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:

Жидкий кальциевый нитрат для овощеводства 07.06.2026

Хозяйство Solbergs Gartneri, расположенное в Веттре, Норвегия, выращивает огурцы на площади 12 500 м2. В текущем сезоне оно полностью заменило традиционный водорастворимый кальциевый нитрат на продукт, производимый компанией N2 Applied из воздуха, воды и возобновляемой электроэнергии. Первые испытания нового удобрения начались еще в конце прошлого сезона в небольшом объеме, после чего хозяйство приняло решение о полном переходе. Технология N2 Applied основана на использовании плазмы для получения азотной кислоты из атмосферного воздуха и воды, которую затем превращают в жидкий кальциевый нитрат. Этот формат особенно удобен для систем фертигации. Важным преимуществом является отсутствие аммония в составе, что дает агрономам больше возможностей для точной корректировки питания растений. Владелец хозяйства Кристиан Солберг отметил, что теперь они могут более гибко реагировать на изменения pH в субстрате, снижая или увеличивая внесение аммония по необходимости. Одним из главных мотив ...>>

Игровой монитор MSI MPG OLED 322URDX36 07.06.2026

Компания MSI представила монитор MPG OLED 322URDX36, который стал первым в мире 31,5-дюймовым монитором с технологией Triple Mode. Эта инновация позволяет пользователю одним нажатием переключаться между тремя режимами: 4K (3840x2160) при 360 Гц для максимальной детализации и кинематографичности, 2K/QHD (2560x1440) при 520 Гц для оптимального баланса качества и плавности, а также Full HD (1920x1080) при впечатляющих 680 Гц - идеальном варианте для динамичных киберспортивных дисциплин. Такая гибкость открывает новые возможности для игроков разного уровня. Монитор построен на базе панели QD-OLED пятого поколения с технологией Penta Tandem и субпиксельной структурой RGB Stripe. Это решение устраняет традиционные проблемы OLED-дисплеев, такие как цветовая окантовка и снижение четкости текста. Благодаря усовершенствованной структуре изображения становятся более естественными и приятными для глаз даже при длительных игровых сессиях. Среди ключевых достоинств модели - поддержка VESA D ...>>

Дифузное покрытие для теплиц 06.06.2026

В тепличном овощеводстве и ягодоводстве управление светом играет ключевую роль в повышении урожайности и качества продукции. Растения особенно активно используют красную и синюю части спектра для фотосинтеза, в то время как зеленый свет в значительной степени отражается. Французская компания Ondex разработала инновационное решение, которое позволяет эффективнее использовать доступный солнечный свет без дополнительных затрат на досветку. Французский производитель Ondex вывел на рынок диффузное тепличное покрытие OptiRed DIFFU100. Этот материал смещает часть зеленого спектра в красный, усиливая фотосинтетическую активность растений. В 2026 году начались масштабные производственные испытания покрытия в юго-западной Франции на экспериментальной станции Invenio-FL. Исследования проводятся на ремонтантной землянике, выращиваемой на гидропонике с марта по июль, и на перце, посаженном в почву с середины мая по октябрь. По замыслу разработчиков, увеличение доли красного света должно спосо ...>>

Случайная новость из Архива Инновационное производство 3D-наночипов 27.07.2013 Новая технология микроскопии облегчит разработку и обеспечит контроль производства трехмерных полупроводниковых чипов. Ученые из Национального института стандартов и технологий (National Institute of Standards and Technology, NIST) модернизировали разработанную ими несколько лет назад технологию оптической микроскопии и приспособили ее для наблюдения наноразмерных объектов, что позволяет произвести контроль производства элементов трехмерных полупроводниковых чипов нового поколения. С помощью этой технологии, называемой TSOM (Through-Focus Scanning Optical Microscopy), можно не только рассмотреть наноразмерные компоненты чипов, которые до недавнего времени были двухмерными конструкциями, но и с достаточно высокой точностью определить различия в их формах и размерах, что и требуется для проведения технологического контроля. Новые поколения полупроводниковых чипов имеют в своем составе трехмерные элементы, которые накладываются друг на друга. Для правильной и надежной работы чипа в целом требуется, чтобы все компоненты имели правильные формы и строго заданные габариты. Существующие методы микроскопии - электронная, атомно-силовая и другие - могут обеспечить контроль формы и размеров элементов чипа, но делают это крайне медленно, с риском нанести повреждения хрупкой структуре чипа, а также обходятся они крайне дорого. А использование оптических методов микроскопии ограничивается тем, что размеры элементов чипов намного меньше половины длины волны света видимого диапазона (250 нм для зеленого света), поэтому оптический микроскоп физически не может увидеть столь маленькие объекты. Технология TSOM позволяет увидеть оптическим способом объекты, размеры которых приблизительно равны 10 нм, а в перспективе и еще меньше. В методе TSOM используется обычный оптический микроскоп, который делает не один, а множество расфокусированных двухмерных снимков интересующего объекта с нескольких точек зрения. Используя изменения яркости с этих расфокусированных снимков, компьютер вычисляет градиенты света и определяет границы снимаемых объектов, создавая таким образом результирующее трехмерное изображение. Изображения, получаемые с помощью метода TSOM, несколько абстрактны, но детали, которые на них видны, позволяют с достаточно высокой точностью определить различия в формах и размерах компонентов полупроводниковых чипов. "Наши исследования показали, что с помощью метода TSOM мы можем рассмотреть элементы размерами около 10 нм, чего вполне достаточно для обеспечения контроля технологических процессов производства полупроводников на ближайшее десятилетие, - рассказывает Рэвикирэн Аттота (Ravikiran Attota), ученый из NIST. - Кроме этого, технологию TSOM можно будет использовать не только в электронной промышленности, но и в других отраслях, в науке и везде, где требуется производить анализ и контроль форм крошечных трехмерных объектов".

Другие интересные новости:

▪ Светофор поможет автомобилю

▪ Танки-хамелеоны

▪ Стервятники и антибиотики

▪ Бананы под угрозой

▪ Электровелосипед Zectron Electric Bike

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Зарядные устройства, аккумуляторы, батарейки. Подборка статей

▪ статья Монтаж в рамках традиций, или Монтаж как ремесло. Искусство видео

▪ статья Где у змеи сердце? Подробный ответ

▪ статья Бузина обыкновенная. Легенды, выращивание, способы применения

▪ статья Помехоустойчивое фотореле. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Сто горящих сигарет в одной руке. Секрет фокуса

[an error occurred while processing this directive] Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026