Простой датчик приближения
Датчики приближения бывают емкостными, ультразвуковыми, оптическими. Автор Instrictables под ником Electro maker придумал простой оптический датчик приближения. Неудобен он лишь тем, что ток через инфракрасный светодиод никак не промодулирован, а фотодиод, соответственно, реагирует и на непрерывное излучение и требует экранировки от других источников света (например, трубкой). Схема прибора показана ниже:
Мастер выбирает компоненты для самоделки. Инфракрасные светодиод и фотодиод:
Постоянные резисторы:
Подстроечный резистор:
Операционный усилитель LM358:
Светодиод видимого свечения:
Панель для микросхемы (необязательна):
Вместо светодиода можно подключить пищалку со встроенным генератором, тогда соответствующий резистор становится ненужным:
Подойдёт и пищалка без встроенного генератора, если собрать внешний генератор звуковой частоты своими руками. На такой макетной плате типа perfboard места хватит:
Если вы обошли несколько Фикс Прайсов, и во всех кончились вечные двигатели, придётся воспользоваться источником питания попроще:
Установив компоненты на плату, мастер соединяет их по схеме пайкой:
Фотодиод и оба светодиода, как и батарейку (или блок питания), необходимо подключить в указанной на схеме полярности, микросхему правильно ориентировать. Разработчику попались прозрачный инфракрасный светодиод и чёрный фотодиод, но бывает и наоборот. Определить, что из них чем является, помогут батарейка, резистор и любой телефон с камерой.
Фотодиод и резистор на 10 кОм образуют делитель напряжения. При освещении фотодиода инфракрасными лучами, отражёнными, например, от руки, напряжение в точке подключения операционного усилителя к делителю возрастает. ОУ включён таким образом, что он работает как компаратор. Он сравнивает напряжение, поступающее с делителя, с напряжением, поступающим с подвижного контакта подстроечного резистора. Таким образом можно регулировать порог срабатывания датчика, с одной стороны, исключив ложные срабатывания, а с другой — обеспечив уверенное обнаружение приближения.
Настроив порог срабатывания, мастер проверяет работу датчика:
Трубки, защищающей фотодиод от боковой засветки, здесь для наглядности нет, без неё схема правильно работает только при неярком окружающем освещении.
Небольшая домашка: что будет если поменять в делителе фотодиод и резистор местами, и одновременно поменять местами входы операционного усилителя?
Источник
Доставка новых самоделок на почтуПолучайте на почту подборку новых самоделок. Никакого спама, только полезные идеи!
*Заполняя форму вы соглашаетесь на обработку персональных данных
Становитесь автором сайта, публикуйте собственные статьи, описания самоделок с оплатой за текст. Подробнее здесь.Рецензия на статью «Ёмкостный датчик приближения»
И, хотя по своей чувствительности и помехоустойчивости подобные конструкции значительно уступают как дифференциальным датчикам [1,2,3], ( http://www.pandia.ru/432121/ , http://cxem.net/guard/3-59.php ), так и резонансным [1,4,5,6], ( http://cxem.net/guard/3-59.php , Емкостное реле , http://sv6502.narod.ru ), тем не менее, датчики на принципе сравнения частот, могут с успехом использоваться в тех областях, где не требуется высокая чувствительность и помехоустойчивость, например, — в датчиках прикосновения к металлическим предметам, в сигнализаторах уровня жидкости (ванны, бензобаки и т.д.), в некоторых разновидностях охранных сигнализаций и т.п.
Помимо этого, можно расчитывать на появление в недалёком будущем экономичных, специализированных и недорогих микросхем для подобных устройств, что будет способствовать улучшению их технических характеристик и удобству в изготовлении конструкций.
В соответствии со всем этим, публикующиеся время от времени в радиотехнической прессе статьи на тему емкостных датчиков, работающих по принципу сравнения частот, представляют вполне заслуженный интерес, и описываемые в них конструкции повторяются многими радиолюбителями.
Одна из статей на данную тему вышла недавно и в журнале Радио (В. Тушнов, «Ёмкостный датчик приближения», 2012 / 12, стр. 47, 48).
Предложенная конструкция интересна тем, что в ней, для обнаружения приближений используется тоновый декодер NJM567D, использовавшийся, например, в бытовых видеомагнитофонах для стабилизации частоты вращения блока видеоголовок, и обеспечивающий емкостному датчику повышенную, — по сравнению с аналогичными конструкциями, дальность действия.
Однако, в данной статье допущен, к сожалению, ряд неточностей и опечаток (подобное может произойти, например, в случае спешки при подготовке статьи к публикации, особенно в предновогодний период, а также, — если после редактирования статья не направлялась автору для ознакомления и проверки текста; кстати, мой личный опыт публикаций статей свидетельствует о том, что в вышеупомянутом издании, к сожалению, не всегда предоставляется возможность автору проверить текст статьи перед опубликованием, да и с самими статьями «обращение» порой бывает весьма бесцеремонным, например, — и в текст и в схему могут быть внесены изменения даже без согласования с автором).
Заметим, что ошибки и опечатки тем более нежелательны, когда статья выходит на тему важную и практически значимую (создание приборов обнаружения, безусловно является таковой) и потому, корректировка текста и исправление опечаток в подобных случаях бывают совершенно необходимы.
Можно также заметить, что у электронных изданий в этом плане имеются явные приемущества перед печатными т.к. обнаруженные после выхода статей неточности и опечатки, можно оперативно исправить, а вот у «бумажных» изданий на исправление ошибок требуется не один месяц, и ещё неизвестно, «соблаговолит» ли редакция опубликовать в своих последующих журнальных номерах, корректирующий текст с исправлением замеченных неточностей…, во всяком случае направленные мной в редакцию «Радио» два письма с просьбой обратить внимание на допущенные ошибки и исправить их, попросту… остались без ответа.
Остановимся теперь более подробно на неточностях и «ляпсусах», допущенных в статье «Ёмкостный датчик приближения» (его структурная схема представлена на рис.1) и требующих соответствующей корректировки, иначе немалая часть радиолюбителей может попросту оказаться дезинформированной в теме емкостных датчиков приближения…
1. Начнём с явной опечатки в третьем абзаце от начала статьи.
При этом, под номером [5] списка литературы, приведённого в конце текста статьи, указан материал «Емкостное реле» (В. Соломеин, журн. Радио, 2010 / 5, стр. 38,39). Дальность обнаружения в этой конструкции составляет около 1,3 м. и, соответственно, величина 0,5 м. не может быть больше, чем 1,3 м. По-видимому, под обозначением [5] следует понимать [3], — под этим номером в списке литературы представлена статья «Емкостной датчик» (В. Ершов, журн. Радио 2004 / 3, стр. 41,42) и дальность обнаружения у данной конструкции действительно значительно меньше, чем 0,5 м. Ссылка-же [5], очевидно, должна относиться к другой (заключительной) фразе абзаца, которая должна быть представлена в виде: «В устройстве отсутствуют намоточные изделия (катушки индуктивности), в отличие, например от [5]…».
2. Далее, в первом абзаце статьи, описываемое устройство сравнивается по дальности действия с существующими конструкциями емкостных датчиков на частотозадающем LС-контуре. В подобных случаях для сравнения должны выбираться схемы обычные т.е. имеющие характерные для данной конкретной разновидности емкостных реле, параметры. Однако в данном случае, для сравнения почему-то были выбраны простейшие схемы датчиков на частотозадающем LC-контуре, имеющих весьма невысокую чувствительность (в статье они обозначены – [1,2] ).
Цитата: «Такие устройства при максимальной дальности обнаружения приближающегося объекта не более 0,1 м обладают весьма низкой стабильностью и малой помехоустойчивостью. Более высокие характеристики имеют ёмкостные датчики, выполненные на основе двух генераторов и работающие по принципу сравнения частоты или фазы колебаний…»
При сравнении описываемого в статье емкостного датчика с обычными схемами емкостных реле на частотозадающем LС-контуре, дальность действия которых составляет от 20 до 50 см., например [3,4,5,6], нетрудно заметить, что разница в чувствительности между предлагаемым датчиком и вышеперечисленными конструкциями по сути отсутствует.
3. Далее, читаем заключительную фразу того-же абзаца: «Лучшие из них (имеются в виду датчики описываемого в статье принципа действия) способны почувствовать приближение человека на расстояни 2 м. »
Но где конкретные примеры подобных конструкций, имеющих столь высокую дальность действия? В статье они почему-то отсутствуют, а без таких примеров у многих радиолюбителей возникают вполне обоснованные сомнения относительно того, что такие конструкции вообще существуют т.к. входы у подобных устройств совершенно не защищены от воздействия радиопомех и наводок, приходящих с антенны-датчика и воздействующих на работу фазового (либо частотного) детектора устройства.
Заметим, что входной узел подобных конструкций представляет собой высокоомную фазосдвигающую цепь и высокоомный усилитель сигнала срабатывания, при этом, как и всякая высокоомная схема, обе вышеупомянутые цепи весьма восприимчивы к разного рода наводкам и радиопомехам.
Так, например, при работе устройства в городских условиях, с работающими теле – радиопередатчиками и прочими индустриально-эфирными воздействиями, суммарный помеховый сигнал, принимаемый антенной-датчиком и никак при этом не фильтрующийся и не подавляющийся на входе, создаёт во многих случаях такое смещение на выходе усилителя сигнала, что тот оказывается совершенно «забитым» и не реагирует на сигналы приближения объектов к антенне.
В рассматриваемой здесь статье «Ёмкостный датчик приближения» работа входного узла описана, к сожалению весьма кратко, и по этой причине многие радиолюбители плохо представляют себе, как-же всё-таки формируется в подобных схемах сигнал к срабатыванию устройства.
Рассмотрим работу входного узла подробно.
Сигнал к срабатыванию формируется во входной фазосдвигающей цепи благодаря свойству любого конденсатора сдвигать по фазе (задерживать на некоторый промежуток времени) поступающий на него электрический сигнал. В данном случае – это переменное, с частотой 15 кГц напряжение, поступающее во входную фазосдвигающую цепь с выхода рабочего генератора. Функции-же конденсатора, осуществляющего сдвиг по фазе вышеуказанного сигнала, выполняет антенна-датчик, имеющая относительно общего провода ёмкость порядка нескольких пФ.
При приближении каких-либо объектов, ёмкость антенны-датчика возрастает и, в результате, — образуется фазовый сдвиг – задержка рабочего (измеряемого) сигнала относительно образцового и возникающий «разбаланс» определяется затем, — схемой фазового детектора как сигнал к срабатыванию устройства.
При всём этом, немаловажным является следующее обстоятельство.
Ёмкость антены-датчика весьма невелика, в зависимости от длины и от сечения провода, её ёмкость составляет величину от 2 до 20 пФ и для того, что-бы изменения ёмкости антенны, вызванные приближениями объектов, могли оказывать существенное влияние на исходный сигнал, тот должен подаваться во входную цепь через довольно значительное сопротивление (емкостное либо резистивное), величина которого должна быть соизмерима с емкостным сопротивлением антенны на рабочей частоте.
В рассматриваемой статье сигнал с выхода генератора во входную цепь подаётся через цепочку: конденсатор 120 пФ — подстроечный резистор 470 кОм.
Сопротивление в цепи генератор — антенна довольно существенно (а с учётом ограниченного входного сопротивления схемы фазового детектора — многократно) ослабляет рабочий сигнал генератора и потому между выходом фазосдвигающей цепи и входом фазового детектора требуется установка усилителя сигнала. В рассматриваемой статье использован двухтранзисторный усилитель по схеме ОС – ОЭ с полевым транзистором на входе.
И, как уже было отмечено выше, — высокое входное сопротивление и отсутствие какой-бы то ни-было селективности (избирательности) на входе подобных устройств, значительно ограничивает их помехоустойчивость и дальность действия.
5. Можно отметить и ещё одно упущение в описании данной конструкции.
В тексте статьи почему-то не указан такой важный параметр, как Jпотр., от которого во многом зависит область применения любого устройства, и для многих радиолюбителей остаётся неясным, — могут ли подобные конструкции работать от батарей, или они будут «привязаны» к сетевому БП (или к сравнительно дорогим аккумуляторам).
Судя по описанию (даташиту) к микросхеме NJM567D, её Jпотр. составляет более 7 мА. При таком потребляемом токе, устройство, даже от хороших щелочных батарей пальчикового типа, проработает лишь 2 – 3 недели (в непрерывном режиме) и потому, подобные конструкции должны питаться либо от БП либо от аккумуляторов.
Добавим также, что в качестве стабилизатора напряжения питания датчика использована микросхема LM317L2, собственный ток потребления которой, с учётом регулировочных резисторов, — составляет более 5 мА, помимо этого, минимальная разница между входным и выходным напряжением у микросхем этого типа также велика и составляет 5 В.
Несмотря на все вышеперечисленные упущения в изложении текста статьи и огрехи в её редактировании, статья «Ёмкостный датчик приближения» может, без сомнения, представлять весьма значимый интерес для радиолюбителей.
Надо полагать, редакция журнала Радио не оставит без комментариев и разъяснений те фрагменты текста статьи, которые вызывают у радиолюбителей вопросы, и опубликует в ближайших номерах журнала (или хотя-бы на своём сайте или форуме) соответствующие пояснения и дополнения.
Если-же статья будет оставлена в её сегодняшнем виде, то это будет означать неуважение как по отношению к автору вышеозначенной статьи, так и по отношению к радиолюбителям.
Литература.
[1]: И. Глузман. Реле присутствия (журн. Моделист-Конструктор 1981 / 1, с.41, 42).
[2]: Сайт Паяльник / схемы / охранные устройства… «Емкостные датчики приближения»
[3]: А. Ацюковский. Емкостные дифференциальные датчики перемещения. (Госэнергетическое изд-о, Москва, 1960г ).
[4]: Патент на изобрет-е №2419159 , «Резонансное емкостное устройство для охранной сигнализации», (ссылки Роспатента: Описание, Реестр изобретений РФ).
[5]: В. Соломеин. Емкостное рале (журн. Радио 2010 / 5, с.38,39).
[6]: В. Соломеин. Емкостные датчики приближения (журн. Радиомир 2012, № 6,7).
[7]: В. Табунщиков. Емкостное реле (журн. Радиолюбитель 1993 / 5, с.26).
[8]: Н. Мустафаев. Бесконтактное емкостное реле (журн. Моделист-Конструктор 1980 / 5, с.39).
[9]: И. Шелестов Емкостной датчик (Радиолюбителям: полезные схемы, вып.1, с. 87 – 89, изд-о Солон-Р, Москва, 2000г).
[10]: В. Рубцов Устройство охранной сигнализации (журн. Радиолюбитель 1992 / 8, с.26).
Автор: В.П. Соломеин, [email protected], г. Екатеринбург, 620016, А/Я №97.
Ёмкостный датчик — Википедия
Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 5 декабря 2013; проверки требуют 5 правок. Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 5 декабря 2013; проверки требуют 5 правок. Емкостный сенсорный экран смартфоновЁмкостный датчик — преобразователь параметрического типа, в котором изменение измеряемой величины преобразуется в изменение ёмкости конденсатора.[1]
Специальная схема преобразует изменение ёмкости в пороговый сигнал датчика (например сухой контакт). В простейших датчиках это обычно мультивибратор, преобразователь «частота (или скважность)-напряжение» и компаратор. Иногда, если изменение ёмкости в ответ на воздействие невелико, приходится ставить схемы на микроконтроллерах, которые занимаются автоподстройкой чувствительности и нуля датчика.
Ёмкостные датчики получили широкое распространение там, где необходимо контролировать появление слабопроводящих жидкостей, например воды. Это датчики уровня жидкости, датчики дождя в автомобилях, датчики в сенсорных кнопках на бытовой технике (в живых тканях много воды) и т. п.
Существуют также ёмкостные датчики уровня жидкости, широко используемые для измерения количества топлива на летательных аппаратах. Обычно датчик представляет собой пару вставленных друг в друга металлических цилиндров (иногда сложной формы, чтобы обеспечить линейность характеристики датчика при сложной форме бака), погруженных в топливо. Принцип действия датчиков основан на том, что ёмкость прямо пропорциональна диэлектрической проницаемости изолятора, а ε у воздуха и топлива различается (порядка 1 и 1,8 соответственно). В результате при заполнении бака топливом возрастает реактивное сопротивление датчика. Питаются ёмкостные топливомеры, как правило, от общей сети ЛА напряжением 115 В частотой 400 Гц, которое для питания датчиков понижается.
Основные преимущества ёмкостных датчиков: высокий порог чувствительности и небольшая инерционность. Основные недостатки: сильное влияние внешних электромагнитных полей.[2]
Специфическая разновидность датчиков — сенсорные экраны на ёмкостном принципе.
Схема. Емкостный датчик приближения — Сайт радиолюбителей и радиомастеров. Схемы и сервис мануалы.
Работа ёмкостных датчиков обычно основана на регистрации изменений параметров генератора, в колебательную систему которого входит ёмкость контролируемого объекта. Простейшие из таких датчиков [1,2] содержат один LC-генератор на полевом транзисторе и работают по принципу возрастания потребляемого тока или уменьшения напряжения при увеличении ёмкости. Такие устройства при максимальной дальности обнаружения приближающегося объекта не более 0,1 м обладают весьма низкой стабильностью и малой помехоустойчивостью. Более высокие характеристики имеют ёмкостные датчики, схема которых выполнена на основе двух генераторов и работающие по принципу сравнения частоты или фазы колебаний образцового и перестраиваемого (измерительного) генераторов. Например, описанный в [3]. Лучшие из них способны почувствовать приближение человека на расстоянии 2 м. Однако при выполнении на дискретных элементах они получаются слишком громоздкими, а при использовании специализированных микросхем — слишком дорогими.
В предлагаемой статье рассматривается схема ёмкостного датчика, с высокой чувствительностью на микросхеме тонального декодера NJM567 [4]. Эта микросхема и её аналоги (например, NE567) широко используются для обнаружения узкополосных сигналов в диапазоне от 10 Гц до 500 кГц. Они применялись и в системах автоподстройки частоты вращения блока видеоголовок бытовых видеомагнитофонов. Использование встроенного в тональный декодер RC-генератора упрощает схему ёмкостного датчика, а внутренняя петля ФАПЧ этого генератора обеспечивает стабильность и помехоустойчивость датчика.
Дальность обнаружения приближающегося человека — не менее 0,5 м (при длине антенны датчика 1 м), что значительно больше, чем, например, у прибора, выполненного по схеме [5]. В устройстве отсутствуют намоточные изделия (катушки индуктивности), что упрощает его повторение.
Схема ёмкостного датчика изображена на рис. 1. Частотозадающие элементы находящегося в микросхеме DA2 генератора — резистор R6 и конденсатор С5. Сигнал генератора частотой около 15 кГц с вывода 5 микросхемы DA2 подан на фазосдвигающую цепь, образованную подстроечным резистором R5, антенной WA1, конденсатором СЗ и резистором R3. С неё через истоковый повторитель на полевом транзисторе VT1, усилитель на транзисторе VT2 и конденсатор С4 сигнал поступает на вход IN (вывод 3) микросхемы DA2. К выводу 2 этой микросхемы подключён конденсатор С8 фильтра фазового детектора системы ФАПЧ, от ёмкости которого зависит ширина её полосы захвата. Чем ёмкость больше, тем уже полоса.
На второй фазовый детектор микросхемы образцовое напряжение подаётся от генератора с фазовым сдвигом на 90 относительно поступающего на фазовый детектор ФАПЧ. Напряжение на выводе 1 микросхемы (выходе второго детектора), подаваемое на встроенный в неё компаратор напряжения, зависит от фазового сдвига между входным сигналом и сигналом генератора, вносимого рассмотренной выше цепью, которая включает в себя антенну WA1. С7 — конденсатор выходного фильтра фазового детектора. Резистор R8, включённый между выводами 1 и 8 микросхемы, создаёт в характеристике переключения компаратора гистерезис, необходимый для повышения помехоустойчивости. Цепь R7C6 — нагрузка выхода OUT, выполненного по схеме с открытым коллектором.
Далее по схеме ёмкостного датчика сигнал через диод VD2 поступает на цепь из резистора R9 и конденсатора С9 и на вход логического элемента DD1.1. Цепь R10C10 формирует импульс, блокирующий ложное срабатывание датчика в момент включения питания. С выхода элемента DD1.1 сиг- нал поступает через диод VD4 на цепь R11C11, обеспечивающую длительность выходного сигнала датчика не менее заданной, и на соединённые последовательно элементы DD1.2 и DD1.3, формирующие взаимно инверсные выходные сигналы датчика на линиях “Вых. 1” и “Вых. 2”. Высокий уровень сигнала на линии “Вых. 2” и включённый светодиод HL1 свидетельствуют, что в чувствительной зоне находится человек.
Узел питания ёмкостного датчика собран на интегральном стабилизаторе LM317LZ, выходное напряжение которого установлено равным 5 В с помощью резисторов R1 и R2. Входное напряжение может находиться в пределах 10…24 В. Диод VD1 защищает датчик от неправильной полярности источника этого напряжения.
Все детали датчика смонтированы на односторонней печатной плате из фольгированного стеклотекстолита, чертёж которой изображён на рис. 2. Резисторы R1 и R2 — для поверхностного монтажа. Их монтируют на плату со стороны печатных проводников. Подстроечный резистор R5 — СПЗ-19а или его импортный аналог.
Микросхему NJM567D можно заменить на NE567, KIA567, LM567 с различными буквенными индексами, означающими тип корпуса. Если он типа DIP8 (как у NJM567D) или круглый металлический, печатную плату корректировать не придётся. Аналог микросхемы К561ЛЕ5 — CD4001A. Транзистор КП303Е заменяется на BF245, КТ3102Е —на ВС547.
Антенна WA1 — отрезок одножильного изолированного провода сечением 0,5мм2 и длиной 0,3…1,5м. Короткая антенна обеспечивает меньшую чувствительность. Следует иметь в виду, что необходимая ёмкость конденсатора СЗ зависит от собственной ёмкости антенны, а значит, от её длины. Указанная на схеме ёмкость оптимальна для антенны длиной около метра. Чтобы работать с антенной длиной 0,3 м, ёмкость необходимо уменьшить до 30 пф.
Налаживать ёмкостный датчик следует, установив его и антенну там, где предполагается их эксплуатация. При этом следует учитывать, что на порог срабатывания влияет и расположение антенны относительно заземлённых предметов и проводов.
Первоначально движок подстроечного резистора R5 устанавливают в положение максимального сопротивления. После включения питания светодиод HL1 должен оставаться погашенным. В работоспособности датчика можно убедиться по включению этого светодиода в случае прикосновения к антенне рукой. Если ёмкость конденсатора СЗ выбрана правильно, то при переводе движка подстроечного резистора R5 в положение минимального сопротивления светодиод должен включиться и без касания антенны.
Убедившись в работоспособности схемы ёмкостного датчика, его налаживание продолжают по общеизвестной методике, добиваясь требуемого порога срабатывания плавным перемещением движка подстроечного резистора. Желательно делать это с помощью диэлектрической отвёртки, оказывающей минимальное влияние на фазосдвигающие цепи.
Оптимальная настройка соответствует включению светодиода при приближении человека к антенне метровой длины на расстояние 0,5 м, а выключение — при его удалении до 0,6 м. Укорочение антенны до 0,3 м уменьшит эти значения примерно на треть.
Следует заметить, что если ёмкость конденсатора СЗ слишком велика, светодиод HL1 может светиться и в крайнем левом положении движка, а при касании антенны рукой — гаснуть. Это объясняется тем, что устройство работает по балансному принципу и при необходимости можно отрегулировать его на срабатывание при удалении охраняемого объекта из чувствительной зоны.
ЛИТЕРАТУРА
1. Табунщиков В. Волшебное реле. — Моделист-конструктор, 1991, № 1, с. 23.
2. Нечаев И. Ёмкостное реле. — Радио, 1992, №9, с. 48—51.
3. Ершов М. Ёмкостный датчик. — Радио, 2004, №3, с. 41,42.
4. NJM567 Tone Decoder / Phase Locked Loop. www.pdf.datasheet.su/njr/njm567d.pdf
5. Соломеин В. Ёмкостное реле. -Радио, 2010, № 5, с. 38, 39.
В. ТУШНОВ, г. Луганск, Украина
“Радио” №12 2012г.
Похожие статьи:
Простой датчик дыма
Емкостный датчик
Post Views: 503
Измерения малых ёмкостей (аналоговый ёмкостной датчик) / Хабр
Предлагаю сообществу датчик малых ёмкостей, работающий почти от 0 пФ. Можно использовать в любительской электронике, роботостроении.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.
Ошибка #404, Файл не найден
Каталог Autonics Ваш заказ (корзина)Доставка и оплатаКонтактыФОРУМ29.03.2019 — SRHL1 Серия Однофазные твердотельные реле (встроенный радиатор, исполнение с левой/правой клеммной колодкой)
Однофазные твердотельные реле серии SRHL1 оснащаются встроенным радиатором, обеспечивающим эффективный отвод тепла. Благодаря различным исполнениям клеммной колодки (слева/справа) обеспечивается гибкость монтажа. Изделия этой серии можно монтировать на DIN-рейку или на панель.
29.02.2019 — BWC Серия Барьеры фотоэлектрические с перекрёстным излучением
Принцип работы барьерных датчиков с перекрестным излучением серии BWC основан на 3-точечном методе обнаружения, который позволяет минимизировать неконтролируемую область и обеспечивает надежное обнаружение объектов. Датчики доступны в 7 различных конфигурациях в зависимости от количества оптических осей, шага между оптическими осями и размера области обнаружения. Датчики обладают высокой надежностью обнаружения даже в средах с интенсивным окружающим освещением (до 100000лк). Устройства данной серии также обладают удобными функциями, в том числе функциями режима установки, защиты от взаимных помех и самодиагностики.
29.02.2019 — BW Серия Барьеры фотоэлектрические общего назначения
Барьерные датчики общего назначения серии BW обладают большим расстоянием срабатывания (до 7 метров) и доступны в 22 различных конфигурациях в зависимости от шага между осями и размера области обнаружения. Предельная величина освещенности датчиков составляет 100000лк, поэтому датчики могут работать без ошибок даже в условиях прямого воздействия солнечного излучения. С помощью ярких светодиодных индикаторов, предусмотренных в излучателе и в приемнике, обеспечивается удобное представление информации о состоянии датчика. Функция «ведущий/ведомый», предназначенная для подавления взаимных помех, позволяет устанавливать несколько устройств в ряд.
09.07.2009 — Верительная грамота Аутоникса
Компания Autonics в лице Главы Представительства в России, мистера Ли ТэХо, рада сообщить, что между ООО «Матрикс Групп» и Autonics достигнута договоренность о партнерстве. Теперь уважаемый потребитель имеет возможность приобретать широкий спектр высококачественной, надежной и недорогой продукции от корейского производителя у нового партнера в России.
Autonics желает компании ООО «Матрикс Групп» успехов и процветания.
Глава Российского Представительства Ли ТэХо
01.07.2009
подробнее…