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:

Хорошо управляемые луга могут компенсировать выбросы от скота 15.02.2026

Животноводство, особенно разведение крупного рогатого скота, часто обвиняют в значительном вкладе в глобальное потепление из-за мощного парникового газа - метана, который выделяется при пищеварении у жвачных животных. Это вызывает острые политические споры и призывы к сокращению потребления мяса. Однако ученые напоминают, что полная картина климатического воздействия отрасли не ограничивается только выбросами от животных: огромную роль играет окружающая экосистема - пастбища, почва и растительность, которые способны активно поглощать углекислый газ из атмосферы. Исследователи из Университета Небраски-Линкольна решили глубже изучить этот баланс. Группа под руководством профессора Галена Эриксона сосредоточилась на том, как правильно организованные пастбища накапливают углерод в растениях и грунте благодаря естественным процессам, стимулируемым выпасом скота. Ученые подчеркивают, что при достаточном уровне осадков и грамотном управлении такие луга превращаются в мощные природные погло ...>>

NASA тестирует инновационную технологию крыла 15.02.2026

Коммерческая авиация ежегодно расходует колоссальные объемы керосина, что сказывается не только на бюджете авиакомпаний, но и на состоянии окружающей среды. В 2024 году глобальные затраты на авиационное топливо достигли 291 миллиарда долларов, и эта сумма продолжает расти. Чтобы справиться с этими вызовами, NASA активно работает над технологиями, способными заметно повысить аэродинамическую эффективность самолетов. Одним из самых перспективных направлений стало создание специальной конструкции крыла, которая максимизирует естественный ламинарный поток воздуха и минимизирует сопротивление. В январе 2026 года специалисты NASA Armstrong Flight Research Center успешно провели важный этап наземных испытаний концепции Crossflow Attenuated Natural Laminar Flow (CATNLF). Для эксперимента под фюзеляж исследовательского самолета F-15B закрепили вертикально ориентированную масштабную модель высотой около 0,9 м (3 фута), напоминающую узкий киль. Такая компоновка позволила подвергнуть прототип р ...>>

Забота о внуках очень полезна для здоровья мозга 14.02.2026

Общение между поколениями приносит радость всей семье, но мало кто задумывается, насколько активно бабушки и дедушки, заботящиеся о внуках, поддерживают свою умственную форму. Регулярное взаимодействие с детьми стимулирует мозг пожилых людей, помогая сохранять память, скорость мышления и общую когнитивную активность. Новые научные данные подтверждают, что такая добровольная помощь не только важна для общества, но и может замедлять возрастные изменения в мозге. Исследователи из Тилбургского университета в Нидерландах провели анализ, чтобы понять, приносит ли уход за внуками реальную пользу здоровью пожилых людей. Ведущий автор работы Флавия Черечес отметила, что многие бабушки и дедушки регулярно присматривают за детьми, и оставался открытым вопрос, насколько это положительно сказывается на их собственном благополучии, особенно в плане когнитивных функций. Ученые поставили цель выяснить, способен ли регулярный уход за внуками замедлить снижение памяти и других умственных способ ...>>

Случайная новость из Архива Смартфон Vivo Xplay управляется взглядом 27.03.2013 Технологии слежения за глазами пользователей набирает популярность среди производителей смартфонов: о ее применении уже заявили LG и Samsung, а вскоре к этому тандему, видимо, присоединится и китайская компания BBK Communication Technology. Как информирует источник, в новом флагманском смартфоне BBK Vivo Xplay будут поддерживаться технологии слежения за глазами пользователя и управления жестами. Для распознавания движений глаз и жестов будет задействована 5-мегапиксельная камера. Как сообщается, с ее помощью и без прикосновений к экрану можно будет прокручивать web-страницы и изменять их масштаб, увеличивать или уменьшать изображения. Вероятно, направление взгляда пользователя будет учитываться и при просмотре видео, как это реализовано в Samsung Galaxy S 4 и LG Optimus G Pro. Попутно источник подтвердил данные о том, что в основу Vivo Xplay ляжет однокристальная система Qualcomm Snapdragon 600 (четырехъядерный CPU частотой 1,7 ГГц ), а размер диагонали экрана составит пять дюймов при разрешении 1920 х 1080 точек. В его конфигурацию войдет 2 ГБ оперативной памяти, тыльная камера разрешением 13 Мп и аккумуляторная батарея емкостью 3200 мА·ч. Cмартфон будет предлагаться с 16 или 32 ГБ встроенной памяти, при этом стоимость изделия будет начинаться от $480.

Другие интересные новости:

▪ Гибридные процессоры AMD Trinity

▪ Новые приборы Bluetooth от PHILIPS SEMICONDUCTOR

▪ Транзистор с затвором 0,34-нм

▪ Дефицит витамина D повышает риск деменции

▪ Создан аккумулятор, способный работать до 400 лет

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Узлы радиолюбительской техники. Подборка статей

▪ статья Внешнеэкономическая деятельность. Шпаргалка

▪ статья Когда в футбол будут играть в шлемах? Подробный ответ

▪ статья Кат. Легенды, выращивание, способы применения

▪ статья Акустическое оформление широкополосных головок. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Радиостанция на 5650-5670 МГц. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026