране смартфонов используются емкостные датчики. Емкостные датчики используют конденсатор, обычный элемент в электрической цепи, который бывает нескольких различных типов. В Bare Conductive мы используем емкостное зондирование в нашем оборудовании, таком как Touch Board, Pi Cap и Light Up Board. В этих платах каждый электрод действует как емкостной датчик.

В электрической цепи часто встречаются резистор и конденсатор, резистор является пассивным элементом в цепи, а конденсатор - активным.Конденсатор в его обычной форме состоит из двух параллельных пластин, разделенных диэлектрическим материалом, например пластиком, стеклом или фарфором. Когда на пластины подается напряжение, на каждой пластине накапливается заряд, создавая электрическое поле на пластинах. Количество заряда, которое может хранить конденсатор, известное как емкость, зависит от размера пластин, расстояния между ними и диэлектрической проницаемости материала между ними. Конденсаторы могут использоваться для сглаживания выходного напряжения источника питания или для фильтрации при обработке сигналов.

Емкостной датчик использует характеристики конденсатора и его электрического поля для формирования датчика. Емкостные датчики работают, обнаруживая любое изменение в электрическом поле, которое датчик может регистрировать касание или приближение, смещение, а также определение уровня влажности и жидкостей.

Существует два распространенных способа измерения емкости: взаимная емкость и собственная емкость. Во взаимной емкости имеется массив из одной пластины конденсаторов, которые все образуют между собой электрические поля.Это тип настройки сенсора, который вы найдете в сенсорном экране. Когда пользователь касается экрана, он или она изменяет емкость, которая определяется как изменение и интерпретируется как событие касания.

В собственной емкости, которую мы используем в нашей технологии, электрод образует конденсатор с заземляющим слоем, которым является земля. Поэтому, когда вы включаете одно из наших устройств, оно выполняет некоторую калибровку и формирует электрическое поле с землей. Когда пользователь приближается к сенсорному электроду пальцем или рукой, часть его тела берет верх над землей и формирует вторую пластину конденсатора.Опять же, это изменение электрического поля изменяет емкость датчика и регистрируется как событие касания или приближения.

Емкостная сенсорная технология в нашем оборудовании может использоваться либо в качестве емкостного датчика приближения, либо в качестве емкостного сенсорного датчика, а также может быть дополнена проводящим материалом, таким как наша электрическая краска. Емкость датчика может изменяться организмом или жидкостями, поэтому эти датчики также могут использоваться для обнаружения влажности или жидкости и могут обнаруживать изменения через слой сыпучего материала, поэтому вы можете создать дискретный датчик в своей среде.Расстояние срабатывания датчика приближения зависит от размера датчика, конструкции зоны обнаружения, чувствительности устройства и размера цели. Чтобы дать вам представление, наши датчики могут обнаруживать руку с датчиком шириной 20 см с расстояния примерно 5 см.

Есть и другие датчики, например, емкостной датчик перемещения или датчик положения. Эти типы датчиков чаще используются в производстве, где изменение емкости используется для определения положения и смещения в сборке.

Если вы хотите исследовать емкостные датчики в своих собственных приложениях, наши комплекты для разработки и оборудование обеспечивают легкую отправную точку для создания прототипов и тестирования того, как емкостные датчики могут работать в различных приложениях, с разными материалами и в разных масштабах. Для компаний, которые хотят интегрировать емкостные датчики непосредственно в свои решения, материалы или продукты, мы всегда ищем интересные партнерские отношения, в которых наши технологии могут повысить ценность.

Мы считаем, что наша технология обещает по-настоящему интегрировать Интернет вещей в нашу жизнь безупречным и ненавязчивым способом с помощью печатной электроники на интеллектуальных поверхностях, и мы работаем с ведущими отраслевыми партнерами над созданием емкостных датчиков непосредственно в окружающей среде. делая пространство и поверхности вокруг нас умнее, здоровее и необычнее.

Чтобы изучить наши комплекты для разработки и материалы, посетите наш интернет-магазин.

Для получения дополнительной информации о том, как мы работаем с промышленностью для разработки решений для умных поверхностей, перейдите на нашу страницу о технологиях.

Оставайтесь на связи с Bare Conductive. Подписывайтесь, ставьте лайки и комментируйте Facebook, Twitter и Instagram.

научных статей, журналов, авторов, подписчиков, издателей

Как крупный международный издатель академических и исследовательских журналов Science Alert издает и разрабатывает названия в партнерстве с самыми престижные научные общества и издатели.Наша цель заключается в том, чтобы максимально широко использовать качественные исследования аудитория.
Мы прилагаем все усилия, чтобы поддержать исследователей которые публикуют в наших журналах. Есть масса информации здесь, чтобы помочь вам публиковаться вместе с нами, а также ценные услуги для авторов, которые уже публиковались у нас.
2021 цены уже доступны. Ты может получить личную / институциональную подписку перечисленных журналы прямо из Science Alert. В качестве альтернативы вы возможно, пожелает связаться с выбранным вами агентством по подписке. Направляйте заказы, платежи и запросы в службу поддержки. в службу поддержки клиентов журнала в Science Alert.
Science Alert гордится своей тесные и прозрачные отношения с обществом. В виде некоммерческий издатель, мы стремимся к самым широким возможное распространение публикуемых нами материалов и на предоставление услуг высочайшего качества нашим издательские партнеры.
Здесь вы найдете ответы на наиболее часто задаваемые вопросы (FAQ), которые мы получили по электронной почте или через контактную форму в Интернете.В зависимости от характера вопросов мы разделили часто задаваемые вопросы на разные категории.
Азиатский индекс научного цитирования (ASCI) стремится предоставить авторитетный, надежный и значимая информация по освещению наиболее важных и влиятельные журналы для удовлетворения потребностей мировых научное сообщество.База данных ASCI также предоставляет ссылку к полнотекстовым статьям до более чем 25000 записей с ссылка на цитированные ссылки.

Датчики емкости для интерфейса человека с электронным оборудованием

Q: Что такое датчик емкости?

A: Датчики емкости обнаруживают изменение емкости, когда что-то или кто-то приближается к датчику или касается его.Этот метод уже много лет используется в промышленности для измерения уровня жидкости, влажности и состава материала. Новое приложение, получившее широкое распространение, связано с интерфейсами человек-машина. Механические кнопки, переключатели и поворотные колеса уже давно используются в качестве интерфейса между пользователем и машиной. Однако из-за множества недостатков дизайнеры интерфейсов все чаще ищут более надежные решения. Емкостные датчики можно использовать так же, как кнопки, но они также могут работать с большей универсальностью, например, при использовании полосы прокрутки на 128 позиций.

Интегральные схемы, специально разработанные для измерения емкости в приложениях интерфейса человек-машина, теперь доступны от Analog Devices. Например, AD7142 и AD7143 могут стимулировать до 14 и до восьми емкостных датчиков и реагировать на них соответственно. Они обеспечивают возбуждение емкостного датчика, определяют изменения емкости, вызванные приближением пользователя, и выдают цифровой выходной сигнал.

Q : Как работает измерение емкости?

A : Базовый датчик включает приемник и передатчик, каждый из которых состоит из металлических дорожек, сформированных на слоях печатной платы (PCB).Как показано на рис. 1, AD714x имеет встроенный источник возбуждения, который подключен к дорожке передатчика сенсора. Между приемником и следом передатчика образуется электрическое поле. Большая часть поля сосредоточена между двумя слоями печатной платы датчика. Однако граничное электрическое поле распространяется от передатчика за пределы печатной платы и возвращается обратно в приемник. Напряженность поля в приемнике измеряется встроенным сигма-дельта-емкостным преобразователем емкости в цифровой.Электрическая среда изменяется, когда человеческая рука вторгается в периферийное поле, при этом часть электрического поля шунтируется на землю, а не заканчивается на приемнике. Результирующее уменьшение емкости - порядка фемтофарад по сравнению с пикофарадами для основной части электрического поля - обнаруживается преобразователем.

Рисунок 1. Чувствительная емкость.

В общем, решение для измерения емкости состоит из трех частей, все из которых могут быть предоставлены Analog Devices.

  • ИС драйвера, обеспечивающая возбуждение, преобразователь емкости в цифровой и схему компенсации для обеспечения точных результатов в любых условиях.
  • Датчик - печатная плата с рисунком следов, например кнопок, полос прокрутки, колесика прокрутки или некоторой их комбинации. Следы могут быть медными, углеродными или серебряными, а печатная плата может быть FR4, гибкой, ПЭТ или ITO.
  • Программное обеспечение на главном микроконтроллере для реализации последовательного интерфейса и настройки устройства, а также процедуры обслуживания прерывания. Для датчиков с высоким разрешением, таких как полосы прокрутки и колеса, хост запускает программный алгоритм для достижения вывода с высоким разрешением. Для кнопок не требуется никакого программного обеспечения.
Рис. 2. Трехкомпонентное решение для измерения емкости.

Q : Каковы преимущества емкостного измерения?

A : Датчики емкости более надежны, чем механические датчики, по ряду причин. В нем нет движущихся частей, поэтому датчик не изнашивается, он защищен покровным материалом, например пластиковой крышкой MP3-плеера. Люди никогда не контактируют напрямую с датчиком, поэтому его можно изолировать от грязи или утечек.Это делает емкостные датчики особенно подходящими для устройств, которые необходимо регулярно чистить, поскольку датчик не будет поврежден агрессивными абразивными чистящими средствами, а также для портативных устройств, где вероятность случайного разлива (например, кофе) немалая.

Q : Расскажите подробнее о том, как работают микросхемы AD714x.

A : Эти преобразователи емкости в цифровые разработаны специально для измерения емкости в приложениях с интерфейсом пользователя.Ядром устройств является 16-битный сигма-дельта-емкостной преобразователь емкости в цифровой (CDC), который преобразует емкостные входные сигналы (маршрутизируемые коммутационной матрицей) в цифровые значения. Результат преобразования сохраняется во встроенных регистрах. Источником возбуждения на кристалле является прямоугольный сигнал частотой 250 кГц.

Хост считывает результаты через последовательный интерфейс. AD7142, доступный с интерфейсами, совместимыми с SPI ® или I 2 C ® , имеет 14 входных контактов емкости.AD7143 с интерфейсом I 2 C имеет восемь входных контактов емкости. Последовательный интерфейс, наряду с выходом прерывания, позволяет устройствам легко подключаться к главному микроконтроллеру в любой системе.

Рисунок 3. Блок-схема AD7142.

Эти устройства взаимодействуют с 14 внешними датчиками емкости, расположенными в виде кнопок, полос, колесиков или комбинации типов датчиков. Внешние датчики состоят из электродов на двух- или четырехслойной печатной плате, которая напрямую взаимодействует с ИС.

Устройства можно настроить для взаимодействия с любым набором входных датчиков путем программирования регистров на кристалле. Регистры также можно запрограммировать для управления такими функциями, как усреднение и регулировка смещения для каждого из внешних датчиков. Встроенный секвенсор управляет тем, как опрашивается каждый из емкостных входов.

AD714x также включает встроенную цифровую логику и 528 слов ОЗУ, которые используются для компенсации воздействия окружающей среды. Влажность, температура и другие факторы окружающей среды могут влиять на работу емкостных датчиков; Таким образом, прозрачно для пользователя, устройства выполняют непрерывную калибровку, чтобы компенсировать эти эффекты, всегда давая безошибочные результаты.

Одной из ключевых функций AD714x является регулировка чувствительности, при которой каждому датчику присваиваются разные настройки чувствительности, контролирующие, насколько мягким или жестким должно быть прикосновение пользователя для активации датчика. Эти независимые настройки для порогов активации , которые определяют, когда датчик активен, жизненно важны при рассмотрении работы датчиков разного размера. Возьмем, к примеру, приложение, в котором есть большая кнопка диаметром 10 мм и маленькая кнопка диаметром 5 мм.Пользователь ожидает, что оба активируются при одинаковом давлении касания, но емкость зависит от площади сенсора, поэтому для сенсора меньшего размера требуется более сильное прикосновение, чтобы активировать его. Конечному пользователю не нужно нажимать одну кнопку сильнее, чем другую для того же эффекта, поэтому наличие независимых настроек чувствительности для каждого датчика решает эту проблему.

Q : Как учитывается окружающая среда?

A : AD714x непрерывно измеряет уровень емкости датчика.Когда датчик не активен, измеренное значение емкости сохраняется как значение окружающей среды . Когда пользователь приближается к датчику емкости или касается его, измеренная емкость уменьшается или увеличивается. Уровни пороговой емкости хранятся во встроенных регистрах. Когда измеренное значение емкости превышает верхний или нижний пороговые пределы, датчик считается активным, как показано на рисунке 4, и выдается сигнал прерывания.

Рисунок 4. Активация датчика.

На рис. 4 показана идеальная ситуация, когда значение емкости окружающей среды не меняется.На самом деле емкость окружающей среды постоянно и непредсказуемо изменяется из-за изменений температуры и влажности. Если значение емкости окружающей среды изменится в достаточной степени, это может повлиять на активацию датчика. На рисунке 5 значение емкости окружающей среды увеличивается; Датчик 1 активируется правильно, но когда пользователь пытается активировать датчик 2, возникает ошибка. Окружающее значение увеличилось, поэтому изменение емкости, измеренной датчиком 2, недостаточно велико, чтобы снизить значение ниже нижнего порога.Датчик 2 теперь не может быть активирован, независимо от того, что делает пользователь, поскольку его емкость не может упасть ниже нижнего порога в этих обстоятельствах. Хуже всего то, что уровень внешней емкости продолжает увеличиваться, пока не превысит верхний порог. В этом случае датчик 1 станет активным, даже если пользователь не активировал его, и он будет оставаться активным - датчик будет «зависать» - до тех пор, пока окружающая емкость не упадет.

Рисунок 5. Активация датчика при изменении окружающей емкости.Встроенные логические схемы

работают с эффектами изменения уровней внешней емкости. Как показано на рисунке 6, пороговые уровни непостоянны; они отслеживают любые изменения уровня внешней емкости, поддерживая фиксированное расстояние от уровня окружающей среды, чтобы гарантировать, что изменение емкости из-за активации пользователя всегда достаточно для превышения пороговых уровней. Пороговые уровни автоматически адаптируются встроенной логикой и сохраняются во встроенной оперативной памяти. Никакого ввода от пользователя или хост-процессора не требуется.

Рисунок 6. Активация датчика с автоподстройкой пороговых значений.

Q : Как применяется измерение емкости?

A : Как отмечалось ранее, сенсорные следы могут иметь любое количество различных форм и размеров. Кнопки, колеса, полоса прокрутки, джойстик и тачпад можно расположить в виде дорожек на печатной плате датчика. На рис. 7 показаны некоторые схемы расположения емкостных датчиков.

Датчик

Рисунок 7.Подбор емкостных датчиков.

Разработчику доступно множество вариантов реализации пользовательского интерфейса, от простой замены механических кнопок емкостными кнопочными датчиками до исключения кнопок с помощью джойстика с восемью выходными положениями или колеса прокрутки, обеспечивающего 128 выходных позиций.

Количество датчиков, которые могут быть реализованы с использованием одного устройства, зависит от типа требуемых датчиков. AD7142 имеет 14 входных контактов емкости и 12 каналов преобразования.AD7143 имеет восемь емкостных входов и восемь каналов преобразования. В таблице ниже показано количество входных контактов и ступеней преобразования, необходимых для каждого типа датчика. Можно комбинировать любое количество датчиков, вплоть до предела, установленного количеством доступных входов и каналов.

Тип сенсора Количество необходимых входов C IN Количество необходимых каналов преобразования
Кнопка 1 1 (0.5 для дифференциального режима)
8-позиционный переключатель 4 - сверху, снизу, слева и справа 3
Слайдер 8–1 на сегмент 8–1 на сегмент
Колесо 8–1 на сегмент 8–1 на сегмент

Клавиатура

Тачпад

1 на строку, 1 на столбец 1 на строку, 1 на столбец

Измерения выполняются на всех подключенных датчиках последовательно - в «циклическом» режиме.Тем не менее, все датчики могут быть измерены в течение 36 мс, что позволяет практически одновременно определять состояние каждого датчика, поскольку пользователю потребуется очень быстро активировать или деактивировать датчик в течение 40 мс.

Q : Какую помощь в дизайне вы можете предложить начинающим пользователям?

A : Компания Analog Devices предлагает ряд ресурсов для разработчиков емкостных датчиков. Первый шаг в процессе проектирования - решить, какие типы датчиков необходимы в приложении.Потребуется ли пользователю быстро просматривать длинные списки, такие как контакты на телефоне или песни на MP3-плеере? Если да, то подумайте об использовании полосы прокрутки или колеса прокрутки, чтобы пользователь мог быстро и эффективно просматривать эти списки. Потребуется ли пользователю управлять курсором, перемещающимся по экрану? Джойстик X-Y подойдет для этого приложения. После определения типа, количества и размеров требуемых датчиков можно приступать к проектированию печатной платы датчика.

Как часть ресурсов проектирования, доступных для измерения емкости, библиотека компоновки Mentor Graphics PADs доступна в Интернете.В этой библиотеке доступно множество датчиков различных типов и размеров в виде компонентов, которые можно перетаскивать непосредственно в компоновку печатной платы. Библиотека доступна как интерактивная часть блок-схемы системы сенсорного контроллера. Также доступна инструкция по применению AN-854, в которой содержатся подробные сведения, советы и рекомендации о том, как использовать библиотеку датчиков для быстрого размещения требуемых датчиков.

При разработке печатной платы разместите AD7142 или AD7143 на той же плате, что и датчики, чтобы минимизировать вероятность системных ошибок из-за перемещения разъемов и изменения емкости.Другие компоненты, светодиоды, разъемы и другие микросхемы, например, могут находиться на той же печатной плате, что и датчики емкости, но печатная плата датчика должна быть приклеена или приклеена к покрывающему материалу для предотвращения воздушных зазоров над датчиками, поэтому размещение любые другие компоненты на печатной плате должны учитывать это.

Для приложений, где высокочастотный шум является проблемой, можно использовать RC-фильтр, чтобы минимизировать любые помехи для датчиков. Использование заземляющего покрытия вокруг датчиков также минимизирует любые помехи.

Печатная плата может состоять из двух или четырех слоев. Четырехслойная конструкция должна использоваться, когда за пределами активных областей датчика нет места для трассировки между ИС и датчиками, но можно использовать двухслойную конструкцию, если имеется достаточно места для маршрутизации. Максимально допустимое расстояние между дорожками датчика и контактом емкостного входа составляет 10 см, но один датчик может располагаться на расстоянии 10 см от контактов в одном направлении, а другой - на 10 см от контактов в противоположном направлении, что позволяет разделять датчики на 20 см.

Q : Моя печатная плата датчика готова, что теперь?

A : Емкость, как известно, сложно смоделировать, поэтому отклик датчика в каждом приложении необходимо характеризовать, чтобы обеспечить оптимальную настройку AD7142 / AD7143 для приложения. Этот процесс определения характеристик должен выполняться только один раз для каждого приложения, с одинаковыми значениями настройки, которые затем используются для каждого отдельного продукта.

Датчики охарактеризованы в приложении.Это означает, что любой покрывающий материал должен быть на месте поверх датчика, а любые другие печатные платы или компоненты, которые могут влиять на работу датчика, должны быть размещены вокруг датчика.

Для каждого канала конверсии нам нужно настроить:

  • Внутреннее соединение входного контакта C IN устройства с преобразователем. Это гарантирует, что каждый датчик подключен к преобразователю через один канал преобразования.
  • Значение смещения датчика, для смещения для C BULK .Это емкость, связанная с электрическим полем, которое ограничено внутри печатной платы между электродами передатчика и приемника. Это значение не изменяется, когда датчик активен, а вместо этого обеспечивает постоянное смещение для значения емкости полосы измерения.
  • Начальные значения для верхнего и нижнего регистров смещения. Эти значения используются внутренней логикой для определения порога активации для каждого датчика.

Самый простой способ выполнить определение характеристик - это подключить печатную плату датчика к оценочной плате AD7142 / AD7143, которую можно приобрести в компании Analog Devices.Микроконтроллер и программное обеспечение, включенные в оценочную плату, можно использовать для определения характеристик отклика датчика и сохранения значений настройки.

Q : Какой ответ я могу ожидать?

A : Практический отклик датчика определяется изменением выхода преобразователя, когда датчик переходит из неактивного состояния в активное. Это изменение будет зависеть от площади датчика - чем больше площадь датчика, тем больше изменение, когда датчик активен.Отклик сенсора также будет зависеть от толщины укрывающего материала - если он очень толстый (4 мм и более), отклик сенсора будет минимальным. Причина в том, что электрическое поле не проникает сквозь очень толстый покрывающий материал, поэтому пользователь не сможет шунтировать достаточное количество поля на землю, чтобы вызвать большой отклик. На рис. 8 показан типичный отклик кнопочного сенсора. В этом случае он показывает изменение примерно на 250 младших битов между активным и неактивным датчиком.

Рисунок 8. Типичный отклик кнопочного сенсора.

Q : Вы упомянули программное обеспечение?

A : Взаимодействие между хост-процессором и AD7142 / AD7143 осуществляется по прерыванию. Хост реализует последовательный интерфейс: SPI или I 2 C. AD7142 / AD7143 прерывает работу хоста при прикосновении к датчику. Затем хост может считывать данные из регистров на кристалле. Если датчики представляют собой кнопки или другие простые датчики включения / выключения, хост просто считывает данные из регистров состояния на кристалле; активная кнопка вызывает установку бита в регистре состояния.Однако, если датчики имеют выход с высоким разрешением, программный алгоритм должен работать в программе обработки прерывания хоста для обработки данных AD7142 / AD7143.

Код предоставляется бесплатно или в виде отчислений клиентам, подписавшим лицензионное соглашение с Analog Devices. Для полосы прокрутки код обычно занимает 500 байт памяти данных и 8 Кбайт памяти кода. Для колеса прокрутки код обычно занимает 600 байт памяти данных и 10 Кбайт памяти кода.

Analog Devices предоставляет образцы драйверов, написанных на C-коде, для базовой конфигурации, сенсоров кнопок и 8-позиционных переключателей, использующих SPI- и I 2 C-совместимые интерфейсы.Образцы драйверов для колес прокрутки и полос прокрутки доступны после подписания лицензии на программное обеспечение.

Q : Идеи по сборке моего готового продукта?

A : Не допускается наличие воздушного зазора между печатной платой датчика и покрывающим материалом или корпусом продукта, поскольку его наличие приведет к тому, что меньшее электрическое поле будет распространяться над пластиком, уменьшая реакцию датчика. Кроме того, пластик или другой покрывающий материал может изгибаться при контакте, заставляя пользователя взаимодействовать с переменным электрическим полем и приводя к нелинейному отклику датчика.Таким образом, печатная плата датчика должна быть приклеена к покрывающему материалу, чтобы предотвратить образование воздушных зазоров.

Кроме того, вокруг датчиков не должно быть плавающего металла. Требуется расстояние « Keep Out » 5 см. Металл ближе 5 см к датчикам должен быть заземлен, но не может быть металла ближе 0,2 мм к датчикам.

Наконец, толщина пластика, закрывающего активные области датчика, должна составлять около 2 мм. Сенсор большего размера следует использовать с более толстым пластиком; и пластика толщиной до 4 мм.

Заключение

Датчики емкости - это новая технология для интерфейса человек-машина, которая быстро становится предпочтительной технологией для целого ряда различных продуктов и устройств. Датчики емкости обеспечивают инновационные, но простые в использовании интерфейсы для широкого спектра портативных и потребительских товаров. Простые в конструкции, они используют стандартные технологии изготовления печатных плат и более надежны, чем механические переключатели. Они дают промышленному дизайнеру свободу сосредоточиться на дизайне, зная, что можно положиться на емкостные датчики, чтобы получить высокопроизводительный интерфейс, соответствующий дизайну.Разработчик может извлечь выгоду из портфеля технологий и продуктов ИС компании Analog Devices, а также получить опыт, а также доступные аппаратные и программные инструменты, которые сделают проектирование датчиков емкости максимально простым и быстрым.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *