Бесконтактные емкостные датчики. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Радиолюбителю-конструктору

 Комментарии к статье

Емкостные датчики реагируют на самые различные вещества - твердые и жидкие, металлы и диэлектрики. Их используют, например, для бесконтактного контроля заполнения резервуаров жидкостями и сыпучими материалами, позиционирования и счета различных предметов, охраны объектов. В предлагаемой статье рассказано о принципе действия бесконтактных датчиков, приведены схемы, пригодные для практического воплощения и использования.Выпускаемые многими отечественными и зарубежными фирмами бесконтактные датчики [1, 2] действуют по "конденсаторному" принципу, реагируя на вызванное появлением в чувствительной зоне постороннего объекта изменение относительной диэлектрической проницаемости окружающей среды. Типовой датчик с диаметром чувствительной поверхности 60 мм фиксирует на расстоянии 40 мм "стандартную цель" (термин по [3]).

Чувствительный элемент бесконтактного емкостного датчика представляет собой конденсатор с обкладками, развернутыми в одну плоскость, как показано на рис. 1.

В зависимости от наличия или отсутствия постороннего предмета изменяется средняя диэлектрическая проницаемость окружающей обкладки среды и, следовательно, емкость конденсатора. Последний служит частотозадающим элементом автогенератора. Имеющееся в датчике пороговое устройство следит за амплитудой или частотой колебаний, при их изменении приводя в действие исполнительный узел.

Во многих емкостных датчиках частоту генератора выбирают равной нескольким мегагерцам. Генераторы строят на дискретных транзисторах, число которых достигает пяти. Однако достаточно чувствительный к изменению емкости генератор, работающий на частотах в сотни килогерц, можно построить и всего на одном ОУ среднего класса.

За основу взята классическая схема генератора прямоугольных импульсов на ОУ, показанная на рис. 2.

Ее подробное описание и расчет приведены в [4]. Если ОУ DA1 идеален, частота колебаний обратно пропорциональна емкости конденсатора С1 (чувствительного элемента датчика), а их амплитуда неизменна. В действительности с уменьшением емкости и ростом частоты наступает момент, когда из-за свойственной реальному ОУ инерционности условия самовозбуждения генератора перестают выполняться и колебания срываются.

Остается добиться, чтобы генератор работал при наличии в чувствительной зоне постороннего предмета, а при его удалении (что эквивалентно уменьшению емкости конденсатора) - уже нет. Такой режим имеет определенные преимущества перед известными, когда генератор работает непрерывно [5, 6], либо только в отсутствие постороннего предмета [7, 8].

Идея была проверена моделированием генератора с помощью программы ELECTRONIC WORKBENCH. Из библиотеки стандартных элементов программы для модели был выбран ОУ НА2502. Номиналы резисторов составляли: R1 - 330 кОм, R2 - 1 кОм, R3 - 2 кОм. Колебания мягко возникали и срывались при изменении емкости конденсатора С1 от 11 до 12 пФ, и обратно. С большой долей уверенности можно утверждать, что для надежной работы емкостного датчика этого достаточно. В дальнейшем вывод был подтвержден испытанием реальных конструкций.

Чувствительный элемент датчика был изготовлен из односторонне фольгированного изоляционного материала, на котором оставлены два прямоугольных участка фольги размерами 70x50 мм, примыкающие друг к другу короткими сторонами с зазором 2 мм. Емкость образованного таким образом "развернутого конденсатора" - приблизительно 5 пФ. Длина проводов, соединяющих обкладки конденсатора с генератором, должна быть минимальной, не более 50 мм.

Практическая схема генератора на одном из двух ОУ микросхемы КР157УД2 показана на рис. 3.

Так как микросхема питается от одного источника, с помощью резистивного делителя R3R4 на неинвертирующий вход ОУ подано смещение, равное половине напряжения питания. Частотозадающая цепь образована резистором R2 и емкостью чувствительного элемента Е1. Резистор R1 служит для защиты входа ОУ от помех и наводок, способных вывести ОУ из строя.

Следует отметить важную роль конденсатора С1, корректирующего АЧХ ОУ. От емкости этого конденсатора зависит "рабочая точка" генератора на склоне АЧХ. Были проверены два варианта: С1=12 пФ, R5=180 кОм (частота 200 кГц) и С1=6,8 пФ, R5=1 МОм (частота 500 кГц). В обоих случаях, подстраивая резистор R2, удавалось добиться, что генератор возбуждался при приближении к чувствительному элементу постороннего предмета. Настройку желательно производить с помощью длинной отвертки из изоляционного материала.

Во время испытаний датчик "чувствовал" человеческую руку или резервуар с водой на расстоянии в несколько сантиметров. На меньшем расстоянии удавалось обнаружить деревянный брусок, пустую стеклянную банку и даже ученический ластик.

Схема генератора на микросхеме К1407УД1 представлена на рис. 4.

Его свойства приблизительно такие же, как и у рассмотренного выше. Так как примененный ОУ не имеет выводов для подключения цепей коррекции, его быстродействие ухудшено с помощью обратной связи по цепи R3C1. Кроме того, подобно резистору R1 в предыдущем устройстве (см. рис. 3), резистор R3 защищает вход ОУ от наводок. Рабочая частота генератора - приблизительно 100 кГц.

На рис. 5 изображена схема бесконтактного датчика на микросхеме КР157ДА1 [9].

В отличие от ранее рассмотренных (см. рис. 3 и 4), в генераторе датчика не потребовалась дополнительная ОС, так как собственная полоса пропускания ОУ DA1.1 достаточно узка. Однако, чтобы добиться надежной работы, пришлось ввести цепь R6C1. Резистор R1 - защитный.

Частота колебаний генератора на ОУ DA1.1 - 20 кГц при R5=10 кОм и 80 кГц при R5=100 кОм. В отсутствие объекта в чувствительной зоне генератор не работает, светодиод HL1 не светится. Последнее делает устройство более экономичным по сравнению, например, с описанным в [8]. Со второго выхода детектора DA1.2, нагрузкой которого служит цепь R7C2, сигнал поступает на вход порогового устройства - ОУ DA1.3. На его выходе (выводе 7 микросхемы DA1) при срабатывании датчика низкий уровень напряжения сменяется высоким.

Генераторы емкостных датчиков, в том числе рассматриваемого, в отсутствие внешнего объекта иногда выдают кратковременные "вспышки" колебаний, следующие с частотой 100 Гц. Вероятно, это результат воздействия сетевых наводок. Скважность "вспышек" достаточно высока, и инерционная цепь R7C2 ослабляет их, не позволяя достичь уровня срабатывания DA1.3.

Как показала проверка, указанные ранее размеры чувствительного элемента Е1 можно уменьшить. Например, устройство на микросхеме К1407УД1 (см. рис. 4), действовало и при размерах обкладок 30x6 мм, причем для сохранения неизменной постоянной времени цепи обратной связи номинал переменного резистора R5 пришлось увеличить до 560 кОм. Чувствительность датчика осталась вполне удовлетворительной.

Размеры чувствительной зоны удалось увеличить, раздвинув обкладки конденсатора в стороны или вовсе удалив ту из них, которая соединена с общим проводом. В последнем случае роль удаленной обкладки переходит к самому общему проводу и соединенным с ним элементам. После соответствующей настройки подстроечным резистором R5 генератор возбуждался при приближении к оставшейся обкладке руки на расстояние 100 мм или деревянного бруска - на 30 мм. Однако амплитуда "вспышек" частотой 100 Гц заметно возросла.

Литература

1. TURCK Proximity Sensors. Каталог бесконтактных датчиков (выключателей) фирмы TURCK (Германия).
2. BALLUFF Sensor Technik. Каталог бесконтактных датчиков (выключателей) фирмы BALLUFF (Германия).
3. ГОСТ Р 50030.5.2-99 (МЭК 60947-5-2) Аппаратура распределения и управления низковольтная. Часть 5.2. Аппараты и коммутационные элементы цепей управления. Бесконтактные датчики.
4. Фролкин В., Попов Л. Импульсные устройства. - М.: Советское радио, 1980.
5. Нечаев И. Емкостное реле. - Радио, 1988, № 1,с. 33.
6. Нечаев И. Емкостное реле. - Радио, 1992, № 9, с. 48.
7. Устройство сигнализации при приближении к объекту. - Радио, 1999, № 5, с. 40.
8. Москвин А. Сторожевое устройство с емкостным датчиком. - Радио, 2001, № 8, с. 35, 36.
9. Атаев Д., Болотников В. Аналоговые интегральные схемы для бытовой аппаратуры. Справочник. - М.: ПКФ "Печатное дело", 1992.

Автор: А.Москвин, г.Екатеринбург

Смотрите другие статьи раздела Радиолюбителю-конструктору.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Чувства кота, ожидаюшего возвращения хозяина 16.07.2026

Многие владельцы кошек уверены, что их питомцы совершенно равнодушны к уходу человека из дома. Считается, что кошки - независимые существа, которые спокойно переносят одиночество и даже радуются, оставаясь одни. Однако испанские специалисты по поведению животных считают, что реальность гораздо сложнее. Реакция кошки на отсутствие хозяина зависит от ее индивидуального характера, степени привязанности к человеку и привычного распорядка дня. Кошки хорошо запоминают ежедневные ритуалы своих владельцев. Они способны связывать определенные звуки - звон ключей, шаги у двери или звук закрывающегося замка - с предстоящим уходом человека. Для одних животных эти сигналы означают возможность спокойно лечь спать, а для других становятся причиной беспокойства и длительного ожидания возвращения хозяина. Таким образом, кошка не просто "не замечает" уход, а активно реагирует на связанные с ним изменения в окружающей обстановке. Исследования поведения кошек показывают, что некоторые из них действи ...>>

Целесообразность приема пробиотиков после курса антибиотиков 16.07.2026

Антибиотики остаются одним из самых мощных инструментов современной медицины в борьбе с бактериальными инфекциями. Однако их действие не ограничивается уничтожением только вредных микроорганизмов. Эти препараты способны существенно влиять на состав кишечной микрофлоры, что часто вызывает вопросы у пациентов: насколько серьезны эти изменения, как долго они сохраняются и нужно ли после курса антибиотиков принимать пробиотики для восстановления. На эти вопросы попытались ответить исследователи, проанализировав имеющиеся научные данные. Во время приема антибиотиков многие люди сталкиваются с неприятными симптомами со стороны пищеварительной системы: тошнотой, болями или спазмами в животе, а также диареей. Такие реакции возникают потому, что препараты воздействуют не только на возбудителей инфекции, но и на полезные бактерии, которые населяют кишечник и участвуют в пищеварении, синтезе витаминов и поддержании иммунитета. Некоторые антибиотики, например азитромицин, могут напрямую влия ...>>

Резкое похудение и возврат веса могут навредить сердцу 15.07.2026

Многие люди, желая быстро избавиться от лишних килограммов, прибегают к строгим диетам с резким ограничением калорий. Достигнув желаемого результата, они часто постепенно или быстро возвращаются к прежнему рациону и прежнему весу. На первый взгляд это кажется лишь вопросом внешнего вида, однако ученые предупреждают: постоянные колебания массы тела могут оказывать негативное влияние на сердечно-сосудистую систему и обмен веществ. Так называемый эффект йо-йо, когда периоды активного похудения сменяются повторным набором веса, становится все более распространенным явлением. Новые исследования указывают на возможную связь между такими циклами и ухудшением работы сердца. Организм способен адаптироваться к изменениям питания, но постоянное повторение резких переходов между ограничением калорий и перееданием создает дополнительную нагрузку на различные системы. В одном из экспериментов на лабораторных животных исследователи моделировали эффект йо-йо, периодически снижая калорийность рац ...>>

Случайная новость из Архива Разгадан бесшумный полет сов 04.02.2024 Ученые из Университета CHIBA в Японии раскрыли секрет бесшумного полета сов. Исследователи, долго увлеченные этой уникальной способностью сов, выяснили, что микробакрома, особая особенность заднего края совиных крыльев, играет ключевую роль в подавлении шума, сохраняя при этом оптимальные аэродинамические характеристики. Открытие о влиянии микробакромы на уровень шума при полете сов предоставляет ценные знания, которые могут быть применены в технологии для создания более тихих и эффективных аэродинамических систем. Перспективы использования этих принципов в различных областях, включая авиацию и инженерные разработки, предвосхищают устойчивый прогресс в области шумоподавления и биоинспирированных инноваций. Группа ученых построила две трехмерные модели крыльев: одну с микробакромой, а другую без нее. С использованием комбинации методов моделирования вихрей и расчетной акустики Фокса-Уильямса-Гокинга они смоделировали поток жидкости, чтобы точно воспроизвести условия полета. Основное внимание было уделено скорости планирования полета настоящих сов. Результаты исследования показали, что микробакрома эффективно снижает уровень шума крыла, особенно при высоких углах атаки, не вредя аэродинамике по сравнению с крыльями без этой особенности. Ученые выявили два взаимодополняющих механизма, с помощью которых микробакрома воздействует на воздушный поток. Во-первых, микробакрома разрушает вихри на задней кромке крыла, уменьшая колебания воздушного потока. Во-вторых, она уменьшает взаимодействие между перьями на кромке крыла, предотвращая образование вихрей. Сочетание этих механизмов улучшает аэродинамические свойства и снижает уровень шума. Это открытие имеет широкие перспективы за пределами орнитологии. Исследование предполагает, что аналогичные полоски могут быть использованы для снижения шума в различных искусственных конструкциях, включая дроны, ветряные мельницы, пропеллеры и даже летающие автомобили. Специалисты считают, что глубокое понимание этих механизмов открывает путь к разработке методов уменьшения шума в оборудовании, работающем в жидких средах.

Другие интересные новости:

▪ Искусственное сердце из самоорганизовавшихся стволовых клеток

▪ Аудиофильский плеер Walkman NW-A105

▪ Ночные тренировки в спортзале могут быть наиболее продуктивными

▪ Бактерия вызывает дождь

▪ Камера Kodak Mini Shot со встроенным принтером

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Большая энциклопедия для детей и взрослых. Подборка статей

▪ статья Братья наши меньшие. Крылатое выражение

▪ статья Что такое соколиная охота? Подробный ответ

▪ статья Заместитель директора магазина. Должностная инструкция

▪ статья ГИР на 1,8-150 МГц. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Низковольтный стабилизатор напряжения, 3,4-6/3-5 вольт 0,4 ампер. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026