Bezkontaktowe czujniki pojemnościowe. Encyklopedia elektroniki radiowej i elektrotechniki

Encyklopedia radioelektroniki i elektrotechniki / Projektant radioamatorów

 Komentarze do artykułu

Czujniki pojemnościowe reagują na szeroką gamę substancji – stałych i płynnych, metali i dielektryków. Służą np. do bezkontaktowego sterowania napełnianiem zbiorników płynami i materiałami sypkimi, pozycjonowania i liczenia różnych obiektów oraz zabezpieczania obiektów. W proponowanym artykule opisano zasadę działania czujników bezkontaktowych, podano schematy odpowiednie do praktycznego wdrożenia i zastosowania Produkowane przez wiele firm krajowych i zagranicznych czujniki bezstykowe [1, 2] działają na zasadzie „kondensatora”, reagując na zmianę względnej przenikalności elektrycznej otoczenia spowodowaną pojawieniem się ciała obcego w strefie wrażliwej. Typowy czujnik o średnicy powierzchni czułej 60 mm ustawia „cel standardowy” (określenie według [40]) w odległości 3 mm.

Elementem czułym bezkontaktowego czujnika pojemnościowego jest kondensator z okładkami rozmieszczonymi w jednej płaszczyźnie, jak pokazano na rys. 1.

W zależności od obecności lub braku ciała obcego zmienia się średnia przenikalność elektryczna otaczającej płytki ośrodka, aw konsekwencji pojemność kondensatora. Ten ostatni służy jako element nastawczy częstotliwości oscylatora. Urządzenie progowe obecne w czujniku monitoruje amplitudę lub częstotliwość oscylacji, gdy się zmieniają, uruchamiając jednostkę uruchamiającą.

W wielu czujnikach pojemnościowych częstotliwość oscylatora jest wybierana na kilka megaherców. Generatory zbudowane są na dyskretnych tranzystorach, których liczba sięga pięciu. Jednak generator, który jest wystarczająco czuły na zmiany pojemności i pracuje z częstotliwościami setek kiloherców, można zbudować tylko na jednym wzmacniaczu operacyjnym klasy średniej.

Klasyczny schemat generatora prostokątnych impulsów na wzmacniaczu operacyjnym, pokazany na ryc. 2.

Jego szczegółowy opis i obliczenia podano w [4]. Jeśli wzmacniacz operacyjny DA1 jest idealny, częstotliwość oscylacji jest odwrotnie proporcjonalna do pojemności kondensatora C1 (elementu czujnikowego czujnika), a ich amplituda pozostaje niezmieniona. W rzeczywistości, wraz ze spadkiem pojemności i wzrostem częstotliwości, przychodzi moment, w którym z powodu bezwładności właściwej rzeczywistemu wzmacniaczowi operacyjnemu warunki samowzbudzenia generatora przestają być spełnione, a oscylacje załamują się.

Pozostaje zadbać o to, aby generator działał w obecności ciała obcego w strefie czułości, a po jego usunięciu (co jest równoznaczne ze spadkiem pojemności kondensatora) już nie istniał. Ten tryb ma pewne zalety w stosunku do znanych, gdy generator pracuje w sposób ciągły [5, 6] lub tylko przy braku ciała obcego [7, 8].

Pomysł został przetestowany poprzez symulację generatora za pomocą programu ELECTRONIC WORKBENCH. Z biblioteki standardowych elementów programu jako model wybrano OS HA2502. Wartości rezystorów wynosiły: R1 - 330 kOhm, R2 - 1 kOhm, R3 - 2 kOhm. Oscylacje delikatnie powstawały i zanikały, gdy pojemność kondensatora C1 zmieniała się z 11 na 12 pF i odwrotnie. Z dużą dozą pewności można stwierdzić, że jest to wystarczające do niezawodnej pracy czujnika pojemnościowego. Następnie wniosek został potwierdzony przez przetestowanie rzeczywistych konstrukcji.

Element czuły czujnika wykonano z jednostronnie foliowanego materiału izolacyjnego, na którym pozostawiono dwa prostokątne odcinki folii o wymiarach 70x50 mm, przylegające do siebie krótkimi bokami z odstępem 2 mm. Pojemność utworzonego w ten sposób „nieopakowanego kondensatora” wynosi około 5 pF. Długość przewodów łączących płytki kondensatora z generatorem musi być minimalna, nie większa niż 50 mm.

Praktyczny obwód generatora na jednym z dwóch wzmacniaczy operacyjnych układu KR157UD2 pokazano na ryc. 3.

Ponieważ mikroukład jest zasilany z jednego źródła, polaryzacja równa połowie napięcia zasilania jest przykładana do nieodwracającego wejścia wzmacniacza operacyjnego za pomocą dzielnika rezystancyjnego R3R4. Obwód zadawania częstotliwości jest utworzony przez rezystor R2 i pojemność elementu czujnikowego E1. Rezystor R1 służy do ochrony wejścia wzmacniacza operacyjnego przed zakłóceniami i zakłóceniami, które mogą wyłączyć wzmacniacz operacyjny.

Należy zwrócić uwagę na ważną rolę kondensatora C1, który koryguje odpowiedź częstotliwościową wzmacniacza operacyjnego. „Punkt pracy” generatora na zboczu odpowiedzi częstotliwościowej zależy od pojemności tego kondensatora. Testowano dwie opcje: C1=12 pF, R5=180 kOhm (częstotliwość 200 kHz) oraz C1=6,8 pF, R5=1 MΩ (częstotliwość 500 kHz). W obu przypadkach, regulując rezystor R2, udało się osiągnąć wzbudzenie generatora, gdy obcy przedmiot zbliżył się do czułego elementu. Regulację najlepiej wykonać długim śrubokrętem wykonanym z materiału izolacyjnego.

Podczas testów czujnik „wyczuwał” ludzką dłoń lub zbiornik z wodą z odległości kilku centymetrów. Z mniejszej odległości można było znaleźć drewniany klocek, pusty szklany słoik, a nawet gumkę ucznia.

Obwód generatora na chipie K1407UD1 pokazano na ryc. 4.

Jego właściwości są w przybliżeniu takie same jak te omówione powyżej. Ponieważ zastosowany wzmacniacz operacyjny nie posiada pinów do podłączenia obwodów korekcyjnych, jego wydajność jest obniżana przez sprzężenie zwrotne przez obwód R3C1. Ponadto, podobnie jak rezystor R1 w poprzednim urządzeniu (patrz ryc. 3), rezystor R3 chroni wejście wzmacniacza operacyjnego przed zakłóceniami. Częstotliwość robocza generatora wynosi około 100 kHz.

na ryc. 5 przedstawia schemat czujnika bezdotykowego na mikroukładzie KR157DA1 [9].

W przeciwieństwie do poprzednio rozważanych (patrz ryc. 3 i 4), w generatorze czujników nie był wymagany żaden dodatkowy system operacyjny, ponieważ własna przepustowość wzmacniacza operacyjnego DA1.1 jest dość wąska. Jednak w celu uzyskania niezawodnej pracy konieczne było wprowadzenie układu R6C1. Rezystor R1 - ochronny.

Częstotliwość oscylacji generatora na wzmacniaczu operacyjnym DA1.1 wynosi 20 kHz przy R5=10 kOhm i 80 kHz przy R5=100 kOhm. W przypadku braku obiektu w obszarze wrażliwym generator nie działa, dioda HL1 nie świeci. Dzięki temu urządzenie jest bardziej ekonomiczne w porównaniu np. z opisanym w [8]. Z drugiego wyjścia detektora DA1.2, którego obciążeniem jest obwód R7C2, sygnał podawany jest na wejście urządzenia progowego - wzmacniacza operacyjnego DA1.3. Na jego wyjściu (pin 7 układu DA1), gdy czujnik zostanie wyzwolony, niski poziom napięcia zostanie zastąpiony wysokim.

W przypadku braku obiektu zewnętrznego generatory czujników pojemnościowych, w tym rozważany, czasami emitują krótkotrwałe „błyski” oscylacji, które następują z częstotliwością 100 Hz. Jest to prawdopodobnie wynikiem zakłóceń w sieci. Cykl pracy „błysków” jest dość wysoki, a układ inercyjny R7C2 je osłabia, uniemożliwiając osiągnięcie poziomu wyzwalania DA1.3.

Jak wykazał test, wskazane wcześniej wymiary elementu czujnikowego E1 można zmniejszyć. Na przykład urządzenie na chipie K1407UD1 (patrz ryc. 4) działało również z płytkami o wymiarach 30x6 mm, a aby utrzymać stałą czasową obwodu sprzężenia zwrotnego, wartość rezystora zmiennego R5 musiała zostać zwiększona do 560 kOhm. Czułość czujnika pozostała całkiem zadowalająca.

Możliwe było zwiększenie rozmiaru strefy wrażliwej poprzez rozsunięcie okładek kondensatora lub całkowite usunięcie tej, która jest podłączona do wspólnego przewodu. W tym drugim przypadku rola zdalnej okładziny przechodzi na najczęściej spotykany przewód i podłączone do niego elementy. Po odpowiednim dostrojeniu rezystorem strojenia R5, generator wzbudzał się przy zbliżeniu pozostałej okładziny dłoni na odległość 100 mm lub drewnianego klocka na odległość 30 mm. Zauważalnie jednak wzrosła amplituda „błysków” o częstotliwości 100 Hz.

literatura

1. Czujniki zbliżeniowe firmy TURCK. Katalog czujników bezdotykowych (przełączników) firmy TURCK (Niemcy).
2. Technik czujników BALLUFF. Katalog czujników bezdotykowych (przełączników) firmy BALLUFF (Niemcy).
3. GOST R 50030.5.2-99 (IEC 60947-5-2) Urządzenia do dystrybucji i sterowania niskim napięciem. Część 5.2. Aparatura i elementy przełączające obwodów sterowania. Czujniki bezdotykowe.
4. Frolkin V., Popov L. Urządzenia impulsowe. - M.: Radio radzieckie, 1980.
5. Nieczajew I. Przekaźnik pojemnościowy. - Radio, 1988, nr 1, s. 33.
6. Nechaev I. Przekaźnik pojemnościowy. - Radio, 1992, nr 9, s. 48.
7. Urządzenie alarmowe przy zbliżaniu się do obiektu. - Radio, 1999, nr 5, s. 40.
8. Moskvin A. Watchdog z czujnikiem pojemnościowym. - Radio, 2001, nr 8, s. 35, 36.
9. Ataev D., Bolotnikov V. Analogowe układy scalone do sprzętu gospodarstwa domowego. Informator. - M.: PKF "Drukarnia", 1992.

Autor: A. Moskwin, Jekaterynburg

Zobacz inne artykuły Sekcja Projektant radioamatorów.

Czytaj i pisz przydatne komentarze do tego artykułu.

<< Wstecz

Najnowsze wiadomości o nauce i technologii, nowa elektronika:

Hałas drogowy opóźnia rozwój piskląt 06.05.2024

Dźwięki, które otaczają nas we współczesnych miastach, stają się coraz bardziej przeszywające. Jednak niewiele osób myśli o tym, jak ten hałas wpływa na świat zwierząt, zwłaszcza na tak delikatne stworzenia, jak pisklęta, które nie wykluły się jeszcze z jaj. Najnowsze badania rzucają światło na tę kwestię, wskazując na poważne konsekwencje dla ich rozwoju i przetrwania. Naukowcy odkryli, że narażenie piskląt zebry rombowatej na hałas uliczny może spowodować poważne zakłócenia w ich rozwoju. Eksperymenty wykazały, że zanieczyszczenie hałasem może znacznie opóźnić wykluwanie się piskląt, a pisklęta, które się wykluwają, borykają się z szeregiem problemów zdrowotnych. Naukowcy odkryli również, że negatywne skutki zanieczyszczenia hałasem rozciągają się na dorosłe ptaki. Zmniejszone szanse na rozrodczość i zmniejszona płodność wskazują na długoterminowe skutki, jakie hałas drogowy wywiera na dziką przyrodę. Wyniki badania podkreślają taką potrzebę ... >>

Bezprzewodowy głośnik Samsung Music Frame HW-LS60D 06.05.2024

W świecie nowoczesnych technologii audio producenci dążą nie tylko do nienagannej jakości dźwięku, ale także do łączenia funkcjonalności z estetyką. Jednym z najnowszych innowacyjnych kroków w tym kierunku jest nowy bezprzewodowy system głośników Samsung Music Frame HW-LS60D, zaprezentowany podczas wydarzenia World of Samsung 2024. Samsung HW-LS60D to coś więcej niż tylko system głośników, to sztuka dźwięku w stylu ramki. Połączenie 6-głośnikowego systemu z obsługą Dolby Atmos i stylowej konstrukcji ramki na zdjęcia sprawia, że ​​produkt ten będzie idealnym dodatkiem do każdego wnętrza. Nowa ramka Samsung Music Frame jest wyposażona w zaawansowane technologie, w tym Adaptive Audio zapewniający wyraźne dialogi na każdym poziomie głośności oraz automatyczną optymalizację pomieszczenia w celu uzyskania bogatej reprodukcji dźwięku. Dzięki obsłudze połączeń Spotify, Tidal Hi-Fi i Bluetooth 5.2, a także integracji inteligentnego asystenta, ten głośnik jest gotowy, aby zaspokoić Twoje ... >>

Nowy sposób kontrolowania i manipulowania sygnałami optycznymi 05.05.2024

Współczesny świat nauki i technologii rozwija się dynamicznie i każdego dnia pojawiają się nowe metody i technologie, które otwierają przed nami nowe perspektywy w różnych dziedzinach. Jedną z takich innowacji jest opracowanie przez niemieckich naukowców nowego sposobu sterowania sygnałami optycznymi, co może doprowadzić do znacznego postępu w dziedzinie fotoniki. Niedawne badania pozwoliły niemieckim naukowcom stworzyć przestrajalną płytkę falową wewnątrz falowodu ze stopionej krzemionki. Metoda ta, bazująca na zastosowaniu warstwy ciekłokrystalicznej, pozwala na efektywną zmianę polaryzacji światła przechodzącego przez falowód. Ten przełom technologiczny otwiera nowe perspektywy rozwoju kompaktowych i wydajnych urządzeń fotonicznych zdolnych do przetwarzania dużych ilości danych. Elektrooptyczna kontrola polaryzacji zapewniona dzięki nowej metodzie może stanowić podstawę dla nowej klasy zintegrowanych urządzeń fotonicznych. Otwiera to ogromne możliwości dla ... >>

Przypadkowe wiadomości z Archiwum Muzyka w tle zakłóca kreatywność 19.03.2021 Muzyka w tle, wbrew powszechnemu przekonaniu, nie poprawia, ale pogarsza zdolności twórcze danej osoby. Do takiego wniosku doszli naukowcy ze Szwecji i Wielkiej Brytanii. Poprosili uczestników badania o wykonanie serii zadań słowami, które wymagały kreatywnego podejścia. Jak się okazało, muzyka w tle znacznie osłabiła zdolności werbalne ludzi. Nie miało znaczenia, czy uczestnikom podobała się muzyka, ani jakich gatunków słuchali. Jednocześnie badacze odkryli, że w bibliotece, w której występuje również hałas w tle, uczestnicy eksperymentu radzili sobie z zadaniami twórczymi, jak również w całkowitej ciszy. Znany psycholog John Marsh twierdzi, że można to wytłumaczyć faktem, że hałas w tle w bibliotece jest stabilny i nie zmienia się, co oznacza, że ​​nie przeszkadza zbytnio.

Inne ciekawe wiadomości:

▪ Korzyści ze spania w godzinach pracy

▪ Latające Obserwatorium Słoneczne

▪ kosmiczna gaśnica,

▪ Silnik elektryczny BMW 5. generacji bez magnesów ziem rzadkich

▪ Rzym jest starszy

Wiadomości o nauce i technologii, nowa elektronika

Ciekawe materiały z bezpłatnej biblioteki technicznej:

▪ sekcja serwisu Alternatywne źródła energii. Wybór artykułów

▪ artykuł Zamiast łańcuchów chłopów pańszczyźnianych ludzie wymyślili wiele innych. Popularne wyrażenie

▪ Jak daleko rozciąga się przestrzeń? Szczegółowa odpowiedź

▪ artykuł Operator pralek. Standardowe instrukcje dotyczące ochrony pracy

▪ artykuł Farby emaliowe. Proste przepisy i porady

▪ artykuł Ładowarka cyfrowa. Encyklopedia elektroniki radiowej i elektrotechniki

Zostaw swój komentarz do tego artykułu:

Wszystkie języki tej strony

Arabic	Hebrew	Polish
Bengali	Hindi	Portuguese
Chinese	Italian	Spanish
English	Japanese	Turkish
French	Korean	Ukrainian
German	Malay	Vietnamese

Strona główna | biblioteka | Artykuły | Mapa stony | Recenzje witryn

www.diagram.com.ua
2000-2024