Site Loader

Содержание

Емкостный датчик своими руками. Схемы датчиков движения и принцип их работы, схемы подключения

Работа ёмкостных датчиков обычно основана на регистрации изменений параметров генератора, в колебательную систему которого входит ёмкость контролируемого объекта. Простейшие из таких датчиков 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 . 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 . 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 . 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.

— одним из самых простых датчиков движения является концевой выключатель вмонтированный проем двери. Так же и принцип его работы не сложный — срабатывает, когда дверь открывается или закрывается. Довольно простенькая схема используется в холодильнике, в домашнем баре, которая при открывании двери включает освещение. Эту конструкцию можно применить в подсобном помещении, в прихожей квартиры, на входной двери подъезда. По этой аналогии можно изготовить «дежурку» выполненную на светодиодах, используя такой «концевик» либо сигнализацию, которая будет предупреждать при срабатывании.

Именно такие приборы, состоящие из электромеханического устройства геркона и магнита сейчас устанавливают в помещениях находящихся под охраной. Тем не менее это устройство имеет свое слабое звено — узко направленное применение. Если потребуется контролировать большие внешние территории, крупные помещения, то от них пользы не будет никакой.

Что касается проходов открытого типа, то для них существуют приборы способные реагировать на любые изменения вокруг. В число таких датчиков входят фотореле, емкостные датчики, тепловые извещатели, а также акустическое реле.

Для контроля перемещения на определенном пространстве применяются датчики присутствия для включения света не только промышленного производства, но и изготовленные собственноручно. Широко используются фото приборы, устройства оценки эхо-сигналов, звуковые сигнализаторы. Они отлично справляются с работой оповещения при движении объекта в радиусе действия приборов. Принципиальная основа функционирования таких приборов заключается в создании импульсного сигнала и его фиксирование в момент отражения от предмета. В момент поступления импульса в такую область контроля, меняются свойства отражающего сигнала, и обнаружитель создает управляющий сигнал в выходной цепи.

Ниже показана принципиальная схема функционирования светочувствительного автомата и акустического реле:

Двери открывающиеся в автоматизированном режиме, акустические сигнализаторы, караульная спец сигнализация, и многая другая техника, точно фиксирующая позицию предмета.

В частности, примечательно было бы оборудовать датчиком присутствия ваше зеркало с эффектом светодиодной подсветки. Подключение иллюминации будет выполняться только в то время, когда вы приблизитесь к зеркалу. Кстати, такую схему можно собрать собственными руками в домашних условиях.

Принципиальные схемы устройств

Микроволновый прибор

Одним из самых востребованных сигнализаторов считаются датчики присутствия для включения света , прекрасно подходят для наблюдения за открытым пространством. Для этих же целей существует еще не менее эффективное устройство — емкостной датчик. Особенность действия этого прибора состоит в определении коэффициента трансформации радиоволн. Наверное многие из вас когда-либо подмечали в действии такой эффект. В момент приближения к включенному радиоприемнику появляется фоновый шум и он начинает уходить с настроенной волны. Если есть желание повторить схему датчика движения работающего по микроволновому принципу, то абзац размещенный ниже это для вас. Основой такого волнового уловителя является генератор сверхвысокочастотных колебаний и специализированная антенна.

Ниже описан метод изготовления датчика движения микроволнового типа с рабочей принципиальной схемой, в создании которой нет ничего сложного. Полевой транзистор КП306 VT1 выполняет роль генератора высоких частот, а также выполняет функции радиоприёмника. Выпрямительный диод VD1 используется для детектирования сигнала, направляя напряжение смещения на базовый переход транзистора VT2. Специфика трансформатора Т1 предусматривает работу каждой из обмоток на разных частотах.

В исходном положении, при котором на антенну нет внешнего влияния емкости, размах амплитуды симметрично уравновешиваются и на диоде VD1 отсутствует напряжение. Когда меняется частота, тогда происходит сложение амплитуд и диод выполняет их преобразование, в это время переходы транзистора VT2 переходят в открытое состояние. Для быстрого сравнивания значений двух сигналов друг с другом, в схеме предусмотрен компаратор, собранный на тиристоре VS1. Его основное назначение — управлять реле, рассчитанного на напряжение питания 12v.

Далее также показана проверенная схема реле присутствия, реализованная на недорогих электронных элементах. На ее основе можно собственноручно изготовить качественный волновой уловитель движения. А возможно кто-то найдет ему другое применение или просто использует для знакомства с прибором.

Тепловой датчик присутствия

Пироэлектрический инфракрасный сенсор движения входит в разряд самых распространенных тепловых датчиков применяемых в различных отраслях хозяйства. Его популярность обусловлено доступностью комплектующих, простотой изготовления и настройки, гарантированно широким диапазоном температурной составляющей.

Немало таких готовых приборов имеются в продаже. В основном такие сенсоры устанавливаются в светильники, приборы сигнализации и ряд других контроллеров. Тем не менее, доступная для изготовления схема в домашних условиях показана ниже:

Специализированный тепловой уловитель В1 и фотоэлемент VD1 образовывают комплекс автоматического управления световым излучением. Прибор сразу включается в работу как только начинает темнеть. За настройку параметра внешней освещенности отвечает подстроечный резистор R2. Сенсор срабатывает, как только движущий объект попадает в зону действия датчика. Контроль за временем действия прибора выполняется за счет интегрированного таймера, установка значений выставляется переменным резистором R5.

В настоящем справочном пособии приведены сведения об использовании тайников различных типов. В книге рассматриваются возможные варианты тайников, способы их создания и необходимые при этом инструменты, описываются приспособления и материалы для их сооружения. Даны рекомендации по устройству тайников дома, в автомобилях, на приусадебном участке и т. п.

Особое место уделено способам и методам контроля и защиты информации. Приведено описание специального промышленного оборудования, используемого при этом, а также устройств, доступных для повторения подготовленными радиолюбителями.

В книге дано подробное описание работы и рекомендации по монтажу и настройке более 50 устройств и приспособлений, необходимых при изготовлении тайников, а также предназначенных для их обнаружения и обеспечения сохранности.

Книга предназначена для широкого круга читателей, для всех, кто пожелает ознакомиться с этой специфической областью творения рук человеческих.

Если учесть тот факт, что человеческое тело в основном состоит из воды, которая является электрическим проводником, то можно предположить, что емкостной датчик для обнаружения человека — наиболее оптимальное решение. Емкостной датчик можно использовать в качестве сторожевого, реагирующего на проникновение злоумышленников в помещение, двери или на прикосновение к замкам либо ручкам входных дверей, металлическим шкатулкам, сейфам и т. п.

Простое емкостное реле

Радиус действия реле зависит от точности настройки конденсатора C1, а также от конструкции датчика. Максимальное расстояние, на которое реагирует реле, равно 50 см.

Принципиальная схема емкостного реле приведена на рис. 2.85, а конструкция индуктивной катушки с размещением ее и датчика на плате — на рис. 2.86.

Рис. 2.85. Простое емкостное реле

Рис. 2.86. Конструкция индуктивной катушки емкостного реле

Катушка L1 намотана на многосекционном полистироловом каркасе от контуров транзисторных радиоприемников и содержит 500 витков (250 + 250) с отводом от середины провода ПЭЛ 0,12 мм, намотанного внавал.

Датчик устанавливается перпендикулярно плоскости печатной платы. Он представляет собой отрезок изолированного монтажного провода длиной от 15 до 100 см, либо квадрат, выполненный из такого же провода, со сторонами от 15 см до 1 и.

Конденсатор С1 — типа КПК-М, остальные — типа К50-6. В качестве реле выбрано РЭС-10, паспорт РС4.524.312, можно также применить РЭС-10, паспорт РС4.524.303, либо РЭС-55А, паспорт 0602. Диод VD1 можно исключить, так как он необходим лишь для предохранения схемы от случайного изменения полярности питания.

Настраивается емкостное реле конденсатором С1. Сначала ротор C1 необходимо установить в положение минимальной емкости, при этом сработает реле К1. Затем ротор медленно поворачивают в сторону увеличения емкости до выключения реле К1. Чем меньше емкость подстроечного конденсатора, тем чувствительнее емкостное реле и больше расстояние, на котором датчик способен реагировать на объект. При настройке конденсатора корпус тела и руку с диэлектрической отверткой необходимо держать на возможно большем удалении от платы.

Емкостный датчик

Большинство схем емкостных датчиков состоят из двух генераторов и схемы, контролирующей нулевые биения или промежуточную частоту. При этом частота одного генератора стабилизируется кварцевым резонатором, а на настройку контура другого влияет внешняя емкость.

Схема, приведенная на рис. 2.87, содержит один генератор, работающий на частоте 460–470 кГц, воздействие на датчик приводит к тому, что изменяется ток, потребляемый генератором (внешняя емкость не столько изменяет частоту, сколько дополнительно нагружает контур).

Рис. 2.87. Емкостный датчик

При увеличении внешней емкости ток потребления возрастает, что приводит к открыванию второго транзистора.

Генератор собран на полевом транзисторе VT1. Частота настройки определяется параметрами контура на катушке L1. Датчик может быть произвольной формы, например кусок монтажного провода, сетка, квадрат со стороной от 150 до 1000 мм или кольцо. Если датчик устанавливать в автомобиле, то для охраны стекла достаточно провода длиной 150 мм, можно установить сетку в сидениях или расположить провод в щелях приборной панели.

Ключ выполнен на транзисторе VT2. При воздействии на датчик ток, потребляемый генератором, увеличивается и транзистор VT2 открывается, при этом напряжение на его коллекторе становиться близким к напряжению питания (схема питается от параметрического стабилизатора на стабилитроне VD1 и резисторе R6).

Исполнительное устройство выполнено на микросхеме DD1 по схеме одновибратора. Цепь R5C5 нужна для задержки срабатывания устройства после включения. Если задержка не нужна, конденсатор С5 можно исключить. Можно сделать вариант с задержкой и контрольным светодиодом. В этом случае нужно уменьшить сопротивление R6 до 150 Ом, a R4 до 620 Ом, и включить последовательно с R4 светодиод типа АЛ307 в прямом направлении. Теперь первые пять-десять секунд после включения реакция датчика приведет только к зажиганию светодиода. Затем, после окончания этого времени, каждое срабатывание будет приводить к появлению на выходе схемы положительного импульса длительностью около 10 с. Длительность импульса можно регулировать, изменяя сопротивление R7 или емкость С6.

Емкостный датчик собран на одной печатной плате из одностороннего фольгированного стеклотекстолита. Подстроечный конденсатор — тина КПК, полевой транзистор VT1 может быть с любым буквенным индексом, что же касается VT2 — здесь подойдет любой p-n-p транзистор малой мощности, включая и МП39 -МП42. Микросхему К176ЛА7 можно заменить на К561ЛА7 или даже на К561ЛЕ5, но в этом случае нужно поменять местами R5 и С5, изменить полярность включения С6 на противоположную; вывод R7, соединенный с общим проводом, подключить к катоду стабилитрона, а выходной сигнал снимать с вывода 3 DD1, включив элемент с выводами 12, 13 и 11 между коллектором VT2 и выводом 9 DD1.

Катушка намотана на стандартном четырехсекционном каркасе от катушки гетеродина средневолнового радиоприемника. Ферритовый сердечник (и броневой, если имеется) удаляется. Катушка имеет 1000 витков с отводом от середины провода ПЭВ 0,06 мм. Стабилитрон можно выбрать любой соответствующей мощности с напряжением стабилизации 7…10 В.

Для настройки подключите датчик и расположите плату там, где она будет находиться (или недалеко от этого места). Подключив питание, диэлектрической отверткой установите ротор конденсатора С1 в состояние минимальной емкости. При этом схема должна сработать. Затем, постепенно поворачивая его на небольшой угол и удаляясь после этого на расстояние недосигаемости (около полуметра), установите ротор С1 в такое положение, при котором схема перестает срабатывать, пока вы не приблизитесь на такое расстояние, которое хотите установить.

Емкостное реле на LC-контуре

Принцип действия описываемого варианта емкостного реле (рис. 2.88) основан на изменении частоты LC-генератора под влиянием воздействия на его элементы внешних предметов — эффекта, знакомого вам по реакции радиоприемника на поднесение руки к его антенне.

Рис. 2.88. Емкостное реле на LC-контуре

Такой генератор емкостного реле образуют катушка L1, емкость датчика Е1, конденсаторы C1, С2, полевой транзистор VT1 и, конечно, незначительная емкость монтажа устройства.

Если напряжение питания транзистора стабилизировано и емкость датчика неизменна, то и частота генератора тоже неизменна (в нашем случае примерно 100 кГц). Но стоит приблизиться или коснуться датчика рукой, его емкость увеличивается, а частота электрических колебаний генератора уменьшается.

Резкое изменение частоты LC-генератора — это и есть сигнал о нарушении исходных параметров чувствительного элемента емкостного реле.

Но этот сигнал надо еще обнаружить. Решить задачу помогает второй LC-контур, образованный катушкой L2, конденсатором С4 и слабо связанный (чтобы не упала добротность) с генератором через резистор R1. Используется знакомое вам свойство резонансного контура — зависимость напряжения на нем от частоты колебаний поступающего сигнала. Выделенное контуром напряжение сигнала выпрямляется диодом VD1, фильтруется конденсатором С5 и далее поступает на инвертирующий вход (вывод 2) операционного усилителя (ОУ) DA1, выполняющего функцию компаратора.

Конденсатором С4 резонансный контур настраивают на исходную частоту F 0 генератора. При этом на инвертирующем входе компаратора действует постоянное напряжение U вх. мах. Резисторами R2 и R3 устанавливают на неинвертирующем входе (вывод 3) ОУ пороговое напряжение U пор. Несколько меньшее, чем U вх. мах. В этом случае напряжение на выходе ОУ мало и светодиод HL1, подключенный к нему через ограничительный резистор R5, не горит.

Если изменение частоты генератора будет таким, что напряжение U вх станет меньше U пор,компаратор сработает и включит светодиод. При удалении от датчика частота генератора вновь станет исходной, напряжение U вх увеличится, компаратор переключится в первоначальное состояние и светодиод погаснет.

Катушки L1 и L2 идентичные по конструкции и намотаны на кольцах из феррита 2000НМ с внешним диаметром 20 мм (можно 15 мм) и содержат 100 витков провода ПЭВ-2 0,2 мм. Намотка виток к витку, в один слой. Отвод катушки L1 сделан от 20-го витка, считая от вывода, соединенного общим проводом, L2 — от середины. Расстояние между началом и концом катушек должно быть не менее 3…4 мм. Транзистор VT1 — КПЗОЗБ, операционный усилитель DA1 — К140УД7, К140УД8, диод VD1 — КД503Б, КД521, КД522Б. Конденсаторы С1 и С2 — типа КТ, КД, КМ, СЗ и С5 — КЛС, KM, С4 — КПК-1, резисторы R2 и R3 — типа СПЗ-3, остальные — ВС, МЛТ.

После сборки реле проводят предварительную регулировку (цепочку R5HL1 пока не подключают). Роль датчика могут временно выполнять два отрезка провода диаметром 0,5… 1 мм длиной по 1…1,5 м, расположенные параллельно на расстоянии 15…20 см один от другого. К конденсатору С5 подключают вольтметр постоянного тока с относительным входным сопротивлением менее 10 кОм/В и подстроечным конденсатором С4 добиваются максимального показания напряжения вольтметра. Если при этом емкость конденсатора С4 окажется наибольшей, то параллельно ему подключают дополнительный конденсатор емкостью 10… 15 пФ и подстройку повторяют. Вольтметр должен фиксировать напряжение 2,5…5 В. Если оно меньше, подбирают резистор R1, но его сопротивление должно быть более 500 кОм. После каждой замены резистора подстройку повторяют.

Далее, к выходу ОУ подключают последовательно соединенные резистор R5 светодиод НL1. Движок резистора R3 устанавливают в нижнее по схеме положение, резистор R2 — в среднее. При этом светодиод должен гореть. Медленно перемещая движок резистора R3, добиваются погасания светодиода. Если теперь к датчику поднести руку или коснуться провода, соединенного с конденсатором С1, светодиод должен загореться. На этом предварительную регулировку емкостного реле можно считать законченной.

Схема исполнительного устройства приведена на рис. 2.89.

Рис. 2.89. Исполнительное устройство

К выходу емкостного реле через делитель R1R2 подключают электронный ключ на транзисторе VT1, управляющий электромагнитным реле К1, контакты К1.1 которого включают осветительную лампу EL1 или сирену. Блок питания включает в себя понижающий трансформатор Т1, выпрямитель на диодах VD3-VD6 и фильтрующий конденсатор С2. Напряжение питания самого емкостного реле (9 В) стабилизируется параметрическим стабилизатором R3VD1.

При срабатывании емкостного реле на его выходе появляется постоянное напряжение 7…8 В, часть которого поступает на базу транзистора VT1. Транзистор открывается, реле К1 срабатывает и замыкающимися контактами К1.1 подключает к сети лампу EL1 или сирену. После восстановления исходного режима работы емкостного реле транзистор закрывается и лампа гаснет.

Транзистор VT1 может быть КТ315Б — КТ315Д, КТ312А — КТ312В или другой аналогичный. Диоды VD3 — VD6 — любые выпрямительные с допустимым прямым током не менее 40…50 мА. Оксидные конденсаторы — типа К50-6 или другие на соответствующие поминальные напряжения, резисторы — типа ВС, МЛТ. Реле К1 — РЭС22, паспорт РФ4.500.129 или аналогичное, срабатывающее при напряжении 9…11 В.

Налаживание автомата сводится к окончательной настройке его емкостного реле. Для этого параллельно конденсатору С5 (см. рис. 2.88) подключают высокоомный вольтметр постоянного тока и подстроечным конденсатором С4 устанавливают на нем максимальное напряжение — оно должно быть примерно таким же, как и при предварительной настройке. Если добиться этого не удается, параллельно С4 подключают дополнительный конденсатор емкостью 20…30 пФ и настройку повторяют.

Для повышения чувствительности устройства контур L2C4 следует настраивать не на максимум напряжения, а немного меньше — примерно на уровне 0,7 U вх. мах. А так как возможны две точки настройки (выше и ниже F o), правильна будет та, которая соответствует меньшей емкости конденсатора С4. После этого резисторами R2, R3 добиваются четкого срабатывания электромагнитного реле.

Что такое емкостные датчики? Это самое обычное электронное реле, срабатывающее при изменении емкости. Чувствительным элементом многих рассмотренных здесь схем являются генераторы высокой частоты от сотен килогерц или больше. Если параллельно контуру этого генератора подсоединить дополнительную емкость, то либо поменяется частота генератора, либо его колебания прекращаются совсем. В любом варианте сработает пороговое устройство, которое включает звуковой или световой сигнализатор. Эти схемы можно применять в различных моделях, которые при встрече с различными препятствиями будут изменять свое движение, в быту — сел в компьютерное кресло включился ноутбук или заиграл музыкальный центр, устройства можно также использовать для включения света в помещениях для построения систем сигнализации и т.п.

Схема работает на звуковых частотах. Для увеличения чувствительности в контур генератора низкой частоты добавлен полевой транзистор.

Генератор прямоугольных импульсов с частотой следования последних 1 кГц выполнен на элементах DD1.1 и DD1.2 . В качестве выходного каскада предназначен DD1.3 , нагрузкой которого является телефонный динамик.

С целью увеличения чувствительности схемы можно добавить количество радиокомпонентов, введенных в RC — цепь .

Схема должна начать работать сразу после включения. Иногда нужно подстроить сопротивление R1 на пороговую чувствительность.

При регулировке реле возможны два варианта его функционирования: срыв или возникновение генерации при появлении емкости. Установка нужного нам схемотехнического варианта выбирается подбором номинала переменного сопротивления R1. При приближении руки к Е1 подстройкой сопротивления R1 делают так, чтобы расстояние, с которого запускалась схема, составляло 10 — 20 сантиметров.

Для включения различных исполнительных механизмов в емкостном реле используем сигнал с выхода элемента DD1.3 .

Для включения света проходят рядом со вторым емкостным преобразователем, а для отключения освещения в помещении с первым.

Срабатывание преобразователя приводит к переключению RS триггера построенного на логических элементах. Емкостные датчики сделаны из отрезков коаксиального кабеля, с конца которых на длину около 50 сантиметров снят экран. Край экрана требуется изолировать. Датчики устанавливают на дверном каркасе. Длину неэкранированной части датчиков и номиналы сопротивлений R5 и R6 подбирают при отладки схемы так, чтобы триггер надежно срабатывал при прохождении биологического объекта на расстоянии 10 сантиметров от датчика.

Пока емкость между датчиком и корпусом мала, на сопротивлении R2, и на входе элемента DD1.3 формируются короткие импульсы положительной полярности, а на выходе элемента такие же импульсы но уже инвертированные. Емкость С5 медленно заряжается через сопротивление R3, когда на выходе элемента имеется уровень логической единицы, и быстро разряжается через диод VD1 при логическом нуле. Т.к разрядный ток выше зарядного, напряжение на емкости С5 имеет уровень логического нуля, и элемент DD1.4 заперт для сигнала звуковой частоты.

При приближении к элементу любого биологического объекта его емкость относительно общего провода возрастает, амплитуда импульсов на сопротивлении R2 падает ниже порога включения DD1.3. На его выходе будет постоянная логическая единица, до этого уровня осуществится наполнение емкостью конденсатор С5. Элемент DD1.4 начнет пропускать сигнал звуковой частоты, и в динамике раздастся звуковой сигнал. Чувствительность емкостного реле можно регулировать подстроечной емкостью С3.

Датчик изготавливается своими руками с использованием металлической сетки с размерами 20 х 20 сантиметров, для хорошего уровня чувствительности реле.


В этой схеме емкостного реле к логическому элементу DD1.4 подсоединен транзистор VT1, в коллекторную цепь которого включен тиристор VS1 управляющий мощной нагрузкой.

Устройство, собранное по схеме ниже, реагирует на присутствие любого проводящего объекта, в том числе и человека. Чувствительность датчика можно регулировать потенциометром. Схема не позволяет обнаруживать движение объектов, но она хороша именно в роли датчика присутствия. Одним из очевидным решением использования в быту емкостного датчика присутствия является самодельная схема автоматическое открывания дверей. Для этих целей схема устройства должна быть размещена с передней части двери.


Основой этого емкостного устройства являются осциллятор с T1 и одновибратор. Осциллятор это типовой генератор Клаппа стабильной частоты. Поверхность емкостного датчика действует как конденсатор для колебательного контура, и в этой конфигурации частота будет около 1 МГц.

Время переключения схемы можно изменять в широком диапазоне с помощью переменного резистора Р2. Не надо подносить металлические предметы близко к датчику, т.к емкостное реле останется в закрытом состоянии. Эта схема также может быть применена в роли детектора агрессивных жидкостей. Главное достинство здесь заключается в том, что поверхность емкостного датчика не вступает в прямой контакт с жидкостью.

На полевом транзисторе выполнен маломощный генератор с частотой следования импульсов 465 кГц, а на биполярном транзисторе электронный ключ для срабатывания реле К1, контактами которого включается исполнительный механизм. Диод используется в схеме при случайном изменении полярности подсоединяемого источника питания.

Радиус действия емкостного реле и чувствительность, зависит от регулировки С1 и конструкции датчика, если вас заинтересовала это разработка то вы можете скачать журнал моделист конструктор по ссылке чуть выше.

Основа схемы маломощный генератор ВЧ. К колебательному контуру L1C4 подсоединена металлическая пластина. Поднесенная к ней ладонь руки или другая часть тела человека представляет собой вторую обкладку конденсатора C д . тем выше, чем больше площадь его обкладок и меньше расстояние между ними. L1 намотайте на каркасе 8-9 мм, склеенном из бумаги. Катушка СОСТОИТ ИЗ 22-25 витков провода ПЭВ-1 0,3-0,4, намотанных виток к витку. Отвод необходимо сделать от 5-7-го витка, считая от начала.

Настройка реле

Подсоедините в коллекторную цепь биполяярного транзистора V1 миллиамперметр на 10 мА и между точкой соединений миллиамперметра с катушкой L1 и эмиттером второго транзистора подсоединить конденсатор 0,01-0,5 мкФ. Металлическую пластину временно отключите от генератора. Следя за показаниями миллиамперметра, кратковременно замыкаем L1C4 . Коллекторный ток V1 дрезко падает: с 2,5-3 до 0,5-0,8 мА. Максимальные показания соответствуют генерации, наименьшие — ее отсутствию. Если генератор возбуждается, присоедините к нему пластину и медленно поднесите ладонь. Коллекторный ток должен снизиться до уровня 0,5-0,8 мА.

Слабые изменения тока усиливается с помощью двухкаскадного УНЧ на V2 , V3 . А для того чтобы можно было управлять нагрузкой бесконтактным методом, конечная ступень схемы построена на тринисторе V5 .


Движок переменного сопротивления R4 устанавливают в крайнее нижнее положение. И затем его медленно двигают вверх до тех пор, пока не включится индикатор h2 . Теперь подносим ладонь к пластине и проверяем работу устройства.

Диод V4 в цепи тринистора V5 исключает появление импульса обратного напряжения. А V6 и сопротивление R7 защищают тринистор от пробоя. Для тринистора с U о6р . = 400 В элементы V6 и R7 можно убрать из схемы.

Заметки для мастера — Емкостные реле в быту

          Емкостные реле в быту

 

          Емкостный датчик в качестве противоугонного устройства


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

Рис.1

Датчиком емкостного реле служит кусок металлической фольги размером 100×50 мм или же фольгированный текстолит аналогичных размеров. Датчик может быть расположен в салоне автомобиля под сидением водителя, или же выполнен в виде какой-либо декоративной панели, привлекающей угонщика, или, наоборот, спрятанной, и тем самым не заметной для глаз злоумышленника, но к которой угонщик обязательно должен прикоснуться.
Датчиков в салоне автомобиля может быть 1… 10 штук.
Приводится противоугонное устройство в действие микровыключателем, расположенным в салоне автомобиля, известным о месте его нахождения только владельцу транспортного средства.На принципиальной схеме устройства микровыключатель не указан.
Сопротивление катушки K1 от 1 кОм до 175 Ом; число витков катушки — 3400; ток срабатывания составляет 36 мA ток отпускания — 8 мА; напряжение питания — 12 В. Катушка колебательного контура L1 намотана на бумажном каркасе диаметром 8… 10 мм и содержит 26 витков провода ПЭВ-1 диаметром 0,3…0,4 мм, намотанных виток к витку в один слой. Отвод сделан от 7-го витка.

А.Гайдук, г. Борисов

 

         Простое емкостное устройство

 

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

 

Рис. 2

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

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

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

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

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

 

Крылов А.

Ярославская обл.

 

          Емкостное реле для управления освещением

 

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

        Принципиальная схема емкостного реле изображена на рис.3

 

Рис.3

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

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

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

 

С. Лобкович, г. Минск

 

          Схема емкостного реле на микросхеме

 

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

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

        Схема емкостного реле приведена на рис.4

 

 

Рис.4

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

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

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

        Чувствительность емкостного реле можно изменять подстроечным конденсатором С3.

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

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

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

 

Рис.5

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

 

Нечаев.И.

г. Курск 

 

          Емкостное реле на транзисторах

 

        На рис.6 показана схема простого транзисторного емкостного реле.

 

Рис.6

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

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

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

 

        

Схемы включения емкостных датчиков — Энциклопедия по машиностроению XXL

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

Схемы включения емкостных датчиков  [c.553]

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

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

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

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

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


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

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

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

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

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

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

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


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

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

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

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

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

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

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

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

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

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


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

Схема емкостной датчик двойного листа на планета. Собираем датчик движения для включения света. Как собрать ИК-датчик движения своими руками

Работа ёмкостных датчиков обычно основана на регистрации изменений параметров генератора, в колебательную систему которого входит ёмкость контролируемого объекта. Простейшие из таких датчиков 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 . 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 . 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 . 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.

Сегодня стали очень модны датчики присутствия для обнаружения движения при перемещении человека по помещению.

При подключении такого устройства к осветительным приборам, вы получите автоматическую систему по включению света. Датчик присутствия для обнаружения человека самостоятельно может собрать практически любой. И здесь схема сборки будет основной. Все о процессе сборки вы узнаете из этой статьи.

Принцип работы

Первое, что нужно знать при самостоятельной сборке такого прибора – это принцип его работы.
Обратите внимание! Многие путают такие устройства с датчиками движения. Но это разные модели.
Принцип работы прибора основан на реакции сенсора на местоположение человека или крупного животного. В основе работы устройства лежит эффект Доплер – изменение длины и частоты волны. Эти изменения регистрирует сенсор и передает их на прибор, для дальнейшего включения освещения или звукового сигнала. Причем сигнал на сенсор поступает вне зависимости от того, движется ли объект или остается неподвижным. Прибор оснащен антенной и генератором. Без наличия отражающего антенной сигнала, устройство пребывает в спящем режиме. Схема устройства работы приведена ниже.

При подключении прибора к источнику света, в ситуации появления любого объекта в рабочей зоне происходит активация включения света. При этом для включения освещения как такового не нужно наличие движения (даже незначительного).

Где используется

Датчик присутствия сегодня активно применяется в следующих областях:

  • система «умный дом» для включения света в автоматическом режиме (схема подключения приведена ниже). В этой ситуации он позволяет в разы сэкономить потребление электроэнергии;

Схема подключения

  • охранные системы;
  • робототехника;
  • различные производственные линии;
  • системы видеонаблюдения;
  • для управления потребления электроэнергии и т.д.

Помимо этого все чаще появляются интерактивные игрушки, оснащенные подобными устройствами. Но в большинстве случаев при реагировании прибора нет необходимости включения света. Подобные изделия могут реагировать на температуру, ультразвук, вес объекта и многие другие параметры. Включения освещения здесь не происходит. Прибор реагирует, например, включением звука или передачей сигнала на портативное мобильное устройство (у современных моделей).
Особенно незаменимы такие разработки в охранной системе. Но не каждый человек может позволить себе приобрести такого устройство. Они достаточно дороги и могут оказаться не по карману. Поэтому некоторые делают такие устройства своими руками.

Приступаем к сборке

Для того чтобы собрать датчик, вам нужна будет приведенная ниже схема.

Помимо этого вам понадобится:

  • генератор СВЧ;
  • транзистор КТ371 (КТ368), который должен быть предварительно усилен КТ3102;
  • компаратор;
  • микросхема К554СА3.

Все необходимые компоненты для сборки можно отыскать на радиорынке или в специализированных магазинах электроники.
По этой схеме необходимо собрать и припаять вышеперечисленные элементы.
По приведенной схеме сенсор будет работать так:

  • генератор вырабатывает СВЧ сигнал;
  • далее он передается на штыревую антенну;
  • затем сигнал отражается от перемещающегося в контролируемой зоне объекта;
  • в результате получается частотный сдвиг;
  • затем происходит его возврат на антенну и СВЧ генератор.

На данном этапе он будет работать по принципу приемника прямого преобразования. Это связано с тем, что полученный сигнал преобразуется в инфразвуковой (низкой частоты).
После преобразования сигнала происходит следующее:

  • теперь уже полученные низкочастотные колебания, попадая на предварительный усилитель, усиливаются;
  • затем они передаются на компаратор и преобразуются в импульсы (прямоугольные).

Если отражение сигнала не происходит, то на выходе с компаратора получается напряжение высокого уровня.
Подстроечный конденсатор необходим для установления частоты. Она должна быть равна резонансной частоте, имеющейся у антенны.

Обратите внимание! Данный параметр надлежит подбирать по максимальной чувствительности сенсора.

С конструктивной точки зрения, прибор должен выполняться на печатной схеме, выполненной из стеклотекстолита. Плата должна размещаться на пластмассовом корпусе.

Печатная схема (пример)

В качестве антенны можно использовать кусок жесткого провода. Для ее изготовления лучше выбрать медный провод. Его припаиваем к контактной площадке полученной платы. Вывод антенны осуществляется через выход на корпусе. Специалисты рекомендуют располагать антенну вертикально.
Помните, что в непосредственной близости от собранного своими руками датчика не должны размещаться любые экранирующие предметы. Помимо этого следует знать, что для нормального функционирования спаянного изделия его общий провод должен обладать емкостной связью с землей.

Завершающий этап

После того, как вы смонтировали компактное устройство, его следует подвесить с внутренней стороны двери, максимально близко к дверной ручке и дверному замку. Также изделие можно разместить и в других местах. Главное, чтобы контролируемая зона была достаточной.
В ходе монтажа необходимо следить за тем, чтобы длина проводников и выводов элементов была минимальна. Это позволит избежать помех, в результате наличия которых прибор может начать работать не адекватно.
Следуя приведенной инструкции и схеме, собрать своими руками датчик присутствия можно относительно просто. Главное – это смонтировать все составляющие в нужном порядке.


Правильно выбираем автономные датчики для движения с сиреной Обзор и установка пульта для радиоуправления светом

Несколько схем датчиков

В январе 2007 года издательство «Наука и Техника» выпустило книгу автора А.П.Кашкарова «Электронные датчики». На этой страничке хочу познакомить Вас с некоторыми из конструкций.

Очень хочется предупредить — данные схемы я НЕ собирал — работоспособность их полностью зависит от «порядочности» г-на Кашкарова!

В начале рассмотрим схемы с применением микросхемы К561ТЛ1. Первая схема — емкостное реле:

Микросхема К561ТЛ1 (зарубежный аналог CD4093B) — одна из самых популярных цифровых микросхем этой серии. Микросхема содержит 4 элемента 2И-НЕ с передаточной характеристикой триггера Шмита (имеет определенный гистерезис).

Данное устройство имеет высокую чувствительность, что позволяет использовать его в охранных устройствах, а также в устройствах, предупреждающих о небезопасном нахождении человека в опасной зоне (например в распиловочных станках). Принцип устройства основан на изменении емкости между штырем антенны (используется стандартная автомобильная антенна) и полом. По утверждению автора, данная схема срабатывает при приближении человека среднего размера на расстояние около 1,5 метров. В качестве нагрузки транзистора может использоваться, например, электромагнитное реле с током срабатывания не более 50 миллиампер, которое своими контактами включает исполнительное устройство (сирену и проч.). Конденсатор С1 служит для снижения вероятности срабатывания устройства от помех.

Следующее устройство — датчик влажности:

Особенностью схемы является применение в качестве датчика переменного конденсатора С2 типа 1КЛВМ-1 с воздушным диэлектриком. Если воздух сухой — сопротивление между пластинами конденсатора составляет более 10 Гигаом, а уже при небольшой влажности сопротивление уменьшается. По сути этот конденсатор представляет собой высокоомный резистор с изменяющимся в зависимости от внешних условий абсорбированной атмосферной влажности сопротивлением. При сухом климате сопротивление датчика велико, и на выходе элемента D1/1 присутствует низкий уровень напряжения. при увеличении влажности сопротивление датчика уменьшается, возникает генерация импульсов, на выходе схемы присутствуют короткие импульсы. При увеличении влажности частота генерации импульсов увеличивается. В определенный момент влажности генератор на элементе D1/1 превращается в генератор импульсов. на выходе устройства появляется непрерывный сигнал.

Схема сенсорного датчика показана ниже:

Принцип действия этого устройства заключается в реагировании на «наводки» в теле человека или животного от различных электрических устройств. Чувствительность устройства очень велика — оно реагирует даже на прикосновение к пластине Е1 человека в матерчатых перчатках. При первом прикосновении устройство включается, при втором — выключается. Конденсатор С1 служит для защиты от помех и его в отдельном случае может и не быть…

Следующее устройство — индикатор влажности почвы. Это устройство может быть использовано, например, для автоматизации полива теплицы:


Устройство, на мой взгляд, весьма оригинально. Датчиком служит катушка индуктивности L1, закопанная в почву на глубину 35-50 сантиметров.
Транзистор Т2 и катушка индуктивности совместно с конденсаторами С5 и С6 образуют автогенератор на частоту около 16 килогерц. При сухой почве амплитуда импульсов на коллекторе транзистора VT2 равна 3 вольтам. Увеличение влажности почвы приводит к понижению амплитуды этих импульсов. Реле включено. При некотором значении влажности генерация срывается, что приводит к выключению реле. Реле своими контактами выключает, например, насос или электромагнитный вентиль в цепи полива.
О деталях: Самой ответственной частью схемы является катушка. Эта катушка наматывается на отрезок пластмассовой трубы, диаметром 100 , длиной 300 миллиметров и содержит 250 витков, провода ПЭВ, диаметром 1 миллиметр. Намотка — виток к витку. Снаружи обмотка изолируется двумя — тремя слоями ПХВ изоляционной ленты. Транзисторы можно заменить на КТ315. Конденсаторы — типа КМ. Диоды VD1-VD3 — типа КД521 — КД522.
Вся конструкция питается от стабилизированного источника, напряжением 12 вольт. Ток потребления схемой равен (в режимах «влажно-сухо») 20-50 миллиампер.
Электронная схема собирается в небольшой герметичной коробке. Для возможности регулировки напротив движка R5 следует предусмотреть отверстие, которое после настройки также герметично закрывается. Для питания использован маломощный трансформатор с выпрямителем и стабилизатором на КР142ЕН8Б. Реле должно нормально срабатывать при токе не более 30 миллиампер и напряжении 8-10 вольт. Для примера — можно применить РЭС10, паспорт 303. Для питания насоса контакты этого реле непригодны. В качестве промежуточного реле можно использовать автомобильное. Контакты такого реле выдерживают ток не менее 10 ампер. Можно применить и реле типа КУЦ от цветных телевизоров. Оба из рекомендованных реле имеют обмотку на 12 вольт и их можно включать до микросхемы стабилизатора (после выпрямителя и сглаживающего конденсатора), либо после стабилизатора (но тогда микросхему стабилизатора следует установить на небольшой теплоотвод). Также на корпусе следует установить два герметичных разъема (например типа РША). Один разъем используется для подключения сети и исполнительного устройства (насос), другой — для подключения катушки.
Настройка схемы сводится к регулированию чувствительности устройства при помощи переменного резистора R5. Окончательная настройка производится на месте работы устройства более точной подстройкой резистора. Следует иметь в виду, что данное устройство несколько изменяет порог включения при изменении температуры почвы (но это не очень существенно, поскольку на глубине в 35-50 сантиметров температура почвы изменяется незначительно).
Весной у владельцев овощных ям и гаражей появляется еще одна забота — талые воды. Если вовремя не откачать воду — овощи приходят в негодность… Можно процедуру откачки воды поручить автоматике. Схема получается простенькой, а сэкономит Вам множество времени и нервов (эта схема не из книжки! ) :



Схема автоматической «водооткачки» работает на принципе электропроводности воды. Основным элементом контроля уровня является блок из трех пластин из нержавеющей стали. Пластины 1 и 2 имеют одинаковую длину, пластина 3 — датчик верхнего уровня воды. Пока уровень воды ниже уровня 3 пластины — на входе логического элемента D1 уровень логической еденицы, на выходе элемента уровень логического нуля — транзистор заперт, реле обесточено. При увеличении уровня воды датчик 3 через воду соединяется с общим проводом схемы (пластина 1) — на входе элемента уровень логического нуля, на выходе элемента — уровень логической еденицы — транзистор открывается — реле своими контактами включает насос. Одновременно с насосом на вход схемы подключается пластина 2 датчика. Эта пластина является датчиком нижнего уровня воды. Насос будет работать до тех пор, пока уровень воды не опустится ниже уровня пластин. После этого насос отключается и схема переходит в дежурный режим…
В схеме можно применить практически любые логические элементы КМОП технологии серий 176, 561,564. Реле РЭС22 используется на напряжение срабатывания 10-12 вольт. Данное реле имеет довольно мощные контакты, что позволяет непосредственно управлять насосом типа «Водолей» мощностью до 250 ватт. Для увеличения надежности работы полезно свободные группы контактов реле (их всего четыре) соединить параллельно и параллельно контактам реле включить цепочку из последовательно соединенных резистора на 100 ом (мощностью не менее 2 ватт) и конденсатора на 0,1 микрофарады (с рабочим напряжением не менее 400 вольт). Эта цепочка служит для уменьшения искрения на контактах в моменты коммутации. Если у Вас насос большей мощности — придется применить дополнительное промежуточное реле с контактами большей мощности (например пускатель ПМЕ 100 — 200…), обмотку которого (обычно на 220 вольт) коммутировать при помощи реле РЭС22. В этом случае обычно хватает одной пары контактов и искрогасящую цепочку параллельно контактам реле можно не ставить. Трансформатор питания использован на 12 вольт (был готовый) с мощностью около 5 ватт. При самостоятельном изготовлении следует учитывать тот факт что трансформатор будет работать непрерывно, поэтому лучше увеличить (для надежности) на 15-20 процентов количество витков первичной и вторичной обмоток по сравнению с расчетными. Использовать Китайские трансформаторы я бы Вам не советовал — при работе они очень сильно греются — может произойти пожар, либо трансформатор попросту сгорит, а Вы будете уверены в надежности работы схемы и перестанете наведываться в гараж… Результат — овощи испорчены…
Данное устройство эксплуатируется автором на протяжении 5 лет и показало высокую надежность. Соседи по гаражному кооперативу тоже высоко оценили этот «девайс» — уровень воды в их ямах также значительно понизился…

Можно подобное устройство изготовить и без микросхемы:



Реле в данной конструкции используется типа КУЦ (от цветных телевизоров). Этот тип реле имеет две пары замыкающих контактов. Одна пара используется для переключения пластин датчика, другая — для управления насосом. Следует иметь в виду, что реле типа КУЦ нежелательно использовать совместно с микросхемой — могут появиться ложные срабатывания от наводок!

Схема каких либо особенностей не имеет. Возможно, во время настройки придется подобрать резистор R2 в цепи смещения транзистора VT2, добиваясь четкого срабатывания реле при контакте датчика с водой.


На оставшихся элементах микросхемы можно собрать еще одно полезное устройство — имитатор охранной сигнализации:



Устройство предназначено для имитации системы охраны гаража. Для обеспечения бесперебойности работы схема снабжена автономным питанием из батареи аккумуляторов с напряжением 5 вольт. Для экономичности устройства в целом — служит фоторезистор R2. В темное время суток на фоторезистор свет не попадает — сопротивление его велико — на входе элемента присутствует напряжение логической еденицы — генератор вырабатывает импульсы. Светодиод — «моргает». В светлое время суток сопротивление фоторезистора уменьшается, что приводит к уменьшению напряжения на выводе 10 микросхемы до уровня логического нуля — генератор перестает возбуждаться. Частота импульсов зависит от номиналов конденсатора С1 и резистора R2. В качестве резервного источника использована батарея из 4 аккумуляторов типа КНГ-1,5. Емкости аккумуляторной батареи хватает для непрерывной работы схемы примерно на 20-30 суток (при пропадании сетевого напряжения).
Настройка сводится к подбору с помощью сопротивления резистора R1 уровня чувствительности схемы. Резистором R2 можно изменять частоту генератора.
Данное устройство относится к так называемому «пассивному» устройству защиты, но оно реально работает! Эксплуатация «моргасика» в течении более 5 лет показала его довольно высокую эффективность. За это время не было зафиксировано ни одной попытки вскрытия гаража (у соседей такие случаи бывали). Понятно, что серьезного жулика подобным устройством не напугаешь — (но где они, серьезные жулики — так, одна шпана…).

Датчики движения – невероятно удобная вещь, которая позволяет управлять светом в комнате или контролировать открытие и закрытие дверей, а также может оповестить вас о нежелательных гостях. В этой статье мы расскажем, как сделать датчик движения своими руками в домашних условиях и рассмотрим сферу возможного применения данных устройств.

Кратко о датчиках

Один из самых простых видов датчиков — концевой выключатель или самовозвратная кнопка (без фиксации).

Она устанавливается у двери и реагирует на ее открытие и закрытие. С помощью нехитрой схемы данный аппарат включает свет в холодильнике. Ей можно оснастить кладовку или тамбур прихожей, дверь в подъезде, дежурную светодиодную подсветку, использовать данный выключатель как сигнализацию, которая оповестит об открытии или закрытии двери. Недостатками конструкции могут являться сложности в установке, и порой непрезентабельный внешний вид.

Аппараты, на основе и магнита, можно заметить на дверях и окнах охраняемых объектов. Их принцип работы очень похож на работу кнопки. Геркон может размыкать или соединять контакты при поднесении к нему обычного магнита. Таким образом, сам геркон устанавливается на дверной проем, а магнит вешается на дверь. Такая конструкция аккуратно выглядит и используется чаще, чем обычная кнопка. Недостаток устройств в узко специализированном применении. Для контроля открытых территорий, площадей, проходов они не годны.

Для открытых проходов существуют устройства, реагирующие на изменения в окружающей среде. К ним относятся фотореле, емкостные (датчики поля), тепловые (PIR), звуковые реле. Для фиксации пересечения определенного участка, контроля препятствия, наличия движения какого-либо объекта в зоне перекрытия, используют фото или звуковые эхо устройства.

Принцип работы таких датчиков основан на формировании импульса и его фиксации после отражения от объекта. При попадании в такую зону предмета, изменяется характеристика отраженного сигнала, и детектор формирует сигнал управления на выходе.

Для наглядности представлена принципиальная схема работы фотореле и звукового реле:

В качестве передающего устройства в оптических датчиках используются инфракрасные светодиоды, а в качестве приемника – фототранзисторы. Звуковые датчики работают в ультразвуковом диапазоне, поэтому их работа для нашего уха кажется бесшумной, однако каждый из них содержит маленький излучатель и улавливатель.

К примеру, замечательно снабдить детектором движения зеркало с подсветкой. Включение освещения будет происходить только в тот момент, когда человек будет находиться непосредственно возле него. Не желаете сделать такую самостоятельно?

Схемы сборки

Микроволновый

Для контроля открытых пространств и контроля наличия объектов в нужной зоне, существует емкостное реле. Принцип действия данного устройства заключается в измерении величины поглощения радиоволн. Каждый наблюдал или был участником этого эффекта, когда, приближаясь к работающему радиоприемнику, частота на которой он работает, сбивалась и появлялись помехи.

Поговорим о том, как сделать датчик движения микроволнового типа. Сердцем данного детектора является радио микроволновой генератор и специальная антенна.

На данной принципиальной схеме представлен простой способ сделать микроволновый датчик движения. Транзистор VT1 является высокочастотным генератором и по совместительству радио приемником. Детекторный диод выпрямляет напряжение, подавая смещение на базу транзистора VT2. Обмотки трансформатора Т1 настроены на разную частоту. В начальном состоянии, когда на антенну не воздействует внешняя емкость, амплитуды сигналов взаимно компенсируются и на детекторе VD1 нет напряжения.При изменении частоты, их амплитуды складываются и детектируются диодом. Транзистор VT2 начинает открываться. В качестве компаратора для четкой отработки состояний «включено» и «выключено», используется тиристор VS1, который управляет силовым реле на 12 Вольт.

Ниже предоставлена действенная схема реле присутствия на доступных компонентах, которая поможет собрать детектор движения своими руками или просто пригодится для ознакомления с устройством.

Тепловой

Тепловой ДД (PIR) самый распространенный сенсорный аппарат в хозяйственном секторе. Это объясняется дешевыми комплектующими, простой схемой сборки, отсутствием дополнительных сложных настроек, широким температурным диапазоном работы.

Готовый аппарат можно купить в любом магазине электротоваров. Часто этим сенсором снабжаются светильники, устройства сигнализации и прочие контроллеры. Однако сейчас мы расскажем, как сделать тепловой датчик движения в домашних условиях. Простая схема для повторения выглядит следующим образом:

Специальный тепловой датчик В1 и фото элемент VD1 составляют автоматизированный комплекс управления освещением. Устройство начинает работать только после наступления сумерек, порог срабатывания можно выставить резистором R2. Датчик подключает нагрузку при попадании перемещающегося человека в зону контроля. Время встроенного таймера для отключения можно выставить регулятором R5.

Самоделка из модуля для Arduino

Недорогой сенсор можно сделать из специальных готовых плат для радио конструктора. Так можно получить довольно миниатюрное устройство. Для сборки нам понадобятся модуль датчика движения для микроконтроллеров Arduino и модуль одноканального реле.

На каждой плате распаян разъем из трех штырьков, VCC +5 вольт, GND -5 вольт, OUT выход на детекторе и IN вход на плате реле. Для того, чтобы сделать устройство своими руками, необходимо с источника питания подать на платы 5 Вольт (плюс и минус), например, от зарядки для телефонов, а out и in соединить вместе. Соединения можно проводить с помощью разъемов, но надежнее будет все спаять. Можно руководствоваться схемой ниже. Миниатюрный транзистор, как правило, уже встроен в модуль реле, поэтому дополнительно его ставить не нужно.

При перемещении человека модуль подает сигнал на реле, и оно открывается. Обратите внимание, что есть реле высокого и низкого уровня. Его необходимо подбирать исходя из того, какой сигнал выдает датчик на выходе. Готовый детектор можно поместить в корпус и замаскировать в нужном месте. Дополнительно рекомендуем просмотреть видео, в которых наглядно демонстрируются инструкции по сборке самодельных датчиков движения в домашних условиях. Если у вас останутся какие-либо вопросы, вы всегда можете задать их в комментариях.

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 , 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 34) 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 сопротивлением 5—10 МОм.

Рис. 2.3. Емкостной датчик

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 негромко. 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 с встроенным генератором узел проявляет интересный эффект: при близком приближении человека к сенсору-антенне Е1 звук капсюля монотонный, а при удалении (или приближении человека, начиная с расстояния 1,5 м до Е1) — капсюль издает стабильный по характеру прерывистый звук в соответствии с изменением уровня потенциала на выходе элемента DD1.2. (Подобный эффект лег в основу первого электронного музыкального инструмента — «Терменвокса».)

Для более полного представления о свойствах емкостного датчика автор рекомендует ознакомиться с материалом .

Если в качестве НА1 применить капсюль со встроенным гене-ратбром ЗЧ, например КРІ-4332-12, то при сравнительно большом удалении человека от сенсора-антенны звук будет напоминать сирену, а при максимальном приближении — прерывистый сигнал.

Некоторым минусом устройства можно считать отсутствие избирательности (системы распознавания «свой/чужой»), так узел будет сигнализировать о приближении к Е1 любого лица, в том числе вышедшего «за хлебом» хозяина квартиры. Основа работы устройства — электрические наводки и изменение емкости максимально полезны при эксплуатации в больших жилых массивах с развитой сетью электрических коммуникаций; очевидно, прибор будет бесполезен в лесу, в поле и везде, где нет электрических коммуникаций.

Кашкаров А. П. 500 схем для радиолюбителей. Электронные датчики.

Схемы и методы реализации емкостных датчиков касаний

Добавлено 5 ноября 2016 в 21:30

Сохранить или поделиться

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

Предыдущая статья

Измерение изменений

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

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

Конечно, сам факт того, что емкость изменяется, не особенно полезен. Для того, чтобы на самом деле реализовать емкостной датчик касаний, нам необходима схема, которая может измерять емкость с точностью, достаточной, чтобы идентифицировать увеличение емкости, вызванное наличием пальца. Существуют различные способы сделать это, некоторые довольно просты, другие более сложные. В данной статье мы рассмотрим два основных подхода для реализации емкостного сенсорного функционала: первый основан на постоянной времени RC (резистор-конденсатор) цепи, а второй основан на сдвигах частоты.

Постоянная времени RC цепи

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

Сенсорный датчик касаний на базе RC цепи

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

График напряжения разряда емкостного датчика касаний

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

Изменение кривой напряжения разряда емкостного датчика касаний при прикосновении к нему

По человеческим меркам время разряда не сильно отличается, но современный микроконтроллер, безусловно, может обнаружить это изменение. Скажем, у нас есть таймер с тактовой частотой 25 МГц; мы запускаем таймер, когда переключаем вывод в режим входа. Мы можем использовать таймер для отслеживания времени разряда, настроив этот же вывод действовать, как триггер, который инициирует событие захвата («захват» означает хранение значения таймера в отдельном регистре). Событие захвата произойдет, когда напряжение разряда пересечет порог низкого логического уровня вывода, например, 0,6 В. Как показано на следующем графике, разница во времени разряда с порогом 0,6 В составляет ΔT = 5.2 мкс.

Измерение изменения времени разряда емкостного датчика касаний на уровне порогового напряжения

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

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

Переменный конденсатор, переменная частота

В реализации на базе изменения частоты емкостной датчик используется в качестве «С»-части в RC генераторе таким образом, что изменение емкости вызывает изменение частоты. Выходной сигнал используется в качестве входного для модуля счетчика, который подсчитывает количество фронтов или спадов, возникающих во время периода измерения. Когда приближающийся палец приводит к увеличению емкости датчика, частота выходного сигнала генератора уменьшается, и, таким образом, количество фронтов/спадов также уменьшается.

Так называемый релаксационный генератор (генератор колебаний, пассивные и активные нелинейные элементы которого не обладают резонансными свойствами) представляет собой основную схему, которая может использоваться для этой цели. Для этого в дополнение к конденсатору датчика касаний требуются несколько резисторов и компаратор. Кажется, это вызывает больше проблем по сравнению с методом заряда/разряда, который обсуждался выше, но если ваш микроконтроллер обладает встроенным модулем компаратора, это не так уж и плохо. Я не буду вдаваться в подробности схемы этого генератора, потому что, во-первых, он обсуждается во многих других местах, и, во-вторых, маловероятно, что вы захотите использовать этот метод генератора, когда есть много микроконтроллеров и отдельных микросхем, которые предлагают высокопроизводительную емкостную сенсорную функциональность. Если у вас нет другого выбора, кроме как создать свою собственную схему емкостного сенсора касаний, я думаю, что метода заряда/разряда, описанный выше более прост. В противном случае, сделайте свою жизнь немного проще, выбирая микроконтроллер со специальным аппаратным обеспечением для емкостного датчика касаний.

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

Сенсорный интерфейс микроконтроллеров EFM32

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

Работа в реальности

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

Влияние низкочастотного и высокочастотного шума на время разряда емкостного датчика касаний

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

Однако, увеличение емкости на 30% находится вблизи максимального значения изменения емкости, на которое мы можем рассчитывать. Если мы получим изменение только на 3%, ΔT составит 13 тактов, что слишком близко к уровню шума. Одним из способов уменьшения влияния шума является увеличение амплитуды сигнала, и вы можете сделать это за счет уменьшения физического расстояния, разделяющего печатный конденсатор и палец. Однако, часто механическая конструкция ограничена другими факторами, и вы уже больше не можете увеличить уровень сигнала. В этом случае вам необходимо понизить уровень шума, что может быть достигнуто путем усреднения. Например, каждое новое время разряда может сравниваться не с предыдущим временем разряда, а со средним значением последних 4 или 8 или 32 результатов измерений времени разряда. Метод, основанный на сдвиге частоты и описанный выше, автоматически включает усреднение, потому что небольшие изменения около средней частоты не будут существенно влиять на количество подсчитанных циклов в течение периода измерений, который более длительный по сравнению с периодом колебаний.

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

Заключение

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

Оригинал статьи:

Теги

RC генераторДатчикЕмкостной датчик касанияЕмкостьПаразитная емкостьПечатный конденсаторПостоянная времени RC цепи

Сохранить или поделиться

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:

Плоской

земли у меня нет, есть песок, который я насыпал в банку объёмом примерно 300 мл. Доливал воды каждый раз примерно по 15…20 мл.


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.

MLab.org.ua — Изготовление высоковольтного емкостного датчика

Высоковольтный емкостной датчик (далее датчик) – устройство для снятия формы вторичного напряжения системы зажигания и последующей передачи его на один из входов регистрирующего оборудования.

Датчик состоит из держателя, емкостной пластины, которая гальванически соединена с сигнальным проводом, экранированного кабеля и соответствующего разъема для подключения датчика к входу регистрирующего оборудования.

Важно!
Экран кабеля датчика обязательно должен быть соединен с землей регистрирующего оборудования. Экран должен представлять собой плотную металлическую оплетку, вязанную крест на крест без просветов. Чем меньше длина участка сигнального провода кабеля без экрана – тем меньше будет электромагнитных наводок с соседних ВВ проводов.
Снятие формы вторичного напряжения датчиком основано на наличии паразитной емкостной связи, возникающей между токопроводящей жилой ВВ провода и емкостной пластиной датчика.

Из чего следует:

1. Сигнал на выходе датчика будет тем больше чем ближе емкостная пластина к токопроводящей жиле ВВ провода.

2. Влияние электромагнитных наводок с соседних ВВ проводов будет тем меньше чем меньше размер емкостной пластины и чем меньше не экранированный участок сигнального провода.

3. Величина паразитной емкостной связи всегда зависит от ВВ провода (толщины токопроводящей жилы, толщины и диэлектрической проницаемости изоляции) из чего следует, что величина сигнала на выходе датчика будет разной для одного и того же истинного значения вторичного напряжения, т.е. не возможно однозначно установить соответствие 1 В на выходе датчика – 10 КВ во вторичной цепи.

4. Емкостная связь представляет собой дифференцирующую цепочку (ФВЧ) пропускающую высокочастотные колебания (область пробоя), и не пропускающую низкочастотные колебания (область горения), т.е. форма вторичного напряжения на выходе датчика будет искажена.

Сд – емкость между токопроводящей жилой ВВ провода и емкостной пластиной датчика
Rвх – входное сопротивление регистрирующего оборудования
Свх – входная емкость не учитывается, так как она фактически в данном случае ни на что не влияет

На графике красного цвета изображен исходный сигнал (меандр 1 КГц, скважность 10%, амплитуда 1 В)
На графике синего цвета изображен сигнал, полученный на выходе дифференцирующей цепочки


Сигнал с выхода датчика без использования компенсационной емкости

Для устранения искажения формы вторичного напряжения на выходе датчика, необходимо использовать дополнительную компенсационную емкость, которая с емкостью датчик-жила образует емкостной делитель:

Без учета входного сопротивления регистрирующего оборудования, коэффициент передачи емкостного делителя определяется следующим соотношением: Kп = Сд / (Сд + Ск). Как видно из соотношения, чем больше значение емкости Ск тем меньше будет значение напряжения на выходе емкостного делителя. Для идеального емкостного делителя без учета входного сопротивления регистрирующего оборудования Ск можно взять сколь угодно малое, при этом форма сигнала на выходе делителя в точности будет соответствовать форме сигнала на его входе.

При учете входного сопротивления соотношение для определения коэффициента передачи становится гораздо объемнее, но зависимость Kп от Ск остается той же. Входное сопротивление регистрирующего оборудования на прямую не влияет на Kп, оно определяет “степень вносимого искажения”.

При увеличении входного сопротивления искажения формы вторичного напряжения значительно уменьшаются. В большинстве случаев входное сопротивления практических все осциллографов используемых для автодиагностики находится в диапазоне 1 МОм, за исключением специализированных входов предназначенных исключительно для подключения ВВ датчиков. По этому при непосредственном подключении датчика к входу осциллографа (без специализированного адаптера) Rвх также можно принять за константу, и ограничится варьированием только Ск.

Примечание!
Подключение датчика к входу осциллографа просто через резистор 10 МОм приведет к увеличению входного сопротивления и соответственно уменьшению искажения формы вторичного напряжения, но при этом примерно в десять раз уменьшиться коэффициент передачи входного тракта канала. Для увеличения входного сопротивления без уменьшения коэффициента передачи необходимо использовать промежуточный буфер (повторитель – простейший адаптер) с высоким входным сопротивлением и низким выходным сопротивлением.
Для текущих Сд (точно не известно) и Rвх (обычно 1 МОм) значение Ск подбирается исходя из компромисса:
1. Чем меньше Ск тем больше амплитуда напряжения на выходе емкостного делителя
2. Чем больше Ск тем меньше степень искажения формы вторичного напряжения

Практически значение Ск возможно увеличивать до тех пор, пока “амплитуда” напряжения на выходе емкостного делителя будет достаточно выделяться на фоне шума.

Местоположение подключения Ск: в начале кабеля (ближе к емкостной пластине) или в конце кабеля (ближе к входу регистрирующего оборудования) – практически не влияет на форму и амплитуду сигнала с выхода датчика.

На графике красного цвета изображен сигнал, полученный с ВВ датчика и Ск = 3.3 нФ подключенной на входе осциллографа, на графике синего цвета изображен сигнал, полученный с ВВ датчика и Ск = 3.3 нФ подключенной непосредственно возле емкостной пластины. Как видно форма сигналов практически одинакова, а амплитуда различается в пределах разброса номинала используемых емкостей +/- 20%.

Примеры осциллограмм вторичного напряжения снятого одним и тем же датчиком с емкостной пластиной в виде круга диаметром ~10 мм при разных значениях Ск, на стенде с DIS катушки 2112-3705010 (форма вторичного напряжения несколько отличается от привычной из-за разряда на открытом воздухе).


Ск = 470 пФ. Область горения значительно проседает, но амплитуда пробоя достигает 5 Вольт.


Ск = 1.8 нФ. Область горения также значительно проседает, амплитуда пробоя уменьшилась до 2 Вольт.


Ск = 3.3 нФ. Область горения не много проседает, амплитуда пробоя уменьшилась до 1 Вольта.


Ск = 10 нФ. Область горения практически не проседает, но и амплитуда пробоя уменьшилась до 0.4 Вольт.

Как видно при Ск = 10 нФ форма вторичного напряжения практически не искажена, а шум довольно не значительный.

Для сравнения приведены осциллограммы вторичного напряжения снятые с одного и того же ВВ провода без использования адаптера и с использованием специализированного адаптера зажигания.

На графике красного цвета изображен сигнал, полученный с ВВ датчика (Ск = 10 нФ) непосредственно подключенного к входу осциллографа. На графике синего цвета изображен сигнал, полученный с адаптера Постоловского, к которому подключен “родной” ВВ датчик Постоловского.

Как видно форма обеих сигналов практически совпадает, но с адаптера содержащего промежуточные усилители, сигнал имеет в 3 раза большую амплитуду.

Примечание!
Все адаптеры, использующие емкостные датчики искажают форму вторичного напряжения, но при высоком входном сопротивлении и достаточной Ск, вносимое искажение крайне не значительно.

В простейшем случае емкостной съемник это любой металлический предмет расположенный рядом с ВВ проводом, т.е. в роли емкостной пластины могут выступать зажим типа “крокодил”, фольга намотаня на ВВ провод, монетка и т.д.

Практически в качестве высоковольтного емкостного датчика рекомендуется использовать конструкцию, которая удовлетворяет следующим требованием:
1. Высокая степень защиты от пробоя
2. Малая подверженность электромагнитным наводкам от соседних ВВ проводов
3. Удобное конструктивное исполнение для быстрого подключения датчика к ВВ проводу

Примеры конструкции ВВ емкостных датчиков:


Жестяная пластинка 20×70 мм, выгибается, так что бы плотно прижиматься к ВВ проводу.


По сути, та же пластина только в изоляции.


ВВ датчик типа “прищепка”.


ВВ датчик аналогичный одной из конструкций Бош (поставляется по цене $7 / шт).

В качестве примера рассмотрим процесс изготовления ВВ датчика на основании выше приведенной конструкции компании Бош.

Для изготовления датчика необходимо:

1. Выше рассмотренная ручка ВВ датчика.

2. Экранированный кабель 1-3 м. Желательно использовать мягкий микрофонный кабель, так как при эксплуатации он намного удобнее жесткого коаксиального кабеля. Волновое сопротивление кабеля 50 или 75 Ом, значения не имеет, так как все исследуемые сигналы находятся в области низких частот.

3. Разъемы для подключения датчика к осциллографу или адаптеру зажигания BNC-FJ / BNCP / FC-022 Переходник гнездо F / BNC под F-ку (разъем один и тот же только у разных производителей / продавцов он по-разному называется).

BNC-M / FC-001 / RG58 / F разъем

Примечание!
При покупке F разъема и кабеля обращайте внимание на соответствие диаметра кабеля к диметру разъема для накрутки на кабель, иначе либо придется срезать часть изоляции кабеля для уменьшения его диаметра, либо наматывать ленту на кабель для увеличения его диаметра.
4. Сальник / гермоввод / кабельный ввод PG-7 с дюймовой резьбой

5. Емкостная пластина “пятачок” диаметром 9-10 мм

“Пятачок” возможно либо вырезать из жести, либо использовать специальный пробойник (лучше всего использовать пробойник на 8 мм, после развальцовки получится “пятачок” диаметром чуть больше 9 мм):

Также в качестве “пяточка” возможно, использовать подходящие по диаметру канцелярские кнопки.

6. Компенсационная емкость – не полярный (лучше керамический) конденсатор номиналом от 2.2 нФ до 10 нФ на напряжение 50 Вольт (если использовать конденсатор на 1 КВ то в случае пробоя ВВ провода он все равно сгорит). Возможно использовать как выводные конденсаторы так и планарные в корпусе 1206 или 0805.

Порядок изготовления:

1. Удалить изоляцию с экранированного кабеля до оплетки, на участке 12-13 мм. Часть оплетки под снятой изоляцией вывернуть наружу и равномерно расположить вдоль кабеля. С сигнального провода снять изоляцию на участке 10-11 мм и залудить его.

2. Накрутить на кабель F разъем, так что бы он плотно держался на кабеле и хорошо контактировал с частью вывернутой оплетки. При этом сигнальный провод должен выступать на достаточную длину из F разъема для надежного контакта с центральным стержнем разъема BNC-FJ.

3. Накрутить разъем BNC-FJ на F разъем. После чего проверить наличие контакта (прозвонить тестером) между сигнальным проводом и центральным стержнем разъема BNC-FJ, между оплеткой кабеля и экраном разъема BNC-FJ и отсутствие контакта между сигнальным проводом и оплеткой кабеля.

4. Если есть сальник PG-7 то предварительно надеть его на кабель открутив с него гайку.

5. Удалить изоляцию и оплетку с противоположного конца кабеля, на участке 3-5 мм. С сигнального провода снять изоляцию на участке 2-3 мм. Припаять к залуженному сигнальному проводу емкостную пластину.

При необходимости припаять компенсационную емкость между сигнальным проводом и оплеткой.

6. Обмотать участок сигнального провода и припаеную компенсационную емкость изолентой, так что бы емкостная пластина не болталась и была поджата краем изоленты. После чего емкостную пластину обильно смазывать солидолом.

Солидол “улучшает” диэлектрическую проницаемость и устраняет скачки области горения.

На графике красного цвета изображен сигнал, полученный с ВВ датчика (Ск = 3.3 нФ) без солидола. На графике синего цвета изображен сигнал, полученный с ВВ датчика (Ск = 3.3 нФ) с использованием солидола. Без использования солидола область горения иногда “подскакивает” на 20-30%.

7. Надеть ручку ВВ датчика так, что бы емкостная пластина упиралась в дно колпачка датчика. После чего зажать кабель либо с помощью сальника PG-7 либо закрепить изолентой (при этом с датчиком нужно обращаться крайне осторожно, что бы случайно не вырвать кабель из ручки датчика).

В результате должен получится высоковольтный емкостной датчик, который возможно непосредственно подключать к одному из аналоговых (с наличием Ск) или к логическому (без Ск) входов осциллографа.

Диагностика классической системы зажигания с трамблером с помощью 2-х рассматриваемых датчиков…

(PDF) Интерфейсная схема емкостного датчика

33

ССЫЛКИ

1. Соугата Кумар Кар, К.Б. Мрутхью Свами, Банибрата Мукерджи и Сиддхартха Сен,

член, IEEE

, система измерения чувствительности

, интегрированная система измерения емкости

. IEEE ТРАНЗАКЦИИ ПО ПРИБОРАМ

И ИЗМЕРЕНИЯМ, ТОМ. 64, НЕТ. 10 ОКТЯБРЯ 2015.

2.П. Э. АЛЛЕН и Д. Р. ХОЛБЕРГ, CMOS АНАЛОГОВАЯ СХЕМА КОНСТРУКЦИИ, I.S.

Edition, Ed., Oxford: Oxford University Press, 2009.

3.Fan.Q.Makinwa, Huijising, JH, Усилители с емкостной связью

, Springer, ISBN-978-3-319-47390 -1.

4. Исследование усилителя с прерывателем, Лаборатория электротехники, IIT Kanpur B. Razavi, Проект

аналоговой интегральной схемы CMOS, Нью-Дели: Tata McGraw-Hill, 2012.

5.L. Магнелли, Ф. А. Аморозо, Ф. Крупи, Г. Каппучино и Г. Яннакконе, «Дизайн 75-

нВт, 0.5-В подпороговый комплементарный операционный усилитель металл-оксид-полупроводник

, «МЕЖДУНАРОДНЫЙ ЖУРНАЛ ТЕОРИИ ЦЕПЕЙ И ПРИЛОЖЕНИЙ

», онлайн-библиотека Wiley, 2012.

6. Ревертер, Ф., и Касас, О., Взаимодействие дифференциальных емкостных датчиков с микроконтроллерами

: прямой подход, Контрольно-измерительные приборы и измерения, IEEE

Transactions on(99), 1-7.

8.Иорданов, В., Мейер, Г. и Нихтианов, С. (2002), Интерфейс SC для емкостных измерений

с расширенным линейным диапазоном.

9. Фрюлинг, А., Хатер, М., Юнг, Б., и Перулис, Д. (2010), Мониторинг контактов в режиме реального времени

поведение РЧ МЭМС-переключателей с емкостным датчиком КМОП очень малой мощности

интерфейс.

10. Проектирование схемы интерфейса для измерения дифференциальной емкости, Swathi Reddy

A, IIIT Hyderabad, Mtech Thesis.

11. Интерфейсы емкостных датчиков MEMS: можем ли мы решить проблему? Роберт ПУЭРС

KatholiekeUniversiteit Leuven, ESAT-MICAS KasteelparkArenberg 10; 3001 Левен,

Бельгия.

12. Бернхард Э. Бозер, Электроника емкостного интерфейса для датчиков и срабатывания,

Калифорнийский университет, Беркли.

13.Ч. Маджид А., Разали Н., Сулейман М.С. и Аайн А.К. Интерфейс емкостного датчика

Схема, основанная на методе разности фаз.

Емкостной датчик давления МЭМС, монолитно интегрированный со схемой считывания КМОП с использованием пост-КМОП процессов | Micro and Nano Systems Letters

Датчик давления

На рисунке 1 показан вид сверху и поперечное сечение предлагаемого датчика давления с диафрагмой квадратной формы. Электроды для емкостного датчика были образованы слоями алюминия. Верхний электрод поддерживался слоями диоксида кремния и парилена. Когда к мембране сенсора прикладывается внешнее давление, зазор между двумя металлическими электродами уменьшается.Затем давление можно контролировать, измеряя емкость между электродами с помощью встроенной схемы.

Рис. 1

Поперечное сечение и вид сверху предлагаемого датчика давления

Механические свойства материалов, составляющих диафрагму, перечислены в таблице 1. В этой работе целевой диапазон давления составляет около 100–500 кПа, что является общим диапазоном давления для транспортных средств, биомедицинских устройств и некоторых промышленных применений, таких как давление в шинах. мониторинг, измерение артериального давления и пневматическое контрольное оборудование.Для работы датчика в этих диапазонах давления длина стороны квадратной мембраны рассчитана на 56 мкм. Резонансная частота, рассчитанная с учетом этих размеров мембраны, составляет около 1,3 МГц, что достаточно для датчика давления в большинстве приложений [14]. Всего мы разработали 9 конденсаторов, соединенных параллельно, с начальной емкостью 200 фФ.

Таблица 1 Механические свойства материалов, из которых состоит диафрагма

Схема считывания

Схема считывания предлагаемого емкостного датчика давления основана на схеме переключаемых конденсаторов, в которой используются эталонные и измерительные конденсаторы.{ + } }} = \frac {{C_{s}}}{{C_{ref} }} ,$$

(1)

где В в и В + в — входное напряжение на отрицательной и положительной клемме, В + вых и В из — выходной сигнал с положительной и отрицательной выходных клемм, а C с и С — измерительная и эталонная емкости соответственно.

На рис. 3 показана схема всего чипа и схема обработки в увеличенном виде. Эталонный конденсатор, образованный девятью конденсаторами, соединенными параллельно, имеет емкость 128 фФ. Схема обработки состоит из усилителя, тактового генератора и каскада смещения с синфазной обратной связью (CMFB) [7, 13].

Рис. 3

a Макет всей микросхемы и b увеличенный вид каскада схемы обработки

NTNU Open: Цепи интерфейса емкостного датчика

Аннотация
В этой диссертации основное внимание уделяется простым методам измерения емкости, подходящим для интеграции в КМОП-технологии.Основная мотивация: реализовать простые интерфейсы для емкостных датчиков и микросистем для интеграции в приложения с высокой плотностью датчиков, например, в массивы датчиков для ультразвуковой визуализации высокого разрешения. Кроме того, существует множество приложений, в которых высокая точность измерения не является существенной; в таких случаях простая интерфейсная схема может не только сэкономить время на проектирование, но также может обеспечить преимущества по площади и мощности по сравнению с более сложными схемами. Таким образом, одной из основных целей данного исследования является реализация простых топологий схем, которые могут принести пользу таким приложениям.Изюминкой этой диссертации являются два различных типа сенсорных цепей. Первая интерфейсная схема является реализацией токового режима, основным преимуществом которого является возможность получения полностью дифференциального выходного сигнала также от несимметричного датчика с использованием только фиксированного эталонного конденсатора. Схема, прототип которой был изготовлен в коммерческом 0,8-мкм КМОП-процессе, была рассчитана на достижение точности около 0,2% относительно полной шкалы, чего может быть достаточно во многих приложениях. Во втором прототипе метод смещения обратной связи заново открыт для наноразмерных КМОП-технологий.Показано, что некоторые классические ограничения, накладываемые использованием смещения обратной связи в КМОП-схемах, снимаются в нанотехнологиях, а также при использовании полевого МОП-транзистора в качестве резистора обратной связи; можно реализовать чрезвычайно компактные усилители. Такие каскадные усилители CS со смещением обратной связи, разработанные по доступной в продаже КМОП-технологии, обеспечивают коэффициент усиления по напряжению 28 дБ, спектральную плотность мощности выходного шума 0,11 (мкВ )2/Гц на центральной частоте и полное гармоническое искажение — 30 дБ на полном выходе.Эти характеристики приемлемы для применения таких усилителей в качестве входных каскадов CMUT. Благодаря использованию подпороговых МОП-транзисторов в качестве резисторов обратной связи были получены чрезвычайно компактные усилители (размерами всего 20 мкм x 10 мкм). Однако при использовании резистора обратной связи MOSFET на линейность усилителя влияет нелинейность сопротивления MOSFET. Предлагается простое решение, которое устраняет большую часть ухудшения линейности за счет небольшого снижения входного сопротивления. Наблюдалось улучшение линейности в лучшем случае более чем на 100%.Площадь накладных расходов за счет дополнительного устройства очень мала
Имеет детали
Сингх, Таджешвар; Иттердаль, Тронд. Схема интерфейса емкостного датчика с несимметричным на дифференциальный, разработанная по технологии CMOS. В материалах: Международного симпозиума по схемам и системам 2004 г.: 948-951, 2004 г. 10.1109/ISCAS.2004.1328353.

Сингх, Таджешвар; Сетер, Тронд; Иттердаль, Тронд. Схема интерфейса линейного емкостного датчика с односторонним и дифференциальным выходом. Материалы: Конференция NORCHIP 2004.: 32-35, 2004. 10.1109/НОРЧП.2004.1423815.

Сингх, Таджешвар; Сетер, Тронд; Иттердаль, Тронд. Схема интерфейса емкостного датчика токового режима с возможностью преобразования несимметричного в дифференциальный выход. . 58(11): 3914-3920, 2009. 10.1109/TIM.2009.2021241.

Сингх, Таджешвар; Сетер, Тронд; Иттердаль, Тронд. Смещение обратной связи в наноразмерных КМОП-технологиях. ТРАНЗАКЦИИ IEEE В СХЕМАХ И СИСТЕМАХ. II, ЭКСПРЕСС БРИФЫ. (ISSN 1549-7747). 56(5): 349-353, 2009. 10.1109/TCSII.2009.2019162.

Издатель
Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet, факультет информационных технологий, математики и электротехники, Институт электроники и телекоммуникаций

Емкостной сенсорный датчик: изучите электронику с жутким проектом на Хэллоуин

Хэллоуин — отличное время, чтобы приложить свои инженерные способности к работе над интересным проектом. Для этого специального хэллоуинского проекта мы построили жуткую конфетницу, которая загорается, когда ничего не подозревающий шутник протягивает руку.Хотя подобные устройства существуют, многие из них используют сложные датчики приближения, чтобы срабатывать в ловушке. Здесь, в NerdKits, нам нравится делать что-то немного по-другому и облегчать вам выполнение этого проекта в виде проекта «сделай сам». Наш датчик приближения сделан с использованием NerdKit, двух кусков алюминиевой фольги и нескольких скрепок!

Вот несколько фотографий проекта емкостного сенсорного датчика: (щелкните фото, чтобы увеличить)

Фактический датчик, используемый для обнаружения присутствия руки, подробно объясняется в видео, но здесь приведен обзор.Наш датчик работает по тому же принципу, что и емкостный сенсорный датчик на сенсорной панели вашего ноутбука. Эти емкостные сенсорные датчики работают на том основании, что люди в основном состоят из воды. Когда вы приближаетесь к электрическому полю, вы изменяете емкость настолько, чтобы это заметил датчик.

В нашей системе мы установили RC-цепь с конденсатором и резистором параллельно. Мы используем MCU для зарядки конденсатора до 5В (цифровое высокое напряжение). Затем мы превращаем вывод во входной вывод, который, по сути, отключает этот узел.Это позволяет конденсатору разряжаться через резистор. Время, необходимое для разрядки конденсатора, зависит от номинала резистора, умноженного на емкость. Мы выбираем значение резистора достаточно большим, чтобы постоянная времени RC была достаточно большой для измерения с помощью микроконтроллера. В этом случае 100 кОм работали отлично. Датчик в этом случае представляет собой два листа алюминиевой фольги, один из которых подключен к выводу MCU, а другой — к GND. Эти два листа создают конденсатор, который наш микроконтроллер заряжает и разряжает.Когда ваши руки двигаются между двумя листами, это изменяет электрическое поле и, следовательно, емкость нашего приспособления из фольги. Следовательно, конденсатору требуется больше времени для разрядки, и это определяется кодом на нашем микроконтроллере!

Возможно, это можно реализовать с помощью прерывания смены контакта и определения времени, которое требуется для того, чтобы контакт превратился в низкий логический уровень; то есть до тех пор, пока напряжение не упадет достаточно низко, чтобы его можно было считать 0 на выводе. Однако мы выбрали чуть более элегантный подход.Мы используем аналоговый компаратор на чипе. Аналоговый компаратор делает именно то, что обещает его название: он сравнивает два аналоговых напряжения и выдает 0 или 1 в зависимости от того, какое из них выше. Аналоговый компаратор также позволяет указать опорное напряжение для сравнения. Это напряжение является напряжением запрещенной зоны, которое составляет около 1,2 В. Эти 1,2 В достаточно низки, чтобы дать контакту достаточно места для разряда 5 В, прежде чем он изменит выход сравнения. Вы можете делать что угодно с выходом сравнения, но аналоговый компаратор позволяет настроить прерывание, которое срабатывает, когда выход сравнения переключается с низкого на высокий (в нашем случае это когда напряжение на нашем конденсаторе падает ниже 1.2В). Благодаря этому мы можем определить, сколько времени потребуется для падения напряжения, используя простой таймер в обработчике прерываний.

Это еще раз отличный пример нескольких концепций, а также нескольких частей MCU, работающих вместе для получения очень отличного результата. Такие простые вещи, как небольшое изменение емкости, можно измерить, превратив микроконтроллер в генератор и замерив время, необходимое для разрядки.

Емкостные датчики приближения работают, потому что люди в основном состоят из воды, а вода — очень полярная молекула, и ее легко поворачивать, чтобы выровнять с любым приложенным электрическим полем.На самом деле вода имеет «диэлектрическую проницаемость» (диэлектрическую постоянную), которая примерно в 80 раз лучше, чем у воздуха! Когда заданное напряжение прикладывается между двумя пластинами любого конденсатора, между пластинами создается электрическое поле. В области, где есть диэлектрик, электрическое поле на самом деле на 90 183 меньше, чем в воздухе (для воды всего 1/80 напряженности поля), поэтому первое, что вы можете подумать, — это уменьшение емкости. Однако, поскольку приложенное напряжение должно проявляться как произведение электрического поля и расстояния, напряженность электрического поля в недиэлектрических областях фактически существенно возрастает.В целом, энергия, хранящаяся в электрическом поле на единицу объема пространства, связана с квадратом напряженности электрического поля, поэтому в целом накопленная энергия и емкость увеличиваются при введении диэлектрика. Вот несколько эскизов, которые могут помочь: (нажмите, чтобы увеличить)

Дополнительно следует знать, что заземление данной схемы на стеновой заземление или водопроводную трубу и т.п., для ее правильной работы вовсе не требуется. Работает нормально, работает изолированно от аккумулятора.Это потому, что он разработан с учетом обеих сторон конденсатора и представляет собой автономную систему. (Некоторые другие конструкции требуют, чтобы их сенсорная система была электрически заземлена на землю, но это потому, что их конструкции полагаются на это как на одну пластину конденсатора.)

Мы применили этот датчик, чтобы создать жуткий хэллоуинский фонарь из тыквы, глаза которого светятся, когда вы засовываете руку внутрь. Один лист алюминиевой фольги приклеен к внутренней стороне передней панели нашего фонарика Джека и соединен скрепкой и проводом с контактом MCU.Другой лист помещается под домкратом и подключается к земле цепи. Эти два листа составляют конденсатор, а рука между ними будет обнаружена нашим емкостным датчиком приближения. Также имеется резистор 100 кОм между контактом MCU и GND для замыкания RC-цепи.

Мы также используем микроконтроллер для включения светодиодов, которые мы установили на наш фонарь из тыквы (кстати, это то, что удивительно в микроконтроллерах, вы можете считывать датчики и реагировать, делая что-то классное!).Мы используем ШИМ-выход штифта для вывода ШИМ-сигнала, рабочий цикл которого зависит от того, насколько глубоко в чаше находится ваша рука. Обратите внимание, что в этом случае мы подключаем все светодиоды к одному выходу. Микроконтроллер не может генерировать такой большой ток, не вызывая шума в наших аналоговых измерениях, поэтому вместо этого мы используем транзистор 2N7000 для управления включением и выключением светодиодов. Выход вывода ШИМ подключен к затвору, а светодиоды подключены токоограничивающим резистором к транзистору.

Схема этого проекта показана ниже.

В этом проекте мы снова используем в основном компоненты и концепции, которые использовали ранее. Мы просто соединяем их по-новому, чтобы сделать что-то интересное. Мы настроили разные таймеры, один для запуска ШИМ-выхода, а другой используется для отсчета количества тактовых циклов, необходимых для разрядки конденсатора. Для более полного объяснения выводов ШИМ и того, как они работают, ознакомьтесь с нашим руководством по Servo Squirter.

Код также использует аналоговый компаратор для сравнения напряжения на нашем конденсаторе с опорным напряжением.Когда напряжение становится ниже опорного напряжения, мы настраиваем прерывание. Функциональность и конфигурация аналогового компаратора подробно описаны в таблице данных ATMega168, начиная со стр. 243. Взгляните на это техническое описание и сравните его с тем, что мы делаем в функции init_analog_comparator(), чтобы увидеть, как мы настроили наш аналоговый компаратор для запуска прерывания в нужное время.

Сам обработчик прерывания не очень сложен. Он просто меняет контакт на конденсаторе на выходной контакт, чтобы он мог заряжать его до 5 В.Затем он записывает время и устанавливает контакт обратно на входной контакт, чтобы он мог начать позволять падению напряжения. Когда напряжение упадет достаточно низко, прерывание сработает снова. Мы используем прерывание, чтобы вычислить среднее значение его показаний с течением времени, и даем основному циклу только среднее значение по многим выборкам. Посмотрите наше видео «Прерывания: взаимодействие с клавиатурой PS/2», чтобы узнать больше о прерываниях и о том, о чем следует помнить при их использовании.

Основной цикл связан только с правильной установкой значения OCR0B для управления рабочим циклом ШИМ светодиодов.На самом деле это оказывается более сложной вещью, чем вы могли бы ожидать. Вы можете вырезать большую часть этого и по-прежнему иметь работающую систему, но мы используем немного программного обеспечения, чтобы сделать систему более надежной. Основной контур непрерывно регулирует «базовый» уровень, который он ожидает увидеть на таймере падения напряжения. Это делается для учета изменений емкости фольги с течением времени. Для этого мы используем простой фильтр нижних частот, который взвешивает старое значение гораздо больше, чем новое значение, которое он только что видел.

 базовый уровень = средний_таймер*.003 + базовый уровень*.997;
 

Обратите внимание, как мы получаем новое базовое значение, используя крошечную часть текущего значения плюс большую часть старого значения. Эта схема прекрасно работает, за исключением того, что система будет корректировать базовую линию, когда рука слишком долго задерживается в чаше. Чтобы противодействовать этому эффекту, мы отслеживаем большие внезапные всплески показаний емкости (указывающие на человеческую руку) и просто не корректируем базовый уровень какое-то время после этого.Это позволяет базовой линии не изменяться для входящих и выходящих рук, но в конечном итоге она приспосабливается к постоянным изменениям (таким как смятие алюминиевой фольги или изменение уровня конфет).

Последнее, что нам нужно сделать, это использовать немного алгебры, чтобы преобразовать значения времени из обработчика прерывания в число от 0 до 255, чтобы установить выход ШИМ. Наблюдая за ранним прототипом, мы заметили, что между исходным уровнем и состоянием, когда рука находилась в миске, было около 5 % расхождений в зарегистрированных значениях.Мы используем немного математики, чтобы преобразовать значения между базовым уровнем и базовым уровнем + 5% в значения от 0 до 255. Строка 182 нашего кода отвечает за это преобразование.

Помимо нашего USB NerdKit, вам понадобятся:

  • пластиковый фонарь из тыквы (0,99 долл. США в магазине Target)
  • около 2 квадратных футов алюминиевой фольги
  • 2 скрепки
  • 10 красных светодиодов
  • 5 резисторов 680 Ом

Вы можете скачать исходный код здесь.

Указания по применению от Microchip «Емкостные датчики с PIC10F» могут представлять интерес для читателей.

Взгляните на другие видео и проекты микроконтроллеров!

Проектирование печатных плат емкостных сенсорных датчиков в Altium Designer

Захария Петерсон

|&nbsp Создано: 10 ноября 2020 г.

Если вы знакомы с тем, как работают смартфоны и другие устройства с сенсорными экранами, значит, вы уже знакомы с емкостными сенсорными датчиками.Эти датчики делают больше, чем просто позволяют сенсорным экранам отличать пальцы от других объектов. Многие датчики используют емкостные датчики для измерения приближения, смещения, силы, влажности и уровня жидкости. Учитывая количество устройств HMI, которые, по прогнозам, станут востребованными в ближайшем будущем, инженерам нужны инструменты для проектирования и моделирования этих датчиков непосредственно на печатных платах. Altium Designer содержит все функции, необходимые для проектирования печатных плат с емкостными сенсорными датчиками, и многое другое.

АЛЬТИУМ ДИЗАЙНЕР ®

Единственный пакет для проектирования печатных плат с полным набором инструментов для емкостных сенсорных датчиков для проектирования печатных плат и многого другого.

Эпоха Интернета вещей уже наступила, и появляются новые устройства для взаимодействия с окружающей средой и людьми. Этим устройствам требуются массивы датчиков для сбора данных, а также возможности обработки для обработки, хранения и передачи этих данных в облако. Одним из типов датчиков с широкими функциональными возможностями являются емкостные датчики, которые преобразуют изменение емкости и результирующий ток при зарядке или разрядке в цифровой сигнал.

Когда дело доходит до дизайна печатной платы с емкостным сенсорным экраном, дизайн и компоновка печатной платы играют решающую роль в определении производительности сенсора устройства.Правильная компоновка вашего сенсора может максимально увеличить чувствительность сенсора и снизить паразитную емкость, что помогает максимизировать отношение сигнал/шум в этих устройствах. Используя правильные инструменты проектирования, вы можете легко интегрировать емкостные сенсорные датчики в свою следующую печатную плату.

Разработка емкостного сенсорного датчика на печатной плате требует определения того, будете ли вы использовать изменения собственной емкости или взаимной емкости чувствительного элемента. Сенсорным датчиком можно легко управлять с помощью MCU.Самоемкостному датчику требуется только один входной контакт (Rx), который будет использоваться для приема сигнала от датчика касания, в то время как датчик взаимной емкости использует контакты Tx и Rx для приема сигнала от датчика.

Если вы не используете имеющийся в продаже емкостный сенсорный датчик, вам потребуется напечатать проводники для вашего датчика непосредственно на плате. Затем вам нужно будет соединить ваши проводники с непрерывным заземляющим слоем, который проходит под каждым проводником. С взаимным емкостным сенсорным датчиком вам нужно будет отправить поток битов от вывода Tx к одному проводнику, а другой проводник остается плавающим, пока он подключен к выводу Rx.С емкостным датчиком касания вам нужно беспокоиться только о подключении контакта Rx к проводнику.

Печать сенсорных элементов с помощью инструментов САПР

Правильные инструменты САПР в программном обеспечении для проектирования печатных плат позволят вам выполнить две важные задачи при проектировании емкостных сенсорных датчиков. Во-первых, вы можете точно определить размер и расположение проводников, необходимых для вашего датчика. Во-вторых, вы можете получить доступ к 3D-модели диэлектрической крышки сенсорного датчика и разместить ее непосредственно на датчике.

Это всего лишь несколько примеров массивов проводников, которые можно создать с помощью инструментов САПР в Altium Designer

.

Емкостной сенсорный датчик можно использовать для ряда приложений. В дополнение к датчику прямого контакта между человеческим пальцем и диэлектриком, емкостный сенсорный датчик может быть сконфигурирован для определения близости без прямого контакта с датчиком. Эти датчики также могут быть разработаны для измерения точного положения пальца на датчике.С некоторыми дополнительными вычислениями в MCU этот же массив можно настроить для обнаружения движения по датчику. Если важно избежать помех от воды, вам лучше использовать взаимный емкостный сенсорный датчик.

Разработка емкостных сенсорных приложений

Так же, как датчик, который измеряет прямой статический контакт с человеческим пальцем, программное обеспечение для проектирования печатных плат для емкостных сенсорных датчиков нуждается в точных инструментах САПР, которые не ограничивают схему проводника определенной геометрией.Имея подходящие библиотеки компонентов, вы можете легко добавлять модели вспомогательной электроники на печатную плату и разрабатывать законченное емкостное сенсорное решение.

Доступ к компонентам в унифицированных библиотеках компонентов

Сенсорные датчики — обманчиво простые элементы, но для их проектирования требуются правильные инструменты САПР и компоновки. Ваши инструменты САПР должны позволять вам определять заливку меди в любой геометрии, которую вы можете себе представить, и вам понадобится менеджер стека слоев, чтобы размещать плоскости заземления и питания в нужных местах в стеке слоев.С Altium Designer у вас будет доступ ко всем этим функциям проектирования и многим другим в единой среде проектирования.

Используйте Altium Designer для вашей следующей платы емкостного сенсорного датчика

Altium Designer содержит важные инструменты, необходимые для проектирования печатных плат емкостных сенсорных датчиков, а также многие другие инструменты, помогающие интегрировать эти датчики с другими компонентами. Это программное обеспечение для проектирования включает в себя полную иерархию проектирования, которая стандартизирует ваши проектные данные и помогает беспрепятственно перейти к производству в рамках единой среды проектирования.Никакое другое программное обеспечение для проектирования не предлагает такого уровня интеграции.

Другим платформам для проектирования не хватает функций, необходимых для разработки емкостных сенсорных датчиков непосредственно на печатной плате. Вместо этого вы будете ограничены функциональностью имеющихся в продаже датчиков, а другие программы могут не включать модели для этих компонентов. Вместо этого вам нужно работать с единственным интегрированным программным обеспечением для проектирования, которое включает поддержку огромного количества компонентов и интегрирует все ваши важные инструменты проектирования в единую программу.

При выборе Altium Designer у вас всегда будет доступ к ресурсам, необходимым для успешного проектирования. От форума AltiumLive до подкастов и обширной базы знаний — у вас будет множество ресурсов, которые помогут вам добиться успеха в проектировании. Пришло время перейти на лучшую платформу для проектирования печатных плат на рынке. Пришло время попробовать Altium Designer.

Введение в емкостный датчик

Введение в емкостный датчик

Что такое емкостный датчик?

Емкостный датчик — это датчик приближения, который обнаруживает близлежащие объекты. своим влиянием на электрическое поле, создаваемое датчик.Простые емкостные датчики были доступны на рынке в течение многих лет и нашли свою нишу в обнаружение неметаллических объектов, но ограничено короткими дистанциями, обычно менее 1 см.

Емкостные датчики имеют некоторое сходство с радарами в их способности обнаруживать проводящие материалы, видя сквозь изоляционные материалы например, дерево или пластик. На практике отличия значительный; По сравнению с радаром, емкостные датчики:

  • Проще, поэтому потенциально меньше, дешевле и дешевле жадный до власти.
  • Датчики приближения, а не датчики дальности. Они делают нет дают прямую индикацию того, как далеко находится обнаруженный объект. А более удаленная сильная цель может давать такой же ответ, как и ближайшая слабая цель.
  • Ненаправленные и с малым радиусом действия.
При использовании для обнаружения объектов вокруг транспортного средства некоторые из недостатки емкостного датчика менее проблематичны. А практичная система имеет множество датчиков, регулярно расположенных снаружи транспортного средства.Это означает, что всегда есть датчик рядом, так что большой дальности не требуется, и объекты можно приблизительно локализовать с помощью в каком датчике они обнаружены. Ненаправленный отклик на самом деле желательно, так как он может обнаруживать объекты, которые находятся между датчиками, но очень близко к машине.

Что он может обнаружить?

Из-за своей ненаправленности емкостной датчик измеряет некоторые емкость от объектов в окружающей среде, которые всегда присутствуют и поэтому не интересны. При установке на автомобиль, датчик определяет сам автомобиль и землю.Неизвестный объекты обнаруживаются по мере увеличения этого фона емкость.

Коммерческие емкостные датчики обычно работают на расстоянии 1 см или меньше. В этих диапазонах емкость объекта приближается к фоновой емкости. Однако на 1 м. изменение емкости на порядки меньше, и намного меньше чем фоновая емкость. необходимо определить какие эта фоновая емкость такова, что ее можно вычесть из измерение.

Поскольку фоновая емкость велика по сравнению с емкость объекта, а также подвержен дрейфу, гораздо проще использовать датчик для обнаружения изменений в окружающей среде, чем для обнаружения абсолютное присутствие или отсутствие неизвестного объекта.Количество изменение фоновой емкости зависит от того, насколько стабильна среда является. В относительно плохо контролируемой среде, такой как вне автомобиля, обнаружение абсолютного присутствия человека вероятно, ограничено 30 см или меньше.

В этом режиме детектора изменений датчик не столько присутствие детектор как датчик изменения присутствия, что-то вроде пассивный инфракрасный датчик движения (PIR.)   Однако из-за его емкостный датчик движения может быть использован в ситуации, когда ИК-детектор будет ложно реагировать на очевидные фон меняется.Это верно в предлагаемом автомобиле применение безопасности, когда движение транспортного средства вызывает изменения в тепловой фон.

Спектр распространения:

Концепция работы с расширенным спектром широко используется в современных системы связи, потому что она имеет многочисленные преимущества перед традиционные узкополосные системы связи. Подход здесь обсуждается прямо спектр расширения последовательности, где код псевдослучайного шума (PN) передается, а затем наличие кода обнаруживается корреляция между принятым сигналом и известным кодом последовательность. Применение расширенного спектра прямой последовательности к емкостным датчикам особенно просто, потому что передатчик и приемник расположены в одном и том же месте, поэтому синхронизация кода передачи и приема тривиальный.

Есть отличный много хорошего вводного материала в Интернете, который я не буду дубликат. Вот несколько ссылок: Азбука распространения Спектр, Распространение Спектр (СС) — Введение, Распространение Спектральные методы.

Ключевым свойством системы с расширенным спектром является усиление обработки, что является мерой того, насколько широк спектр.Обработка усиление — отношение ширины полосы занимаемого спектра расширенного сигнала к фактической полосе пропускания сигнала. В радиочастотных системах связи, прирост обработки от 10 до 1000 является типичным. В этой системе в полоса пропускания демодулятора составляет примерно 100 кГц, а на выходе полоса пропускания составляет 1,5 Гц, поэтому усиление обработки составляет 67 0000, или 96 дБ.

Для емкостных датчиков расширение спектра имеет три основных преимущества:

  1. Существенная невосприимчивость к узкополосным мешающим сигналам.Любой узкополосный сигнал ослабляется усилением обработки, 96 дБ. В узкополосный датчик, узкополосный источник помех, который попадает в полоса пропускания вообще не затухает.
  2. Автоматическое распределение пропускной способности между несколькими пользователями без координация, необходимая для распределения каналов. В частности, датчик с расширенным спектром может работать в присутствии другие аналогичные датчики с расширенным спектром, не требующие настройки на отдельные частоты.
  3. Очень узкие и резкие эффективные полосы пропускания могут быть легко достигается использованием только низкочастотного фильтра нижних частот на выходе демодулятор.Это повышает технологичность, поскольку узкополосный ВЧ-фильтры не требуются. Вся цепь может быть изготовлен на одном чипе. (Это преимущество синхронного демодуляция или обработка основной полосы частот, а не расширение спектра per se.)


Моя домашняя страница | Вверх | Следующий | электронная почта

Емкостный датчик и преобразователь и их применение

Что такое емкостный датчик и его применение

Что такое конденсатор?

Конденсатор представляет собой электрический компонент, используемый для накопления энергии и, следовательно, используемый при проектировании схем.Они хранят электроны. Конденсаторы также называют конденсатором. Его можно найти в различных диапазонах значений. Конденсатор имеет два вывода и действует как пассивный элемент.

Конденсатор имеет две пластины из проводника с диэлектрической средой, расположенной между пластинами. Один конец вывода конденсатора накапливает положительную энергию, а другой вывод накапливает отрицательную энергию. Конденсатор начинает заряжаться, когда к нему добавляется электрическая энергия, и разряжается, когда энергия перестает поступать в конденсатор.Итак, это означает, что когда конденсатор накапливает ток, он заряжается, а конденсатор начинает разряжаться, когда ток разряжается. Электрический ток, хранящийся в конденсаторе, выражается в фарадах.

Модель конденсатора

Конструкция конденсатора

Емкостные преобразователи:

Емкостной преобразователь используется для измерения смещения, давления и многих других физических величин. Он действует как пассивный преобразователь, поэтому не требует внешнего источника питания.Как обсуждалось выше, емкостной 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:

При зарядке конденсатора ни на одной из пластин не будет заряда. Это приводит к нулевой напряженности электрического поля между двумя пластинами.

Q = резюме

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. В емкостных преобразователях значение емкости является переменным. Емкостный преобразователь в основном используется для измерения линейного перемещения. Емкостный преобразователь использует следующие три эффекта.

  • Изменение емкости преобразователя из-за изменения площади пластин конденсатора. → А
  • Изменение емкости из-за изменения расстояний между пластинами → d
  • Емкость изменяется из-за диэлектрической проницаемости. → ε

Емкость представляет собой отношение количества энергии, хранящейся на одной из пластин, к уровню напряжения на конденсаторе. Емкость прямо пропорциональна площади пластины и обратно пропорциональна их диапазону.

ε является константой пропорциональности и называется диэлектрической проницаемостью материала, разделяющего пластины конденсатора

.

При использовании изоляционного материала емкость указывается как

.

Где

  • ε 0  это диэлектрическая проницаемость свободного пространства (8,85 x 10 -12 Ф/м)
  • εr — диэлектрическая проницаемость изоляционной среды (εr=1 для воздуха)
  • А — площадь плиты (м 2 )
  • d — расстояние между двумя пластинами (м)

Связанная статья: Типы резистивных датчиков — преобразователь, потенциометр и тензодатчик

Измерение смещения с помощью емкостного датчика

Для измерения смещения с помощью емкостного датчика

можно использовать следующие методы.
Преобразователь, использующий изменение площади пластин

Следующее уравнение показывает, что емкость прямо пропорциональна площади пластины.Емкость соответственно смещается в положении пластин. Емкостные преобразователи используются для измерения большого смещения от 1 мм до нескольких см. Емкость и смещение области емкостного преобразователя изменяются линейно. Изначально из-за ребер в схеме возникает нелинейность. В противном случае будет дан линейный ответ.

Емкость параллельных пластин определяется как

  • Где x — длина пластин конденсатора
  • W = ширина пластин

Чувствительность смещения постоянна, поэтому она дает линейную зависимость между емкостью и смещением.

Емкостной преобразователь для измерения углового смещения

Когда пластины полностью перекрывают друг друга, емкость будет максимальной. 180 градусов — это максимальное смещение, которое может создать 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 преобразователя неподвижна, а другая подвижна. Измеряемое смещение связано с подвижными пластинами. Емкость обратно пропорциональна расстоянию из-за нелинейного отклика конденсатора. Датчик такого типа используется для измерения малых перемещений

Емкость указана как

Применение емкостных датчиков
Емкостной датчик влажности

Датчик влажности (или гигрометр) определяет, измеряет и регистрирует температуру влажности и воздуха.Отношение влажности воздуха при определенной температуре воздуха к наибольшей влажности называется относительной влажностью. При поиске удобства относительная влажность становится важной 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, простой емкостный датчик относительной влажности можно изготовить из конденсатора, заполненного воздухом.Однако воздух как диэлектрик непригоден для практического применения. Поэтому пространство между пластинами конденсатора обычно заполняется подходящим диэлектрическим материалом (изолятором), диэлектрическая проницаемость которого меняется при изменении влажности. Использование гигроскопической полимерной пленки в качестве диэлектрика и нанесение двух слоев электродов на каждую сторону является распространенным подходом к созданию емкостного датчика относительной влажности.

Емкостные датчики перемещения Емкостные датчики перемещения

используются в качестве эталонной системы для других датчиков расстояния для измерения расстояния при низкой температуре.Другие типичные области применения включают испытания на допуск в массовом производстве, измерение вибрации, измерение деформации, измерение толщины и контроль толщины тонкой металлической фольги, измерение толщины пластиковой фольги в процессе производства, гибку пластин при производстве полупроводников и многое другое.

Измерительный тормозной диск

Тормозные диски транспортных средств подвергаются очень сильным кратковременным нагрузкам . Механическое истирание и сильное нагревание тормозного диска оказывают значительное влияние на микроструктуру тормозного диска.Используемый материал должен выдерживать эти нагрузки как можно дольше без изменения своей микроструктуры. При повторном приложении нагрузки мелкие трещины приводят к поломке и представляют опасность для автомобиля. Емкостные датчики используются для измерения деформации тормозного диска. Очень немногие датчики подходят для работы вблизи объекта измерения из-за повышенного роста температуры. Емкостные датчики обнаруживают изменения в нанометровом диапазоне и оценивают износ тормозов.

Емкостные преобразователи – динамические измерения на турбинах или двигателях

Центробежные силы, действующие на лопатки турбин в турбинах, приводят к тому, что лопатки расширяются.Важно, чтобы в конструкции и конструкции лопаток турбины не возникало дисбалансов, разбалансирующих систему. Емкостные преобразователи обнаруживают изменения диапазона манометра и предоставляют важную информацию для оценки FEM.

Измерение толщины

Обычное применение емкостных детекторов — бесконтактное измерение толщины материала. Двухканальная дифференциальная система является наиболее полезным приложением, в котором для каждой стороны измеряемой детали используется отдельный датчик.Технология емкостных датчиков используется для измерения толщины в следующих приложениях: толщина кремниевой пластины, толщина тормозного ротора и толщина дискового диска

Проверка сборки

Емкостные датчики гораздо более чувствительны к драйверам, чем диэлектрики. Таким образом, их можно использовать в готовых сборках для определения наличия/отсутствия металлических узлов. Примером может служить установка соединителя, для которой требуется внутреннее металлическое стопорное кольцо, которое не видно при окончательной сборке.Емкостное считывание в режиме онлайн может обнаруживать неисправную часть и сигнализировать об этом от линии к системе.

Публикация по теме: PIR — схема инфракрасного детектора движения, работа и применение

Преимущества и недостатки емкостных датчиков

Преимущества емкостных датчиков

  • Для работы требуется внешняя сила, поэтому он очень удобен для крошечных устройств.
  • Емкостный преобразователь очень нежный.
  • Обеспечивает хорошую частотную характеристику для динамических исследований.
  • Преобразователь имеет высокий входной импеданс и, следовательно, имеет небольшой эффект нагрузки.
  • Требуется очень минимальная выходная мощность

Недостатки емкостных датчиков

  • Металлические компоненты преобразователя имеют изоляцию.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.