Емкостной датчик – это один из типов бесконтактных датчиков, принцип работы которого основан на изменении диэлектрической проницаемости среды между двух обкладок конденсатора. Одной обкладкой служит сенсорный датчик схемы в виде металлической пластины или провода, а второй – электропроводящее вещество, например, металл, вода или тело человека.
При разработке системы автоматического включения подачи воды в унитаз для биде возникла необходимость применения емкостного датчика присутствия и выключателя, обладающих высокой надежностью, устойчивостью к изменению внешней температуры, влажности, пыли и питающему напряжению. Хотелось также исключить необходимость прикосновения человека с органами управления системы. Предъявляемые требования могли обеспечить только схемы сенсорных датчиков, работающих на принципе изменения емкости. Готовой схемы удовлетворяющей необходимым требованиям не нашел, пришлось разработать самостоятельно.
Получился универсальный емкостной сенсорный датчик, который не требует настройки и реагирует на приближающиеся электропроводящие предметы, в том числе и человека, на расстояние до 5 см. Область применения предлагаемого сенсорного датчика не ограничена. Его можно применять, например, для включения освещения, систем охранной сигнализации, определения уровня воды и в многих других случаях.
Электрические принципиальные схемы
Для управления подачей воды в биде унитаза понадобилось два емкостных сенсорных датчика. Один датчик нужно было установить непосредственно на унитазе, он должен был выдавать сигнал логического нуля при присутствии человека, а при отсутствии сигнал логической единицы. Второй емкостной датчик должен был служить включателем воды и находиться в одном из двух логических состояний.
При поднесении к сенсору руки датчик должен был менять логическое состояние на выходе – из исходного единичного состояния переходить в состояние логического нуля, при повторном прикосновении руки из нулевого состояния переходить в состояние логической единицы. И так до бесконечности, пока на сенсорный включатель поступает разрешающий сигнал логического нуля с сенсорного датчика присутствия.
Схема емкостного сенсорного датчика
Основой схемы емкостного сенсорного датчика присутствия является задающий генератор прямоугольных импульсов, выполненный по классической схеме на двух логических элементах микросхемы D1.1 и D1.2. Частота генератора определяется номиналами элементов R1 и C1 и выбрана около 50 кГц. Значение частоты на работу емкостного датчика практически не влияет. Я менял частоту от 20 до 200 кГц и влияния на работу устройства визуально не заметил.
С 4 вывода микросхемы D1.2 сигнал прямоугольной формы через резистор R2 поступает на входы 8, 9 микросхемы D1.3 и через переменный резистор R3 на входы 12,13 D1.4. На вход микросхемы D1.3 сигнал поступает с небольшим изменением наклона фронта импульсов из-за установленного датчика, представляющего собой кусок провода или металлическую пластину. На входе D1.4, из за конденсатора С2, фронт изменяется на время, необходимое для его перезаряда. Благодаря наличию подстроечного резистора R3, есть возможность фронты импульса на входе D1.4, выставить равным фронту импульса на входе D1.3.
Если приблизить к антенне (сенсорному датчику) руку или металлический предмет, то емкость на входе микросхемы DD1.3 увеличится и фронт поступающего импульса задержатся во времени, относительно фронта импульса, поступающего на вход DD1.4. чтобы «уловить» эту задержку про инвертированные импульсы подаются на микросхему DD2.1, представляющую собой D триггер, работающий следующим образом. По положительному фронту импульса, поступающего на вход микросхемы C, на выход триггера передается сигнал, который в тот момент был на входе D. Следовательно, если сигнал на входе D не изменяется, поступающие импульсы на счетный вход C не оказывают влияния на уровень выходного сигнала. Это свойство D триггера и позволило сделать простой емкостной сенсорный датчик.
Когда емкость антенны, из за приближения к ней тела человека, на входе DD1.3 увеличивается, импульс задерживается и это фиксирует D триггер, изменяя свое выходное состояние. Светодиод HL1 служит для индикации наличия питающего напряжения, а HL2 для индикации приближения к сенсорному датчику.
Схема сенсорного включателя
Схему емкостного сенсорного датчика можно использовать и для работы сенсорного включателя, но с небольшой доработкой, так как ему необходимо не только реагировать на приближение тела человека, но и оставаться в установившемся состоянии после удаления руки. Для решения этой задачи пришлось к выходу сенсорного датчика добавить еще один D триггер, DD2.2, включенный по схеме делителя на два.
Схема емкостного датчика была немного доработана. Для исключения ложных срабатываний, так как человек может подносить и удалять руку медленно, из-за наличия помех датчик может выдавать на счетный вход D триггера несколько импульсов, нарушая необходимый алгоритм работы включателя. Поэтому была добавлена RC цепочка из элементов R4 и C5, которая на небольшое время блокировала возможность переключение D триггера.
Триггер DD2.2 работает так же, как и DD2.1, но сигнал на вход D подается не с других элементов, а с инверсного выхода DD2.2. В результате по положительному фронту импульса, приходящего на вход С сигнал на входе D изменяется на противоположный. Например, если в исходном состоянии на выводе 13 был логический ноль, то поднеся руку к сенсору один раз, триггер переключится и на выводе 13 установится логическая единица. При следующем воздействии на сенсор, на выводе 13 опять установится логический ноль.
Для блокировки включателя при отсутствии человека на унитазе, с сенсора на вход R (установка нуля на выходе триггера вне зависимости от сигналов на всех остальных его входах) микросхемы DD2.2 подается логическая единица. На выходе емкостного выключателя устанавливается логический ноль, который по жгуту подается на базу ключевого транзистора включения электромагнитного клапана в Блоке питания и коммутации.
Резистор R6, при отсутствии блокирующего сигнала с емкостного датчика в случае его отказа или обрыва управляющего провода, блокирует триггер по входу R, тем самым исключает возможность самопроизвольной подачи воды в биде. Конденсатор С6 защищает вход R от помех. Светодиод HL3 служит для индикации подачи воды в биде.
Конструкция и детали емкостных сенсорных датчиков
Когда я начал разрабатывать сенсорную систему подачи воды в биде, то наиболее трудной задачей мне казалась разработка емкостного датчика присутствия. Обусловлено это было рядом ограничений по установке и эксплуатации. Не хотелось, чтобы датчик был механически связан с крышкой унитаза, так как ее периодически надо снимать для мойки, и не мешал при санитарной обработке самого унитаза. Поэтому и выбрал в качестве реагирующего элемента емкость.
Сенсорного датчика присутствия
По выше опубликованной схеме сделал опытный образец. Детали емкостного датчика собраны на печатной плате, плата размещена в пластмассовой коробке и закрывается крышкой. Для подключения антенны в корпусе установлен одноштырьковый разъем, для подачи питающего напряжения и сигнала установлен четырех контактный разъем РШ2Н. Соединена печатная плата с разъемами пайкой медными проводниками в фторопластовой изоляции.
Сенсорный емкостной датчик собран на двух микросхемах КР561 серии, ЛЕ5 и ТМ2. Вместо микросхемы КР561ЛЕ5 можно применить КР561ЛА7. Подойдут и микросхемы 176 серии, импортные аналоги. Резисторы, конденсаторы и светодиоды подойдут любого типа. Конденсатор С2, для стабильной работы емкостного датчика при эксплуатации в условиях больших колебаниях температуры окружающей среды нужно брать с малым ТКЕ.
Установлен датчик под площадкой унитаза, на которой установлен сливной бачок в месте, куда в случае протечки из бачка вода попасть не сможет. К унитазу корпус датчика приклеен с помощью двустороннего скотча.
Антенный датчик емкостного сенсора представляет собой отрезок медного многожильного провода длинной 35 см в изоляции из фторопласта, приклеенного с помощью прозрачного скотча к внешней стенке чаши унитаза на сантиметр ниже плоскости очка. На фотографии сенсор хорошо виден.
Для настройки чувствительности сенсорного датчика необходимо после его установки на унитаз, изменяя сопротивление подстроечного резистора R3 добиться, чтобы светодиод HL2 погас. Далее положить руку на крышку унитаза над местом нахождения сенсора, светодиод HL2 должен загораться, если руку убрать, потухнуть. Так как бедро человека по массе больше руки, то при эксплуатации сенсорный датчик, после такой настройки, будет работать гарантировано.
Конструкция и детали емкостного сенсорного включателя
Схема емкостного сенсорного включателя имеет больше деталей и для их размещения понадобился корпус большего размера, да и по эстетическим соображениям, внешний вид корпуса, в котором был размещен сенсорный датчик присутствия не очень подходил для установки на видном месте. Внимание на себя обратила настенная розетка rj-11 для подключения телефона. По размерам она подходила и имела хороший внешний вид. Удалив из розетки все лишнее, разместил в ней печатную плату емкостного сенсорного выключателя.
Для закрепления печатной платы в основании корпуса была установлена короткая стойка и к ней с помощью винта прикручена печатная плата с деталями сенсорного выключателя.
Датчик емкостного сенсора сделал, приклеив ко дну крышки розетки клеем «Момент» лист латуни, предварительно вырезав в них окошко для светодиодов. При закрывании крышки, пружина (взята от кремниевой зажигалки) соприкасается с латунным листом и таким образом обеспечивается электрический контакт между схемой и сенсором.
Крепится емкостной сенсорный включатель на стену с помощью одного самореза. Для этого в корпусе предусмотрено отверстие. Далее устанавливается плата, разъем и закрепляется защелками крышка.
Настройка емкостного выключателя практически не отличается от настройки сенсорного датчика присутствия, описанного выше. Для настройки нужно подать питающее напряжение и резистором отрегулировать, чтобы светодиод HL2 загорался, когда к датчику подносится рука, и гас, при ее удалении. Далее нужно активировать сенсорный датчик и поднести и удалить руку к сенсору выключателя. Должен мигнуть светодиод HL2 и загореться красный светодиод HL3. При удалении руки красный светодиод должен продолжать
Схема емкостного датчика на микросхеме K561TЛ1 (CD4093B)
Сегодня никого не удивишь различными по назначению и эффективности электронными устройствами превентивного предупреждения, которые оповещают людей или включают охранную сигнализацию задолго до непосредственного контакта нежелательного гостя с охраняемым рубежом (территорией). Многие из таких узлов, описанных в литературе, например в [48], по мнению автора, интересны, но усложнены.
В противовес им разработана простая электронная схема бесконтактного емкостного датчика (рис. 2.2), собрать которую по силам даже начинающему радиолюбителю. Устройство имеет высокую чувствительность по входу, что позволяет использовать его для предупреждения о приближении человека к сенсору Е1.
Принцип действия устройства основан на изменении емкости между сенсором-антенной Е1 и «землей» (общим проводом: всем тем, что соотносится к заземляющему контуру, — в данном случае это пол и стеніі помещения). При приближении человека эта емкость существенно изменяется, что оказывается достаточным для срабатывания микросхемы K561TЛ1.
Рис. 2.2. Электрическая схема бесконтактного емкостного датчика
В основе конструкции — два элемента микросхемы K561TЛ1 (DD1), включенные как инверторы. Эта микросхема имеет в своем составе четыре однотипных элемента с функцией 2И-НЕ с триггерами Шмита с гистерезисом (задержкой) на входе и инверсией по выходу.
Применение микросхемы K561TЛ1 обусловлено малым потреблением тока, высокой помехозащищенностью (до 45 % от уровня напряжения питания), работой в широком диапазоне питающего напряжения (в диапазоне 3—15 В), защищенностью по входу от статического электричества и кратковременного превышения входных уровней, и многими другими достоинствами, которые позволяют широко использовать микросхему в радиолюбительских конструкциях, не требуя каких-либо особых мер предосторожности и защиты.
Кроме того, микросхема K561TЛ1 позволяет включать свои независимые логические элементы параллельно, в качестве буферных элементов, вследствие чего мощность выходного сигнала пропорционально увеличивается. Триггеры Шмита—бистабильные схемы, способные работать с медленно возрастающими входными сигналами, в том числе с примесью помех. При этом обеспечивающие по выходу крутые фронты импульсов можно передавать в последующие узлы схемы для стыковки с другими ключевыми элементами и микросхемами. Микросхема K561TЛ (как, впрочем, и K561TЛ2) могут выделять управляющий сигнал (в том числе цифровой) для других устройств из аналогового или нечеткого входного импульса.
Зарубежный аналог К561ТЛ1 — CD4093B.
Схема включения инверторов — классическая, она описана в справочных изданиях. Особенность представленной разработки — в конструктивных нюансах. После включения питания на входе элемента DD1.1 присутствует неопределенное состояние, близкое к низкому логическому уровню. На выходе DD1.1 — высокий уровень, на выходе DD1.2 — опять низкий. Транзистор VT1 закрыт. Пьезоэлектрический капсюль НАІ (с внутренним генератором ЗЧ) не активен.
К сенсору Е1 подключена антенна — подойдет автомобильная телескопическая. При нахождении человека рядом с антенной изменяется емкость между штырем антенны и полом. От этого переключаются элементы DD1.1, DD1.2 в противоположное состояние. Для переключения узла человек среднего роста должен находиться (проходить) рядом с антенной длиной 35 см на расстоянии до 1,5 м. На выводе 4 микросхемы появляется высокий уровень напряжения, вследствие этого транзистор VT1 открывается и звучит капсюль НА1.
Подбором емкости конденсатора С1 можно изменить режим работы элементов микросхемы. Так, при уменьшении емкости С1 до 82—120 пФ узел работает иначе. Теперь звуковой сигнал звучит только, пока на вход DD1.1 воздействует наводки переменного напряжения — прикосновение человека.
Электрическую схему (рис. 2.2) можно использовать и как основу для триггерного сенсорного датчика. Для этого исключают постоянный резистор R1, экранированный провод, а сенсором являются контакты микросхемы 1 и 2.
Последовательно с R1 подключают экранированный провод (кабель РК-50, РК-75, экранированный провод для сигналов ЗЧ — подходят все типы) длиной 1—1,5 м, экран соединяется с общим проводом, центральная жила на конце соединяется со штырем антенны.
При соблюдении указанных рекомендаций и применении указанных в схеме типов и номиналов элементов, узел генерирует звуковой сигнал частотой около 1 кГц (зависит от типа капсюля НА1) при приближении человека к штырю антенны на расстояние 1,5—1 м. Триггерный эффект отсутствует. Как только объект удаляется от антенны, датчик переходит в режим охраны (ожидания).
Эксперимент проводился также с животными— кошкой и собакой: на их приближение к сенсору-антенне узел не реагирует.
Возможности устройства трудно переоценить. В авторском варианте оно смонтировано рядом с дверной коробкой; входная дверь — металлическая.
Громкость сигнала ЗЧ, излучаемого капсюлем НА1, достаточна для того, чтобы услышать его на закрытой лоджии (она сопоставима с громкостью квартирного звонка).
Источник питания— стабилизированный, с напряжением 9—15 В, с хорошей фильтрацией напряжения пульсаций по выходу. Ток потребления ничтожно мал в режиме ожидания (несколько микроампер) и увеличивается до 22—28 мА при активной работе излучателя НА1. Бестрансформаторный источник применять нельзя из-за вероятности поражения электрическим током. Оксидный конденсатор С2 действует как дополнительный фильтр по питанию, его тип — К50-35 или аналогичный, на рабочее напряжение не ниже напряжения источника питания.
При эксплуатации узла выявлены интересные особенности. Напряжение питания узла влияет на его работу: при увеличении напряжения питания до 15 В в качестве сенсора-антенны используется только обыкновенный многожильный неэкранированный электрический медный провод сечением 1—2 мм длиной 1 м; никакого экрана и резистора R1 в таком случае не надо, электрический медный провод подсоединяется непосредственно к выводам 1 и 2 элемента DD1.1. Эффект аналогичен. При изменении фазировки сетевой вилки источника питания узел катастрофически теряет чувствительность и способен работать только как сенсор (реагирует на прикосновение к Е1). Это актуально при любом значении напряжения источника питания в диапазоне 9—15 В. Очевидно, что второе назначение данной схемы — обыкновенный сенсор (или сенсор-триггер).
Эти нюансы следует учитывать при повторении устройства. Однако в случае правильного подключения, описанного здесь, получается важная составляющая охранной сигнализации, обеспечивающей безопасность жилищу, предупреждающей хозяев еще до возникновения нештатной ситуации.
Монтаж элементов осуществляется компактно на плате из стеклотекстолита. Корпус для устройства — любой из диэлектрического (непроводящего) материала. Для контроля включения питания устройство может быть снабжено индикаторным светодиодом, подключенным параллельно источнику питания.
Налаживание при точном соблюдении рекомендаций не требуется. Если экспериментировать с длиной экранирующего кабеля, длиной и площадью сенсора-антенны Е1 и изменением напряжения питания, возможно потребуется скорректировать сопротивление резистора R1 в широких пределах — от 0,1 до 100 МОм. Для уменьшения чувствительности увеличивают емкость конденсатора С1. Если это не приносит результатов, параллельно С1 включают постоянный резистор сопротивление
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.
В таком варианте воздействие приходится на одну из обкладок, она под приложенным усилием может смещаться, что вызывает изменение емкости конденсатора, пропорциональное воздействию.
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;
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
Хорошая реклама
Разрабатывая хобби-электронику, мне понадобился какой-нибудь простой датчик расстояния на ёмкостном эффекте. Поискав в Интернете, нашёл только датчики касания, но они имеют малое расстояние срабатывания и дискретный выход. Другие же датчики слишком сложные или с долгой настройкой. Нужен был очень простой и дешёвый, работающий от микроконтроллера. Что получилось — под катом…
Схема
После нескольких экспериментов появилась схема, на рис. 1.
Рис. 1. Схема. MicroCap10
Как работает
Принцип действия основан на измерении заряда, который накопился на обкладке конденсатора при зарядке. Вторая обкладка – это объект, подносимый к датчику. Для моделирования она показана подключённой к «земле», но это не принципиально.
Обкладка конденсатора подключена к выводу микроконтроллера, который настроен на выдачу меандра частотой 120 — 180 кГц, на схеме это источник напряжения V2. Также, обкладка подключена к базе транзистора Q1. Эмиттер подключён к тому же генератору. Так как выход МК комплементарный, это означает что вывод попеременно подключён то к «+» источнику питания, то к «0». Что происходит в эти полупериоды:
- На выходе МК лог. 1: Конденсатор быстро заряжается через R1, R2. Так как ёмкость очень мала, можно обойтись без диодного разделения, сопротивление R2 достаточно для полного заряда, и нет паразитной ёмкости диодов. Транзистор закрыт, так как включён в обратном направлении UБЭ<0.
- На выходе МК лог. 0: Конденсатор С1 разряжается через R3, переход БЭ Q1 и выход МК. Так как эмиттер через вывод МК подключился к «0V», то ток разряда на очень короткое время открывает транзистор. Создаётся ток коллектора на короткое время, определяемое зарядом конденсатора С1.
комплементарный выход
Диод D1 и конденсатор С2 образуют амплитудный детектор – на R5 создаётся напряжение, пропорциональное ёмкости С1. Транзистор Q2 нужен для согласования сопротивлений с АЦП МК. Выходное напряжение снимается с R6.
Результаты моделирования (рис. 2) при номиналах, показанных на схеме. Линейная зависимость примерно сохраняется до 10 пФ.
Рис. 2. График ёмкость — напряжение
При снижении R3 до 2 кОм, увеличивается чувствительность и снижается линейный участок примерно до 0…4 пФ.
Рис. 3. График ёмкость — напряжение
Примечание: подъём графика около 0 пФ – ошибки моделирования, там на самом деле продолжается линейность. Проверено в «железе».
Приведённая схема отличается от других (с диодной развязкой или мостами и неизменным включением БЭ транзистора) тем, что пропорция ёмкость/напряжение имеется почти с 0 пФ, без мёртвой зоны. Также, в схеме задействована только одна обкладка конденсатора.
При выполнении на плате собственная ёмкость схемы намного меньше ёмкости одной обкладки — пластины в 20 см2. Чувствительность датчика: для поднесённой руки примерно на 50 мм к пластине — изменение выходного сигнала более 10%. Расчётное изменение ёмкости около 2 пФ. На сетевые помехи, ЭМП и GSM датчик не реагирует.
Уточнения для реализации
- Транзисторы должны быть с рабочей частотой от 100 МГц, и минимальной ёмкостью базы (здесь 2 пФ).
- Диод D1 – высокочастотный типа BAV99, ёмкость единицы пФ.
- С2 в диапазоне 10 – 30 нФ, больше не надо, растёт ток вывода МК. Для сглаживания импульсов можно поставить конденсатор параллельно R6
- Резистор R1 в 100 Ом ограничивает ток вывода МК, импульсный 5мА, средний 0,2 мА.
- Микроконтроллер в данной схеме – Atmega8A, выход меандр 166 кГц, АЦП его же. Увеличение частоты выше 300 кГц не рекомендуется, из-за влияния паразитных ёмкостей.
Кто реализует и применит в своих поделках — отпишитесь, интересно.
Альтернативное применение.
В комментариях под статьёй обсуждается применение в качестве датчика влажности почвы. Решил проверить, возможно ли.
Сенсорную пластину взял 40х60 мм, хорошо замотав в 4 слоя сантехнического скотча (допустим, герметизировал). Собственная ёмкость возросла, пришлось поменять номиналы в схеме, снизив чувствительность до уровня 15 пФ. Новая схема здесь :
Рис. 4. Схема для датчика влажности почвы.
Эксперименты:
Сухой песок. Собственная ёмкость сенсора.
Песок +20мл воды.
Ещё долил воды и немного утрамбовал.
… и ещё воды.
… и ещё воды.
… и ещё воды.
… и ещё воды. Стало совсем тропически сыро.
Напряжение снимал с R5, поэтому при увеличении ёмкости напряжение увеличивается.
Видно, что ёмкость возрастает при каждом доливе. Однако, то ли песок такой, то ли я не знаю что, но показания увеличиваются сразу при доливе. Я ожидал более плавное изменение U при пропитывании песка водой.
Да, я знаю о сенсорных датчиках для Ардуино с Али. Но мне хотелось разобраться самому и сделать с заданными параметрами.
Простой емкостный датчик
- Подробности
- Категория: Охрана
Сегодня никого не удивишь различными по назначению и эффективности электронными устройствами превентивного предупреждения, которые оповещают людей или включают охранную сигнализацию задолго до непосредственного контакта нежелательного гостя с охраняемым рубежом (территорией). Многие из таких узлов, описанных в литературе, на мой взгляд, интересны, но усложнены. В противовес им простая электронная схема бесконтактного емкостного датчика (рис.1), собрать которую в силах даже начинающий радиолюбитель. Устройство имеет многочисленные возможности, одну из которых – высокую чувствительность по входу – используют для предупреждения о приближении какого-либо одушевленного объекта (к примеру, человека) к сенсору Е1.
В основе схемы – два элемента микросхемы К561ТЛ1 включенных как инверторы. Эта микросхема имеет в своем составе четыре однотипных элемента с функцией 2И-НЕ с триггера Шмитта с гистерезисом (задержкой) на входе и инверсией по выходу. Функциональное обозначение – петля гистерезиса показывает
Рис. 1. Электрическая схема бесконтактного емкостного датчика в таких элементах внутри их обозначения. Применение К561ТЛ1 в данной схеме оправдано тем, что она (и К561 серия микросхем, в частности) имеет очень малые рабочие токи, высокую помехозащищенность (до 45% от уровня напряжения питания), работает в широком диапазоне питающего напряжения (от 3 до 15 В), имеет защищенность по входу от потенциала статического электричества и кратковременного превышения входных уровней и многие другие преимущества, которые позволяют широко использовать ее в радиолюбительских конструкциях, не требуя каких-либо особых мер предосторожности и защиты.
Кроме того, К561ТЛ1 позволяет включать свои независимые логические элементы параллельно, в качестве буферных элементов, вследствие чего мощность выходного сигнала кратно увеличивается. Триггеры Шмита – это, как правило, бистабильные схемы, способные работать с медленно возрастающими входными сигналами, в том числе с примесью помех, при этом обеспечивающие по выходу крутые фронты импульсов, которые можно передавать в последующие узлы схемы для стыковки с другими ключевыми элементами и микросхемами.
Микросхема К561ТЛ1 (как, впрочем, и К561ТЛ2) может выделять Управляющий сигнал (в том числе цифровой) для других устройств с нечеткого входного импульса. Зарубежный аналог К561ТЛ1 – CD4093B.
Предельное состояние, близкое к низкому логическому уровню. На выходе DD1.1 – высокий уровень, на выходе DD1.2 – опять низкий. Транзистор VT1, выполняющий роль усилителя тока, закрыт. Пьезоэлектрический капсюль НА1 (с внутренним генератором 3Ч) неактивен.
К сенсору Е1 подключена антенна – в ее качестве используют автомобильную телескопическую антенну. При нахождении человека рядом с антенной изменяется емкость между штырем антенны и полом. От этого переключаются элементы DD1.1, DD1.2 в противоположное состояние. Для переключения узла человек среднего роста должен находиться (проходить) рядом с антенной длиной 35 см на расстоянии до 1,5 м.
На выводе 4 микросхемы появляется высокий уровень напряжения, вследствие этого транзистор VT1 открывается и звучит капсюль НА1.
Подбором емкости конденсатора С1 можно изменить режим работы элементов микросхемы. Так, при уменьшении емкости С1 до 82-120 пФ узел работает иначе. Теперь звуковой сигнал звучит, только пока на вход DD1.1 воздействует наводка переменного напряжения – прикосновение человека.
Электрическую схему (рис.1) можно использовать и как основу для триггерного сенсорного узла. Для этого исключают постоянный резистор R1, экранированный провод, а сенсором являются контакты микросхемы 1 и 2.
Последовательно с R1 подключают экранированный провод (кабель РК-50, РК-75, экранированный провод для сигналов 34 – подходят все типы) длиной 1-1,5 м, экран соединяется с общим проводом. Центральный (неэкранированный) провод на конце соединяется со штырем антенны.
При соблюдении указанных рекомендаций, применении указанных в схеме типов и номиналов элементов узел генерирует звуковой сигнал частотой около 1 кГц (зависит от типа капсюля НА1) при приближении человека к штырю антенны на расстояние 1,5-1 м. Триггерного эффекта нет. При отходе человека от антенны звук в капсюле НА1 прекращается.
Эксперимент проводился также с животными – кошкой и собакой: на их приближение к сенсору – антенне – узел не реагирует.Принцип действия в данном устройстве основан на изменении емкости сенсора-антенны Е1 между ней и «землей» (общим проводом, всем тем, что относится к заземляющему контуру, – в данном случае это пол и стены помещения). При приближении человека эта емкость существенно изменяется, что оказывается достаточным для срабатывания микросхемы К561ТЛ1.
Практическое применение узла трудно переоценить. В авторском варианте устройство смонтировано рядом с дверной коробкой многоквартирного жилого дома. Входная дверь – металлическая.
Громкость сигнала 34, излучаемого капсюлем НА1, достаточна для того, чтобы услышать его на закрытой лоджии (она сопоставима с громкостью квартирного звонка).
Источник питания – стабилизированный с напряжением 9-15 В, с хорошей фильтрацией напряжения пульсаций по выходу. Ток потребления ничтожно мал в режиме ожидания (несколько микроампер) и увеличивается до 22-28 мА при активной работе излучателя НА1.Бестрансформаторный источник применять нельзя из-за вероятности поражения электрическим током. Оксидный конденсатор С2 действует как дополнительный фильтр по питанию, его тип К50-35 или аналогичный, на рабочее напряжение не ниже напряжения источника питания.
При эксплуатации узла выявлены интересные особенности. Так, напряжение питания узла влияет на его работу. При увеличении напряжения питания до 15 В в качестве сенсора-антенны используется только обыкновенный многожильный неэкранированный электрический медный провод сечением 1-2 мм длиной 1 м. Никакого экрана и резистора R1 в таком случае не надо. Электрический медный провод подсоединяется непосредственно к выводам 1 и 2 элемента DD1.1. Эффект оказывается тем же.
При изменении фазировки сетевой вилки источника питания узел катастрофически теряет чувствительность и способен работать только как сенсор (реагирует на прикосновение к Е1). Это актуально при любом значении напряжения источника питания в диапазоне 9-15 В. Очевидно, что второе назначение данной схемы – обыкновенный сенсор (или сенсор-триггер).
Эти нюансы следует учитывать при повторении узла. Однако при правильном подключении, описанном здесь, получается важная и стабильная часть охранной сигнализации, обеспечивающей безопасность жилищу, предупреждающей хозяев еще до возникновения нештатной ситуации.
Монтаж элементов осуществляется компактно на плате из стеклотекстолита.
Корпус для устройства любой из диэлектрического (непроводящего) материала. Для контроля включения питания устройство может быть снабжено индикаторным светодиодом, подключенным параллельно источнику питания.
Рис. 2. Фото готового устройства с автомобильной антенной в виде емкостного датчика
Налаживание при точном соблюдении рекомендаций не требуется. Возможно, при других вариантах сенсоров и антенн узел проявит себя в ином качестве. Если экспериментировать с длиной экранирующего кабеля, длиной и площадью сенсора-антенны Е1 и изменением напряжения питания узла, возможно, потребуется скорректировать сопротивление резистора R1 в широких пределах от 0,1 до 100 МОм. Для уменьшения чувствительности узла увеличивают емкость конденсатора С1. Если это не приносит результатов, параллельно С1 включают постоянный резистор сопротивлением 5-10 МОм.
Неполярный конденсатор С1 типа КМ6. Постоянный резистор R2 – МЛТ-0,25. Резистор R1 типа ВС-0,5, ВС-1. Транзистор VT1 необходим для усиления сигнала с выхода элемента DD1.2. Без этого транзистора капсюль НА1 звучит слабо. Транзистор VT1 можно заменить на КТ503, КТ940, КТ603, КТ801 с любым буквенным индексом-
Капсюль-излучатель НА1 может быть заменен на аналогичный с встроенным генератором 34 и рабочим током не более 50 мА, например FMQ-2015B, КРХ-1212В и аналогичными.
Благодаря применению капсюля со встроенным генератором узел проявляет интересный эффект – при близком приближении человека к сенсору-антенне Е1 звук капсюля монотонный, а при удалении (или дальнем приближении человека на расстоянии более 1,5 м) капсюль издает стабильный по характеру, прерывистый звук в соответствии с изменением уровня потенциала на выходе элемента DD1.2.
Если в качестве НА1 применить капсюль со встроенным генератором прерываний 34, например KPI-4332-12, звук будет напоминать сирену при относительно большом расстоянии человека от сенсора-антенны и прерывистый сигнал стабильного характера при максимальном приближении.
Некоторым минусом устройства можно считать отсутствие избирательности «свой/чужой» – так, узел будет сигнализировать о приближении к Е1 любого лица, в том числе вышедшего «за булкой хлеба» хозяина квартиры.
Основа работы узла – электрические наводки и изменение емкости максимально полезны при эксплуатации в больших жилых массивах с развитой сетью электрических коммуникаций. Возможно, что такой прибор будет бесполезен в лесу, в поле и везде, где нет электрических коммуникаций осветительной сети 220 В. Такова особенность устройства.
Экспериментируя с данным узлом и микросхемой К561ТЛ1 (даже в штатном ее включении), можно получить бесценный опыт и реальные, простые в повторении, но оригинальные по сути и функциональным особенностям электронные устройства.
Добавить комментарий
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:
- вводит вещество (т.е. человеческую плоть) с относительно высокой диэлектрической проницаемостью;
- 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 цепиМы 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 касанийЕсли 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 немуПо 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 напряженияС 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 EFM32Мультиплексор 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 касанийВысокочастотный 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 цепиСохранить или поделиться
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: 477
Емкостный датчики его преобразователь и его применение
Что такое емкостный датчик и его применение
Что такое конденсатор?
Конденсатор – это электрический компонент, используемый для накопления энергии и, следовательно, используемый при проектировании схем. Они хранят электроны. Конденсаторы также называются конденсаторами. Это может быть найдено в различном диапазоне значений. Конденсатор имеет две клеммы и действует как пассивный элемент.
Конденсатор имеет две пластины из проводника с диэлектрической средой, размещенной между пластинами.Один конец клеммы конденсатора хранит положительную энергию, а другой вывод – отрицательную энергию. Конденсатор начинает заряжаться, когда к нему добавляется электрическая энергия, и разряжается, когда энергия перестает поступать на конденсатор. Таким образом, это означает, что когда конденсатор накапливает ток, он заряжается, и конденсатор начинает разряжаться, когда ток разряжается. Электрический ток, накопленный в конденсаторе, выражается в единицах Фарада.
Конденсатор Модель
Конструкция конденсатора
Емкостные преобразователи:
Емкостный преобразователь используется для измерения смещения, давления и многих других физических величин.Он действует как пассивный преобразователь, поэтому ему не требуется внешний источник питания. Как обсуждалось выше, емкостный преобразователь имеет две параллельные пластины с диэлектрической средой между пластинами. Диэлектрической средой может быть воздух, газ или жидкость. Электрический заряд конденсатора используется для преобразования механического смещения в электрический сигнал.
Принцип действия:
На одной из пластин не будет заряда, когда конденсатор заряжается.Это приводит к нулевой напряженности электрического поля между двумя пластинами.
Q = CV
Где C – константа пропорциональности, известная как емкость конденсатора. Значение C зависит от размера пластины и диэлектрического материала, размещенного между пластинами. Это зависит от площади поверхности пластины, расстояния между двумя пластинами и диэлектрической проницаемости материала. Значение емкости в емкостных преобразователях является переменным. Емкостный преобразователь в основном используется для измерения линейного смещения.Емкостный преобразователь использует следующие три эффекта.
- Изменение емкости преобразователя из-за изменения площади пластин конденсатора. → A
- Изменение емкости происходит из-за изменения расстояний между пластинами → d
- Емкость изменяется из-за диэлектрической проницаемости. → ε
Емкость – это отношение количества энергии, накопленной на одной из пластин, к уровню напряжения на конденсаторе.Емкость прямо пропорциональна области пластины и обратно пропорциональна их диапазону.
ε является константой пропорциональности и называется диэлектрической проницаемостью материала, который разделяет пластины конденсатора.
При использовании изоляционного материала емкость равна 
, где
- ε 0 – диэлектрическая проницаемость свободного пространства (8,85 x 10 -12 Ф / м)
- εr – диэлектрическая проницаемость изолирующей среды (εr = 1 для воздуха)
- A – площадь пластины ( м 2 )
- d – это расстояние между двумя пластинами (м)
Похожие сообщения: Типы резистивных датчиков – преобразователь, потенциометр и тензометрический датчик
Измерение смещения с помощью емкостного датчика
Можно использовать следующие методы используется для измерения смещения с использованием емкостного преобразователя
A преобразователя с использованием изменения площади пластин
Следующее уравнение де показывает, что емкость прямо пропорциональна области пластины.Емкость смещается в положение пластин соответственно. Емкостные преобразователи используются для измерения от 1 мм до нескольких см большого смещения. Емкость и смещение области емкостного преобразователя смещаются линейно. Первоначально из-за ребер в схеме возникает нелинейность. В противном случае будет дан линейный ответ.
Емкость параллельных пластин задается как 
- Где x – длина пластин конденсатора
- Вт = ширина пластин
Чувствительность смещения постоянна, и поэтому она дает линейную зависимость между емкость и смещение.
Емкостный преобразователь, используемый для измерения углового смещения
Когда пластины полностью перекрываются друг с другом, емкость будет максимальной. 180 градусов – максимальное смещение, которое может произвести конденсатор. Угловое движение изменяет емкость преобразователей. Максимальное значение емкости выражается как 
Емкость под углом θ выражается как, 
- θ – угловое смещение в радианах
Преобразователь, использующий изменение расстояния между пластинами
Емкость преобразователя обратно пропорциональна диапазону пластины.Одна пластина датчика зафиксирована, а другая пластина подвижна. Измеряемое смещение связано с подвижными пластинами. Емкость обратно пропорциональна расстоянию из-за нелинейного отклика, показываемого конденсатором. Этот тип преобразователя используется для измерения крошечного смещения.
Емкость дана как, 
. Приложения для емкостных датчиков. температура влажности и воздуха.Отношение влажности в воздухе при определенной температуре воздуха к наибольшему количеству влажности называется относительной влажностью. При поиске удобства относительная влажность становится значительной переменной. Поместив тонкую полоску оксида металла между двумя электродами, емкостный датчик влажности измеряет относительную влажность. Датчики емкостного типа являются линейными и способны измерять относительную влажность от 0 до 100%. Поскольку влага в атмосфере меняет свою диэлектрическую проницаемость, из емкостного конденсатора может быть изготовлен простой емкостный датчик относительной влажности.Однако воздух как диэлектрик не пригоден для практического применения. Следовательно, пространство между пластинами конденсатора, как правило, заполнено подходящим диэлектрическим материалом (изолятором), диэлектрическая проницаемость которого отличается при изменении влажности. Использование гигроскопической полимерной пленки в качестве диэлектрика и нанесение двух слоев электродов с обеих сторон является распространенным подходом к созданию емкостного датчика относительной влажности.
Емкостные датчики смещения
Емкостные датчики смещения используются в качестве эталонной системы для других датчиков дальности для измерения дальности при низкой температуре.Другие типичные области применения включают испытания на допуск для массового производства, измерение вибрации, измерение деформации, измерение толщины и контроль толщины тонкой металлической фольги, измерение толщины пластиковой фольги во время производства, изгиб пластин при изготовлении полупроводников и многое другое.
Измерительный тормозной диск
Тормозные диски автомобиля подвергаются очень большим кратковременным нагрузкам . Механическое истирание и чрезмерное нагревание тормозного диска оказывают значительное влияние на микроструктуру тормозного диска.Используемый материал должен выдерживать эти заряды как можно дольше, не изменяя его микроструктуру. При повторной загрузке мелкие трещины приводят к поломке и опасности для автомобиля. Емкостные датчики используются для измерения деформации тормозного диска. Очень немногие датчики подходят для работы вблизи объекта измерения из-за повышенной температуры. Емкостные преобразователи обнаруживают изменения диапазона нанометров и оценивают износ тормозов.
Емкостные преобразователи – динамические измерения на турбинах или двигателях
Центробежные силы, действующие на лопасти турбины в турбинах, ведут в расширяемые лопасти.Важно, чтобы при проектировании и конструировании турбинных лопаток не возникало дисбаланса, который нарушал бы баланс в системе. Емкостные преобразователи обнаруживают изменения диапазона манометра и предоставляют важную информацию для оценки FEM.
Измерение толщины
Распространенным применением емкостных детекторов является бесконтактное измерение толщины материала. Двухканальная дифференциальная система является наиболее полезным приложением, в котором для каждой стороны измеряемого элемента используется отдельный датчик.Емкостная сенсорная технология используется для измерения толщины в следующих областях: толщина кремниевой пластины, толщина тормозного ротора и толщина диска привода
Испытание сборки
Емкостные датчики намного более чувствительны к драйверам, чем непроводящие. Таким образом, они могут использоваться в готовых сборках для выявления наличия / отсутствия металлических сборочных узлов. Примером является установкой разъема, который требует внутреннего металлического стопорного кольца, которое невозможно увидеть в окончательной сборке.Емкостное считывание в режиме онлайн может обнаружить неисправную часть и подать сигнал от линии к системе.
Похожие сообщения: PIR – схема инфракрасного детектора движения, работа и применение для крошечных устройств.
Датчик емкостный очень деликатный. Обеспечивает хорошую частотную реакцию для динамических исследований. Преобразователь имеет высокий входной импеданс и, следовательно, имеет незначительный эффект нагрузки. Требуется минимальная выходная мощность Недостатки емкостных датчиков
- Металлические компоненты преобразователя имеют изоляцию.
- Корпус конденсатора необходимо заземлить, чтобы уменьшить влияние паразитного магнитного поля.
- Преобразователь иногда показывает нелинейное поведение из-за краевого эффекта, регулируемого с помощью защитного кольца.
- Ошибка вызвана соединением кабеля через преобразователь.
Об авторе: Vidya.M
– бакалавр технологий (B.Tech) в области электроники и приборостроения 2011 – магистр технологий (M.Tech) в области биомедицинской инженерии 2014 – в настоящее время работает в качестве доцента кафедры приборостроения и Контрольная техника, Индия. Обновлено: Электротехника
Вы также можете прочитать:
. Изучено 3 цепи емкостного датчика близости
В этом посте мы подробно обсудим 3 основные цепи датчика приближения со многими прикладными схемами и подробными характеристиками схемы. Первые две схемы емкостного датчика приближения используют простые концепции на основе IC 741 и IC 555, в то время как последняя является немного более точной и включает в себя прецизионную конструкцию на основе IC PCF8883
1) Использование IC 741
Схема, описанная ниже, может быть настроен на активацию реле или любой другой подходящей нагрузки, такой как водопроводный кран, как только человеческое тело или рука приближаются к емкостной сенсорной пластинеПри определенных условиях приближение руки достаточно только для запуска выхода схемы.
Вход высокого импеданса дается Q1, который является обычным полевым транзистором, подобным 2N3819. Стандартный операционный усилитель 741 используется в виде чувствительного переключателя уровня напряжения, который впоследствии управляет буфером тока Q2, биполярным транзистором со средним током pnp, таким образом активируя реле, которое может быть использовано для переключения устройства, такого как сигнализация, кран и т. Д.
Когда схема находится в режиме ожидания на холостом ходу, напряжение на выводе 3 операционного усилителя фиксируется на уровне, превышающем уровень напряжения на выводе 2, путем соответствующей настройки предустановки VR1.
Это гарантирует, что напряжение на выходном выводе 6 будет высоким, в результате чего транзистор Q2 и реле останутся выключенными.
Когда палец приближается к сенсорной пластине или слегка прикасается к ней, снижение VGS с противоположным смещением увеличит ток утечки полевого транзистора Q1, и результирующее падение напряжения R1 снизит напряжение на контакте 3 операционного усилителя ниже напряжения существует на контакте 2.
Это приведет к падению напряжения на контакте 6 и, следовательно, к реле с помощью Q2.Резистор R4 может быть определен для того, чтобы реле оставалось выключенным при нормальных условиях, учитывая, что на выходе вывода 6 ОУ может развиться незначительное положительное отключенное напряжение, даже если напряжение на выводе 3 оказывается ниже напряжения на выводе 2 в состояние покоя (бездействия). Эта проблема может быть исправлена простым добавлением светодиода последовательно с базой Q2.
2) Использование IC 555
В этом посте объясняется эффективная схема емкостного датчика приближения на основе IC 555, которая может использоваться для обнаружения злоумышленников рядом с дорогостоящим объектом, таким как ваш автомобиль.Идея была запрошена мистером Максом Пейном.
Запрос схемы
Здравствуйте, Swagatam,
. Такое устройство можно увидеть в автомобильной охранной системе, когда кто-то приближается к машине или простая 1-канальная близость запускает сигнал тревоги в течение 5 секунд.
Как работает этот тип тревоги, тревога срабатывает только тогда, когда кто-то подходит ближе (скажем, 30 см), какой тип датчика они используют?
Схема
Схема Изображение предоставлено: Elektor Electronics
Конструкция
Схему емкостного датчика можно понять с помощью следующего описания:
IC1 в основном подключен как нестабильный, но без включения настоящий конденсатор.Здесь представлена емкостная пластина, которая принимает положение конденсатора, необходимое для нестабильной работы.
Следует отметить, что более емкая емкостная пластина будет давать более качественный и надежный отклик от цепи.
Поскольку схема предназначена для работы в качестве системы безопасности с предупреждением о близости кузова транспортного средства, сам корпус можно использовать в качестве емкостной пластины, а его громоздкость по объему вполне годится для применения.
Как только емкость емкостного датчика приближения интегрирована, IC555 переходит в режим ожидания для нестабильных действий.
При обнаружении «заземляющего» элемента в непосредственной близости, который может быть рукой человека, необходимая емкость развивается через контакт 2/6 и заземление ИС.
Вышеуказанное приводит к мгновенному развитию частоты, когда ИС начинает колебаться в своем нестабильном режиме.
Нестабильный сигнал поступает на вывод 3 микросхемы, который соответствующим образом «интегрируется» с помощью R3, R4, R5 и C3 —- C5.
«Интегрированный» результат подается на каскад операционного усилителя, настроенный в качестве компаратора.
Компаратор, сформированный вокруг IC2, реагирует на это изменение от IC1 и переводит его в напряжение запуска, работая T1 и соответствующее реле.
Реле может быть подключено с сиреной или звуковым сигналом для требуемой тревоги.
Однако практически видно, что IC1 генерирует пиковый импульс от положительного до отрицательного напряжения в тот момент, когда вблизи пластины обнаруживается емкостное заземление.
IC2 реагирует исключительно на этот внезапный рост пикового напряжения для требуемого запуска.
Если емкостное тело продолжает находиться в непосредственной близости от пластины, пиковое напряжение частоты на выводе 3 исчезает до уровня, который может быть не обнаружен IC2, что делает его неактивным, то есть реле остается активным только в тот момент, когда емкостный элемент вносится или удаляется вблизи поверхности пластины.
P1, P2 могут быть отрегулированы для получения максимальной чувствительности от емкостной пластины
Для получения фиксирующего действия выход IC2 может быть дополнительно интегрирован в схему триггера, что делает схему емкостного бесконтактного датчика чрезвычайно точной и чувствительной
3 ) Использование IC PCF8883
IC PCF8883 сконструирован таким образом, чтобы работать как прецизионный емкостный датчик приближения с помощью уникальной (запатентованной EDISEN) цифровой технологии для определения мельчайшей разницы в емкости вокруг указанной сенсорной пластины.
Основные характеристики
Основные характеристики этого специализированного емкостного датчика приближения можно изучить следующим образом:
На следующем изображении показана внутренняя конфигурация микросхемы PCF8883
Микросхема не использует традиционный режим динамической емкости зондирование скорее обнаруживает изменение статической емкости, применяя автоматическую коррекцию посредством непрерывной автокалибровки.
Датчик в основном представляет собой небольшую проводящую фольгу, которая может быть непосредственно интегрирована с соответствующими выводами ИС для предполагаемого емкостного измерения или, возможно, подключена к более длинным расстояниям через коаксиальные кабели для обеспечения точных и эффективных операций удаленного емкостного измерения близости.
На следующих рисунках представлены детали распиновки IC PCF8883.Детальное функционирование различных выводов и встроенной схемы можно понять по следующим пунктам:
Распиновка Подробная информация о IC PCF8883
Вывод IN, который должен быть связан с внешней емкостной чувствительной фольгой, связан с Микросхемы внутренней RC сети.
Время разряда, заданное параметром “tdch” сети RC, сравнивается с временем разряда второй входящей сети RC, обозначенной как “tdchimo”.
Две RC-сети проходят периодическую зарядку с помощью VDD (INTREGD) через пару идентичных и синхронизированных коммутационных сетей и впоследствии разряжаются с помощью резистора на Vss или землю.
Скорость, с которой выполняется эта разрядка заряда регулируется частотой дискретизации, обозначаемой “фс”.
В случае, если разность потенциалов видно будет падать ниже заданного внутреннего опорного напряжения VM, соответствующий выходной сигнал компаратора имеет тенденцию стать низкой. Логический уровень, который следует за компараторами, идентифицирует точный компаратор, который на самом деле может переключаться раньше другого.
И если определено, что верхний компаратор сработал первым, это приводит к тому, что импульс генерируется на CUP, а если обнаруживается, что нижний компаратор переключился до верхнего, то импульс включается в CDN.
Вышеуказанные импульсы участвуют в управлении уровнем заряда внешнего конденсатора Ccpc, связанного с выводом CPC. Когда на CUP генерируется импульс, Ccpc заряжается через VDDUNTREGD в течение заданного периода времени, что вызывает повышение потенциала на Ccpc.
В тех же строках, когда импульс подается на CDN, Ccpc связывается с устройством утечки тока на землю, что разряжает конденсатор, вызывая его потенциал для коллапса.
Всякий раз, когда емкость на выводе IN увеличивается, это соответственно увеличивает время разряда tdch, что вызывает падение напряжения на соответствующем компараторе в соответственно более длительное время.Когда это происходит, выходной сигнал компаратора имеет тенденцию к снижению, что, в свою очередь, создает импульс в CDN, заставляя внешний конденсатор CCP разряжаться до некоторой меньшей степени.
Это означает, что CUP теперь генерирует большую часть импульсов, что заставляет CCP заряжаться еще больше, не проходя никаких дальнейших шагов.
Несмотря на это, функция автоматической калибровки с управлением по напряжению ИС, которая опирается на «ism» регулирования тока стока, связанного с контактом IN, прилагает усилия, чтобы сбалансировать время разряда tdch, соотнося его с внутренне установленным временем разряда tdcmef.
Напряжение на Ccpg регулируется током и довольно быстро отвечает за разряд емкости на IN, когда обнаруживается, что потенциал на CCP увеличивается. Это идеально уравновешивает увеличение емкости на входном выводе IN.
Этот эффект приводит к созданию системы слежения с замкнутым контуром, которая непрерывно контролирует и включает автоматическое выравнивание времени разряда tdch со ссылкой на tdchlmf.
Это помогает исправить вялые изменения емкости на выводе микросхемы IN.Во время быстрой зарядки, например, когда человеческий палец приближается к чувствительной фольге, обсуждаемая компенсация может не происходить, в условиях равновесия длина периода разряда не отличается, вызывая попеременное колебание импульса по CUP и CDN.
Это также означает, что при больших значениях Ccpg можно ожидать относительно ограниченного изменения напряжения для каждого импульса для CUP или CDN.
Таким образом, внутреннее потребление тока приводит к более медленной компенсации, что повышает чувствительность датчика.Напротив, когда CCP испытывает снижение, вызывает снижение чувствительности датчика.
Монитор встроенного датчика
Встроенный каскадный счетчик контролирует срабатывание датчика и, соответственно, подсчитывает импульсы по CUP или CDN, счетчик сбрасывается при каждом изменении или изменении направления импульса по CUP на CDN.
Выходной вывод, представленный как OUT, активируется только при обнаружении достаточного количества импульсов в CUP или CDN. Умеренные уровни помех или медленные взаимодействия между датчиком или входной емкостью не влияют на срабатывание выхода.
Микросхема запоминает несколько условий, таких как неодинаковые схемы заряда / разряда, так что подтверждается переключение на выходе и устраняется ложное обнаружение.
Advanced Start-up
Микросхема содержит усовершенствованную схему запуска, которая позволяет микросхеме довольно быстро достигать равновесия, как только включается питание.
Внутренне вывод OUT сконфигурирован как открытый сток, который инициирует вывод с высокой логикой (Vdd) с максимальным током 20 мА для подключенной нагрузки.В случае, если выход подвергается нагрузке более 30 мА, питание немедленно отключается из-за функции защиты от короткого замыкания, которая срабатывает мгновенно.
Эта распиновка также совместима с CMOS и поэтому подходит для всех нагрузок или ступеней схемы на основе CMOS.
Как упоминалось ранее, параметр частоты дискретизации “fs” относится к
. Как работает емкостный датчик смещения
Этот пост отвечает на вопрос, как работает емкостный датчик смещения. Емкость конденсатора с параллельными пластинами определяется по формуле C = где , – это квадрат пластин, d – расстояние между пластинами, а ε – диэлектрическая проницаемость материала между пластинами.
Диэлектрическая проницаемость воздуха ε0 = 8,854 * 10–12Fm.
Выполняя простой расчет, мы можем обнаружить, что для двух параллельных пластин с расстоянием 1 мм и 1 м2 емкость равна 8.854 * 10 (-3) мкФ.
Конденсаторы такого типа непрактичны для обычного применения, однако они очень хороши в качестве датчика движения. Датчик движения – это устройство, которое может измерять смещение объекта. В датчике движения конденсатор спроектирован с переменным расстоянием между пластинами, поэтому одна пластина конденсатора фиксируется, а другая движется в зависимости от положения объекта. Емкость этого конденсатора составляет C = 8,854 * 10 (–3) * ax, пФ, a – площадь пластин, мм2, x – переменное расстояние между пластинами конденсаторов, мм.Чувствительность S преобразователя представляет собой изменение емкости при изменении смещения: S = dCdx.
Чувствительность увеличивается при небольших изменениях расстояния. На рисунке 1 изображена принципиальная схема емкостных преобразователей смещения. Когда давление на обеих сторонах конденсаторов одинаково, то емкости C , и C2 равны. Если обнаружены какие-либо изменения давления, то также изменится емкость.
Рисунок 1. Мостовая схема для емкостного датчика перемещения Давайте рассмотрим емкостный датчик смещения как часть цепи переменного тока.Идея состоит в том, что его сопротивление является линейной функцией смещения при определенных условиях. Для цепи переменного тока емкость конденсатора, как мы указали выше, составляет:
С = ах, пФ, где a – квадрат конденсатора с некоторой некоторой постоянной величиной, поэтому полное сопротивление конденсатора равно ZC = 1jωC, равно ZC = xjωa.
Это означает, что определенный импеданс частоты будет изменяться линейно. Рассмотрим схему мостового преобразователя емкостного смещения, состоящую из двух резисторов и двух переменных конденсаторов C (x).
Этот мост возбуждается источником переменного тока. Таким образом, выходное напряжение между a и b составляет
Vout (jω) = VS (jω) (ZC2 (х) ZC1 (х) + ZC2 (х) -R2R1 + R2). Предположим, что номинальная емкость переменного конденсатора равна C = εad.
, где a – площадь пластин, а d – расстояние между пластинами. Если происходит изменение давления на преобразователе, то емкость конденсаторов переменного тока на схеме моста равна C1 = εad – x, C2 = εad + x.
Таким образом, полное сопротивление конденсаторов будет ZC1 = d – xjωεa, ZC2 = d + xjωεa
, поэтому, делая определенные вычисления, мы можем получить выходное напряжение для емкостного преобразователя смещения
Vout (jω) = VS (jω) (12 + х2д-R2R1 + R2) Таким образом, комбинируя сопротивления, мы видим, что выходное напряжение будет изменяться в зависимости от смещения емкости.
Применение емкостных датчиков смещения очень широко, таких как обнаружение близости или распознавание жестов. Современные емкостные сенсорные устройства включают в себя множество других компонентов на борту, сочетающих дополнительные функции для измерения смещения.Примером является FDC2x1x-Q1, многоканальное семейство емкостных сенсорных решений Texas Instruments, в которых используется метод резонатора L-C. Рисунок 2 изображает упрощенную принципиальную схему. Емкостное зондирование – это решение с очень низким энергопотреблением и низкой стоимостью, которое также характеризуется техникой зондирования с высоким разрешением.
Рисунок 2. FDC2x1x-Q1 от Texas Instruments, упрощенная схема многоканального емкостно-цифрового преобразователя для емкостного считывания. Дополнительные учебные пособия также доступны через сообщество Reddit r / ElectronicsEasy .
# 3 пьезоэлектрический преобразователь
Емкостная цепь датчика для автоматического писсуара Faucet
емкостный сенсорный датчик для автоматического писсуара
Описание продукта
Тип Инфракрасный датчик Источник питания DC 4.3 ~ 6,4 В Статическая мощность ≤0,15 МВт (≤25 мкА) Диапазон датчиков по умолчанию 280 мм (кран) 760 мм (писсуар) 650 мм (туалет) Диапазон датчика 180 мм-380 мм (кран) 400 мм-800 мм (писсуар) 400 мм-800 мм (туалет) Ошибка диапазона датчика ± 10% от номинального диапазона датчика Макс. Выходной ток 800 мА Ширина выходного импульса 35 мс Аварийный сигнал низкого напряжения Рабочее напряжение≤4.4 ± 0,2, сигнализация датчика Останов безопасности 60s Сопротивление удару Удар или удар запрещен Жизненный цикл датчика 500 000 кругов Национальный патент ZL2007200068368 Гарантия Один год
Характеристика продукта
1) На одной печатной плате / датчике имеется четыре различных режима работы, включая кран датчика, писсуар датчика, датчик туалета и душ датчика, который может автоматически переключаться с пульта дистанционного управления.
2) Регулируемое расстояние до датчика и продолжительность промывки с помощью пульта дистанционного управления.
3) Низкое энергопотребление. Срок службы щелочных батарей AA составляет около 60 000, а срок службы составляет около 1,5 лет.
4) Нанесение клея с сильной влагостойкой функцией.
5) Высокие показатели защиты от помех и вибрации.
6) У нас есть более 50 различных сенсорных глазков и различных проводов для выбора.
Другие продукты
Характеристика
Категории продуктов
Упаковка и доставка
,
Для получения фиксирующего действия выход IC2 может быть дополнительно интегрирован в схему триггера, что делает схему емкостного бесконтактного датчика чрезвычайно точной и чувствительной
Напряжение на Ccpg регулируется током и довольно быстро отвечает за разряд емкости на IN, когда обнаруживается, что потенциал на CCP увеличивается. Это идеально уравновешивает увеличение емкости на входном выводе IN.
Эта распиновка также совместима с CMOS и поэтому подходит для всех нагрузок или ступеней схемы на основе CMOS.
Рисунок 1. Мостовая схема для емкостного датчика перемещения
Рисунок 2. FDC2x1x-Q1 от Texas Instruments, упрощенная схема многоканального емкостно-цифрового преобразователя для емкостного считывания.Больше новостей
